無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

戴亞文,邱 航,李小強,彭 磊

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢430070)

0 引言

多年來頻繁發(fā)生的地震、洪水等地質(zhì)災(zāi)害造成近年結(jié)構(gòu)工程事故頻繁發(fā)生,如橋梁折斷、房屋倒塌等,不僅造成了國家和人民巨大的財產(chǎn)損失而且威脅了人民的生命安全,引起人們對重大工程結(jié)構(gòu)安全性的重視,因此迫切地需要建設(shè)經(jīng)濟合理的大型結(jié)構(gòu)工程生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)健康診斷系統(tǒng)。傳統(tǒng)的健康診斷系統(tǒng)不僅工程施工復(fù)雜、工作量大、投資大、系統(tǒng)維護更新費用高,而且在使用過程中極易出現(xiàn)故障,影響監(jiān)測的正常進(jìn)行,因此國內(nèi)外學(xué)者提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]。

1 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由4個子功能系統(tǒng)組成[2]:傳感器系統(tǒng)、信息采集與處理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信與傳輸系統(tǒng)、信息分析和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)充分考慮了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的特殊應(yīng)用環(huán)境(布點固定、采集精度高、采樣頻率快、節(jié)點不易更換、施工難度較大等特點),分別從系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2個主要方面進(jìn)行設(shè)計開發(fā),最大程度地滿足了“健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計須遵循功能要求和效益-成本分析”兩大準(zhǔn)則。

該系統(tǒng)硬件設(shè)備從功能上可分為子節(jié)點(包括傳感器及采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)及電源管理系統(tǒng))和主節(jié)點(包括無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng))。傳感器部分為了測試系統(tǒng)精度,選取了測試專用的等效應(yīng)變源,此外也可根據(jù)不同的需要選用其他類型的傳感器(如已經(jīng)在該系統(tǒng)使用的加速度傳感器,或者溫度、濕度及有害氣體傳感器等);數(shù)據(jù)采集器可將傳感器檢測到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并通過數(shù)據(jù)發(fā)射器發(fā)送出去;電源管理系統(tǒng)將新型的太陽能技術(shù)應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò),大大延長了系統(tǒng)子節(jié)點使用時間,降低了后期維護成本;無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送各種控制命令給各個無線數(shù)據(jù)發(fā)射器,并且負(fù)責(zé)接收各個數(shù)據(jù)發(fā)射器發(fā)送來的應(yīng)變信號,并由RS232串口傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)網(wǎng)關(guān)或者計算機中,并以可視化方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析結(jié)果顯示出來。

軟件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要可分為上位機軟件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分。上位機軟件主要用于界面監(jiān)控、人機交互以及數(shù)據(jù)處理仿真等;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分是根據(jù)實際需求和應(yīng)用背景特定設(shè)計開發(fā)的“無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(Wireless Sensor Network for Structural Health Monitoring,SHM's WSN)。數(shù)據(jù)通過這種 SHM's WSN網(wǎng)絡(luò)的傳輸,使系統(tǒng)具備了實際應(yīng)用的要求,而且具有超低功耗、實時性強、高精度、健壯的魯棒性等特點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備

本無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)由多個子節(jié)點和1個主節(jié)點構(gòu)成。子節(jié)點將傳感器、采集系統(tǒng)和發(fā)送系統(tǒng)模塊化集成,方便工程應(yīng)用的同時,大大降低了成本。主節(jié)點與PC機服務(wù)器或者以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連,使得遠(yuǎn)程監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)存儲成為可能。

2.1 子節(jié)點系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 傳感器及采集系統(tǒng)設(shè)計

傳感器及采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將傳感器產(chǎn)生的模擬信號,經(jīng)放大和濾波電路處理后,用24位高精度芯片AD7714轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號[3]。

