基于ZigBee橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

范杰等

【摘 要】橋梁的建設(shè)和維護(hù)是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)能有效的保證橋梁的安全運(yùn)營，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與分析，為橋梁在特殊氣候、復(fù)雜交通環(huán)境下和橋梁結(jié)構(gòu)狀況異常時發(fā)布預(yù)警信號，為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)與維修提供科學(xué)的依據(jù)。目前國內(nèi)外橋梁監(jiān)測系統(tǒng)大多為有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，存在著網(wǎng)絡(luò)安裝布線成本高昂、設(shè)備移動和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性差、節(jié)點(diǎn)智能化程度低等問題。為此，本文提出并設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本項(xiàng)目研發(fā)一種基于Zigbee橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采集終端由傳感節(jié)點(diǎn)與匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)證明，相比于傳統(tǒng)有線的監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有負(fù)重輕、成本低、易維護(hù)和搭建移動方便等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】橋梁健康監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Zigbee

【Abstract】Bridge construction and maintenance is an important part of national infrastructure， bridge health monitoring technology ensures effectively the security of operation of the bridge and protect s people's lives and property. Bridge health monitoring system， through monitoring and analysis of the state of the bridge stru cture，releases warning signals in special climate， the complexity of traffic conditions and abnormal structural condition of bridges， and provides a scientific basis for the management， conservation and maintenance of bridges. Currently， most of bridge monitoring systems at home and abroad are cable network system with flaws of the traditional means of health monitoring of bridge，namely， high cost of cable network installation， lack of mobility and flexibility in the network， low intelligence of nodes. To overcome the limitation， this paper designed and implemented a wireless sensor network system based on the Zigbee protocol for bridge health monitoring with advantages of low-cost， high reliability， easy installation and low maintenance cost.

【Key words】Bridge health monitoring；Wireless sensor network；Zigbee

0 引言

橋梁在幾十年、甚至上百年的使用過程中，結(jié)構(gòu)長期承受交通荷載的作用，嚴(yán)酷自然環(huán)境的侵蝕，自然災(zāi)害和人為因素等的禍合作用，不可避免地導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，抗力衰減，使得結(jié)構(gòu)承受力與安全性降低，引發(fā)災(zāi)難性突發(fā)事故。全國規(guī)律普查結(jié)果顯示，有相當(dāng)一部分的橋梁存在不同程度的損傷，1951年美國金門大橋在風(fēng)速振動下造成橋體損傷，1994年韓國圣水大橋段塌，臺灣的高屏大橋攔腰斷裂，還有我國的彩虹橋，宜賓南門大橋等一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須要重視橋梁的定期健康檢測與安全評估，及危橋的損傷檢測和監(jiān)控，爭取消除隱患。所以對橋梁進(jìn)行定期維護(hù)和檢修，對其健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價，掌握其健康狀況是有重要意義的。橋梁結(jié)構(gòu)的檢測、監(jiān)測也就成為橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護(hù)和保障正常使用的主要技術(shù)手段。

隨著傳感器、通信、計算機(jī)、信號處理以及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開始研究基于信息技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁工程領(lǐng)域開始考慮一些能夠在不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的可長期實(shí)時觀測累積損傷狀態(tài)的技術(shù)和方法，以便對服役期間的橋梁安全狀況進(jìn)行長期實(shí)時在線監(jiān)測，為進(jìn)一步的維護(hù)管理提供正確的決策。

1 緒論

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述

1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們分別完成對被測量對象的信息提取、信息傳輸及信息處理。隨著它們的飛速發(fā)展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現(xiàn)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各個領(lǐng)域。這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而生。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有局部信號處理的功能，將傳統(tǒng)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)變成并行的分布式處理，提高了檢測系統(tǒng)的運(yùn)行速度和靈活性。另外，無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)最大程度地減少了器件連線，減低了系統(tǒng)的搭建、維修費(fèi)用和難度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測中的優(yōu)勢

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國內(nèi)外工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有功耗低、體積小、系統(tǒng)安全性高、穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時性好的特點(diǎn)。將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，有利于整個系統(tǒng)的小型化，低成本，智能化。通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，可以提高系統(tǒng)安裝的方便性和可移動性，并使監(jiān)測系統(tǒng)可方便地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，具有以下明顯優(yōu)勢：

1）構(gòu)成自組織動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，無需人工干涉自動組網(wǎng)，適應(yīng)長期工作的需要。傳感器可自動加入、斷開網(wǎng)絡(luò)，方便監(jiān)測點(diǎn)位置的改變。

2）傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集量大，精度高增加了系統(tǒng)監(jiān)測的精度和穩(wěn)定性。

3）傳感器節(jié)點(diǎn)具有無線通信能力，并且支持多跳技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測的遠(yuǎn)程監(jiān)測，減少現(xiàn)場布線的工作量，移動靈活。

4）健康監(jiān)測中的監(jiān)測對象不盡相同，傳感器節(jié)點(diǎn)具備良好的靈活性，可以配接各種類型的傳感器，滿足監(jiān)測的不同應(yīng)用。

為了滿足橋梁長期健康監(jiān)測的要求，構(gòu)建合理、高效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，選擇合適的無線通信協(xié)議是至關(guān)重要的，本課題選擇Zigbee作為無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。

1.2 Zigbee協(xié)議概述

1.2.1 Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)

作為一種流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來說，Zigbee協(xié)議具備很多自身的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)保證了Zigbee能夠很好地運(yùn)行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，同時得到廣泛應(yīng)用。Zigbee協(xié)議主要有如下的特點(diǎn)：

1）低功耗

2）低成本

3）通信可靠

4）網(wǎng)絡(luò)的自組織，自愈能力強(qiáng)

5）網(wǎng)絡(luò)容量大

6）低速率

7）近距離

8）數(shù)據(jù)安全

1.2.2 Zigbee與其他幾種無線通信協(xié)議的比較

表1給出了幾種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較?？梢钥闯?，它們各有特點(diǎn)，也決定了它們的應(yīng)用領(lǐng)域是不同的。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，要求傳輸設(shè)備成本低，功耗小，系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備通常采用電池供電。Zigbee技術(shù)更符合這些特點(diǎn)。

基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有功耗低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、低等待時間等特性。在固定的時間間隔傳輸數(shù)據(jù)的低速率特性，滿足健康監(jiān)測中，以一定的采集頻率，將各個傳感器節(jié)點(diǎn)周期性采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳送至監(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理。相比其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Zigbee技術(shù)更適合在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用。

2 基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 橋梁健康監(jiān)測要求

反映橋梁健康狀況需要監(jiān)測的內(nèi)容指標(biāo)很多，如果全面監(jiān)測難免給健康監(jiān)測系統(tǒng)造成硬件龐大、數(shù)據(jù)繁雜，處理數(shù)據(jù)不可靠等缺陷。因此在監(jiān)測指標(biāo)上，應(yīng)根據(jù)橋型選擇最能反映橋梁健康狀況的指標(biāo)?；谕ǔ蛄罕O(jiān)測指標(biāo)的選擇是在基于“橋梁本身安全”的情況下，主要監(jiān)測指標(biāo)如下：

1）環(huán)境溫度及橋上溫度分布監(jiān)測

2）主梁應(yīng)力監(jiān)測

3）撓度監(jiān)測

4）振動監(jiān)測

應(yīng)力、撓度、振動、溫度是對橋梁進(jìn)行長期健康監(jiān)測和健康評估的主要指標(biāo)，對橋梁重點(diǎn)部位的這些指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測有助于了解橋面系的受力狀況，橋梁的剛度性能，間接反映橋梁的穩(wěn)定性，并及時準(zhǔn)確地提供橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)。便于及時發(fā)現(xiàn)橋梁的結(jié)構(gòu)損傷與質(zhì)量退化，對大橋的結(jié)構(gòu)安全做出準(zhǔn)確評價，保證大橋安全運(yùn)營，并為橋梁維護(hù)、管理決策提供可信的科學(xué)依據(jù)。