由于傳感器(應(yīng)變片等)輸出的信號一般都很微弱,只有幾mV,為了降低AD7714內(nèi)部噪聲對采樣結(jié)果的影響,系統(tǒng)不使用其內(nèi)部放大控制。由于應(yīng)變信號是差分信號,綜合當(dāng)今差分放大器增益的瓶頸問題以及多級放大容易引入干擾等因素,本設(shè)計選用的是AD623精密儀表信號放大芯片,從而保證了最小誤差采樣。為了降低系統(tǒng)噪聲和干擾,系統(tǒng)通過MAX7414進(jìn)行硬件濾波,并在設(shè)計PCB板時將數(shù)字地和模擬地分離來減小系統(tǒng)的自干擾,有效提高了AD7714采樣精度。

2.1.2 無線發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計

無線通信模塊電路包括CC2430芯片及其相關(guān)外圍電路。由于CC2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中,因而簡化了電路的設(shè)計過程,省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計,縮短了研發(fā)周期[4]。為了降低系統(tǒng)能耗,無線通信模塊在不工作時設(shè)計為休眠模式。

2.1.3 電源管理系統(tǒng)設(shè)計

子節(jié)點采用鋰電池作為電源,利用太陽能進(jìn)行充電。本設(shè)計采用的太陽能電池板工作電壓為4.5 V,短路電流0.4A,可以彎曲,易于安裝,提供的電能經(jīng)CN3063轉(zhuǎn)換并存儲于鋰電池中。

電池電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?.3 V的穩(wěn)定電壓供給無線通信模塊工作,通過無線通信模塊中CC2430單片機I/O口輸出高低電平控制應(yīng)變片、放大器、濾波芯片、AD芯片供電。這樣當(dāng)無線通信模塊喚醒時,就可以使能傳感器進(jìn)行正常的信號采集;當(dāng)無線通信模塊休眠時,信號采集也同步停止,從而降低整個節(jié)點系統(tǒng)能耗。子節(jié)點系統(tǒng)功能模型如圖1所示。

圖1 子節(jié)點系統(tǒng)功能模型

2.2 主節(jié)點系統(tǒng)構(gòu)成

主節(jié)點的實現(xiàn)方法和設(shè)計原理與子節(jié)點基本相同,但是主節(jié)點端沒有傳感器、采集模塊和電源管理模塊,只有一個負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和命令、發(fā)送指令的無線通信模塊。其主控芯片仍然是CC2430,而且充分考慮了實際工程應(yīng)用的要求,針對不同的需要,設(shè)計出2種系統(tǒng)實現(xiàn)方案:

①遠(yuǎn)程監(jiān)控模式。無線通信模塊通過串口將數(shù)據(jù)交給以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān),客戶計算機通過配置IP訪問網(wǎng)關(guān),進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),這樣便實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控,使得監(jiān)控地點的選擇更加靈活;

②現(xiàn)場監(jiān)控模式。無線通信模塊通過串口直接連接計算機或者筆記本電腦,鑒于現(xiàn)今大多便攜電腦沒有 com口,為了增加適用性,特別使用CP2102,將串口轉(zhuǎn)換為USB口,并測試成功。

3 軟件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計及測試結(jié)果

針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測布點固定且不易更換、采集精度高和頻率快等特點,開發(fā)出一套“無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(SHM's WSN)協(xié)議棧,并在上位機軟件部分對數(shù)據(jù)進(jìn)行了方案成熟的糾錯、處理、分析等操作。

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計

由于以上特殊性的存在,系統(tǒng)通信協(xié)議對TDMA、時間同步、休眠等進(jìn)行了借鑒與融合,形成了一套較為實用且精簡的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。協(xié)議棧程序流程圖如圖2所示。

圖2 協(xié)議棧程序流程

系統(tǒng)硬件在完成初始化后,先由主節(jié)點組建網(wǎng)絡(luò),子節(jié)點探測并加入網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)建立成功,主節(jié)點下發(fā)“搜索節(jié)點”命令,確定每個節(jié)點都可以正常工作;如果子節(jié)點應(yīng)答正常,全網(wǎng)將進(jìn)行第一次時間同步,此時可以通過上位機監(jiān)控軟件下發(fā)采集命令,進(jìn)行采集;當(dāng)子節(jié)點完成采集和傳輸后,將等待2 min,如果在這期間再次收到工作指令,將繼續(xù)完成部署任務(wù),否則其將進(jìn)入休眠狀態(tài);進(jìn)入休眠后,子節(jié)點每30 ms將醒來偵聽同步命令和喚醒命令,如果沒有喚醒指令下達(dá),將繼續(xù)休眠,反之則進(jìn)入待采集狀態(tài)等待采集命令。

通過SHM's WSN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使系統(tǒng)具有針對于實際應(yīng)用的特點:

①數(shù)據(jù)科學(xué)性。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的數(shù)據(jù)非常強調(diào)“同時性”,即不同節(jié)點在“同一時刻”采集到的數(shù)據(jù)才具有參考和分析的價值。所以為了保證數(shù)據(jù)的科學(xué)性,協(xié)議結(jié)合TDMA和時間同步技術(shù),專門分配一個同步時隙供全網(wǎng)節(jié)點更新本地時間,以保證數(shù)據(jù)“同時”采集;

②高可靠性。每個子節(jié)點MCU在將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點之前,都會在數(shù)據(jù)包中加入時間戳和時間序列。監(jiān)控軟件可根據(jù)這些信息,對各子節(jié)點數(shù)據(jù)包進(jìn)行整理分析,以避免傳輸過程丟包、誤碼等情況,從而保證數(shù)據(jù)的真實可靠;

③工程實用性。系統(tǒng)有一套較為完善的超低功耗處理機制,以延長每個子節(jié)點使用壽命,降低后期維護成本。為此,設(shè)計中加入了休眠機制,在沒有采集任務(wù)的情況下,便進(jìn)入休眠狀態(tài),此時子節(jié)點電流由30 mA降至10 μ A,保證了長時間工作的需要;

④方案的可行性。通過對仿真實驗和實際測試結(jié)果的分析,系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集精度、時間、效率等方面均可以達(dá)到預(yù)期效果,相關(guān)測試結(jié)果將在本文最后詳細(xì)給出。

3.2 上位機軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的監(jiān)控和分析軟件是在NI公司Labview平臺上編寫的,該軟件主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點、存儲數(shù)據(jù)和發(fā)送命令等任務(wù),并有較為友好的人機交互界面。用戶可以通過軟件中的數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、FFT運算和小波變換等各種分析處理[5]。

3.3 實現(xiàn)方案的測試結(jié)果

方案可行性測試。通過多次、不同環(huán)境、長時間的試驗,整個系統(tǒng)仍然可以正常地完成部署任務(wù),說明其具有良好的穩(wěn)定性和實用性。

系統(tǒng)性能測試。系統(tǒng)將等效應(yīng)變源的應(yīng)變采集標(biāo)定后,所得出的結(jié)果與實際應(yīng)變相差0.114 5個應(yīng)變量(y=0.114 5x),精度滿足實際工程要求。應(yīng)變采樣測試圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)變采樣測試圖

4 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于沒有了布線的束縛,布置監(jiān)測點方便,也不會影響到其他工種的作業(yè),使其可監(jiān)測的范圍大大得到了擴展。實際工程中分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大程度地減少了器件連線,降低了系統(tǒng)的搭建、維修費用和難度,是未來的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

基于上述理論和應(yīng)用要求,介紹了一種新型的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)”。系統(tǒng)中節(jié)點集成度較高、體積較小、功耗較低、傳輸距離和可靠性都能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸要求,并通過專屬定制的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議SHM's WSN進(jìn)行通信,而且進(jìn)一步完成了一套較為完善的上位機測試軟件編寫工作。試驗測試表明本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)取得了良好的效果。

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