2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

一套結(jié)構(gòu)和性能都稱得上完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是由傳感采集子系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和終端監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成。

橋梁健康狀況實(shí)時監(jiān)測的系統(tǒng)構(gòu)建如圖2所示，該傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、若干路由器節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。

感知層利用Z-STACK協(xié)議棧構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各傳感器節(jié)點(diǎn)采集應(yīng)力、撓度、沉降等橋梁參數(shù)經(jīng)過路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）一方面創(chuàng)建并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，另一方面把各節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊—SIM300將感知網(wǎng)絡(luò)接入Internet，將數(shù)據(jù)通過Internet 傳輸至遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。

2.2.1 傳感采集子系統(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2430芯片為核心，結(jié)構(gòu)如圖3所示，傾角、應(yīng)變和沉降值等模擬信號送入到CC2430中轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將這些信息通過天線發(fā)送至無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。

2.2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由天線和GPRS組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)也稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的cc2430以無線方式接收若干節(jié)點(diǎn)所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)送到LM3S8962里，ARM板利用SIM300接入Internet，把接收的數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到遠(yuǎn)程端。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2.3 終端監(jiān)控子系統(tǒng)

終端監(jiān)控子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)，主要由中繼節(jié)點(diǎn)與用戶應(yīng)用軟件組成，中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把整個網(wǎng)絡(luò)的采集數(shù)據(jù)通過串口通信保存在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存和備份，對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時跟蹤，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)信息的可視化和決策數(shù)據(jù)庫的智能化。

3 其他關(guān)鍵問題

3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)和試驗(yàn)研

通過對各類橋梁的檢測數(shù)據(jù)收集，并依據(jù)各類橋梁不同部位常見病害及其原因的分析，將現(xiàn)代測試技術(shù)和數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于橋梁安全評價之中，重點(diǎn)研究各類特征量與病害之間的關(guān)系及其門檻值的設(shè)置原則，建立常見類型橋梁安全的評價模型。

3.2 注重特征參量測量與監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)配置

橋梁承載能力狀態(tài)的變化將直接影響其安全運(yùn)營，如何測量橋梁關(guān)鍵部位的特征參量的變化，并根據(jù)所建立的評定模型或評定標(biāo)準(zhǔn)值判斷橋梁的運(yùn)營狀態(tài)及病害原因和程度，對橋梁的安全給出適應(yīng)的評價，配置系列儀器對關(guān)鍵部位特征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測是橋梁狀態(tài)（或健康或病害）評估的關(guān)鍵。

3.3 充分發(fā)揮專家系統(tǒng)的作用

根據(jù)橋梁狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，組織橋梁設(shè)計、施工、監(jiān)測、維護(hù)、管理等專家，對橋梁安全監(jiān)測與維護(hù)中的相關(guān)問題進(jìn)行研討與評價，并提出維護(hù)方案，或者由依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立的橋梁狀態(tài)監(jiān)測、病害原因及程度、安全評價與維護(hù)等相互關(guān)聯(lián)的專家系統(tǒng)進(jìn)行橋梁安全評價并給出維護(hù)方案。

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，使其可監(jiān)測的范圍大大得到了擴(kuò)展。原來只能對大型結(jié)構(gòu)的部分特性進(jìn)行監(jiān)控，對全局的特性只能通過一些算法進(jìn)行推算或者根本無法獲得。另外，在監(jiān)控現(xiàn)場布線往往費(fèi)時費(fèi)力，還影響其他工種的施工作業(yè)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在大范圍的空間中監(jiān)測大型結(jié)構(gòu)的健康狀況在局部作業(yè)時，布置監(jiān)測點(diǎn)方便，也不會影響到其他工種的作業(yè)。另外無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)最大程度地減少了器件連線，降低了系統(tǒng)的搭建、維修費(fèi)用和難度，在未來的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]