基于WSN的曲線橋橫向位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

饒德倩+陳向東+張傳武

摘 要： 國內(nèi)大多數(shù)對曲線橋橫向位移的研究都是從理論上定性分析，很少有針對曲線橋梁實(shí)際橫向位移的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，而現(xiàn)行的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)大多是對橋梁的擾度進(jìn)行監(jiān)測，因此設(shè)計(jì)了一種針對曲線橋橋梁的橫向位移的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個部分：由直線位移傳感器和無線傳感網(wǎng)組成的下位機(jī)部分，以及用C#語言設(shè)計(jì)的下位機(jī)數(shù)據(jù)的瀏覽、存儲管理、實(shí)時顯示軟件組成的上位機(jī)部分。通過模擬測試，該系統(tǒng)能實(shí)時地監(jiān)測反映出曲線橋橫向位移的動態(tài)變化。

關(guān)鍵詞： 橫向振動位移； 無線傳感網(wǎng)； CC2530； C#語言； 上位機(jī)

中圖分類號： TN92?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0012?03

Design of real?time monitoring system for curved bridge

transverse displacement based on WSN

RAO De?qian1， CHEN Xiang?dong1， ZHANG Chuan?wu2

（1. School of Information Science & Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. College of Electrical & Information Engineering， Southwest University for Nationalities， Chengdu 610041， China）

Abstract： A real?time monitoring system for the curved bridge transverse displacement was designed because most studies in China for curved bridge transverse displacement are the qualitative analysis in theory， few researchers made efforts for real?time monitoring system for the actual lateral displacement of curved bridges， and most of the existing bridge monitoring systems are to monitor the immunity of the bridges. This system is divided into two parts： lower computer （composed of linear displacement sensor and wireless sensor network） and upper computer （composed of lower computer data browsing， storage management， real?time display softwares designed with C # language）. The simulation testing results indicate that the system can perform real?time monitoring and reflect the dynamic changes of the curved bridge transverse displacement.

Keywords： transverse vibration displacement； WSN； CC2530； C # language； upper computer

0 引 言

隨著我國社會的發(fā)展，橋梁道路在社會生活中起著重要作用，曲線橋以其橋址地形適應(yīng)性強(qiáng)，能有效避開巖溶、滑坡、泥石流等不良地段的優(yōu)良特點(diǎn)更是得到廣泛的應(yīng)用。然而曲線橋在支撐方式、溫度荷載、混凝土伸縮形變[1]以及其他橫向荷載（車輛的轉(zhuǎn)向力、臺風(fēng)等）作用下產(chǎn)生橫向位移過大導(dǎo)致橋梁被破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生[2]。橫向的位移幅度的大小和橋梁整體穩(wěn)定性密切相關(guān)[3]，然而國內(nèi)卻很少有關(guān)于橋梁橫向位移的實(shí)時自動監(jiān)測系統(tǒng)。針對這種需求，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個以多孔連續(xù)曲線橋?yàn)槟Ｐ偷幕跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）的大橋橫向位移的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對曲線橋梁的橫向位移實(shí)時無線遠(yuǎn)程的自動監(jiān)測。

1 系統(tǒng)無線通信技術(shù)的選擇

系統(tǒng)使用WSN對曲線橋梁進(jìn)行監(jiān)測，不僅可以減小遠(yuǎn)距離布線的繁瑣，而且可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝布局上增加的靈活性?，F(xiàn)在用的比較普遍的幾種無線通信技術(shù)包括ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)以及紅外技術(shù)等。相較于其他幾種無線通信技術(shù)ZigBee具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 連接設(shè)備數(shù)量多，組網(wǎng)能力強(qiáng)。每個主節(jié)點(diǎn)可容納255個子節(jié)點(diǎn)，一個協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)絡(luò)可容納65 000個節(jié)點(diǎn)[4]，便于在橫向位移的監(jiān)測中可以組成一個強(qiáng)大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；

（2） 傳輸距離大，兩個節(jié)點(diǎn)的極限通行距離可達(dá)100 m，這樣使得在系統(tǒng)中需要無線中繼的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量大為減??；

（3） 功耗極低，在 低 耗 電 待 機(jī) 模 式下， 2節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年[5] ，這使得無線節(jié)點(diǎn)能長時間有效地工作；

（4） 開發(fā)成本低，ZigBee的協(xié)議棧是完全免費(fèi)的，不需要認(rèn)證和授權(quán)許可就直接可以開發(fā)。

綜上所述，結(jié)合橋梁跨度大，要求節(jié)點(diǎn)多，傳輸數(shù)據(jù)少，組網(wǎng)大的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)作為無線通信的技術(shù)是最優(yōu)的選擇。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位機(jī)采用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)和與之匹配的Zstack協(xié)議棧配合位移傳感器組成的無線位移傳感網(wǎng)絡(luò)。它實(shí)現(xiàn)了對橋梁的各個監(jiān)測點(diǎn)的橫向位移的實(shí)時采集和傳輸匯集。上位機(jī)使用C#語言和.NET Framework技術(shù)編寫的基于SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的C/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理和瀏覽軟件。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 無線位移傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)

3.1 無線位移傳感網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 直線位移傳感器原理及數(shù)據(jù)采集處理電路

本系統(tǒng)選用了直線位移傳感器作為系統(tǒng)的位移傳感器。其原理圖如圖2所示，AB之間是均勻纏繞著精密電阻絲的電阻，當(dāng)外界的位移發(fā)生變化時就會帶動C點(diǎn)在AB之間來回運(yùn)動，從而使BC之間的電阻發(fā)生變化，根據(jù)電路分壓的原理，C點(diǎn)的輸出電壓SENSOR_OUT也發(fā)生變化，從而通過測量電壓的變化就能轉(zhuǎn)換測量出位移多少。

以B點(diǎn)為參考點(diǎn)具體測量公式為：

[SBC=kUAB] （1）

式中：[SBC]表示以B為參考點(diǎn)的位移量；[UAB]為傳感器的輸入電壓；[k]為單位電壓的位移變化率。由上面分析可知，這種類型位移傳感器具有很高的線性度。同時其還具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，受外界影響小，信號輸出大等優(yōu)點(diǎn)[6]。不過其分辨率較低，一般小于20 μm。但考慮到曲線橋的橫向位移一般在mm級[7]，完全能滿足應(yīng)用要求。

圖2 位移傳感器原理圖

對于傳感器數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，采用由TI公司生產(chǎn)的TLC549 AD轉(zhuǎn)換芯片。它是TI公司生產(chǎn)的一種高性能、低價位、以8位開關(guān)電容逐次逼近方法實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度小于 17 μs，最大轉(zhuǎn)換速率為4 MHz，并且它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接[8]。

3.1.2 無線位移傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中無線位移傳感網(wǎng)包括三種節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸路徑的選擇和尋址[9]；傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)位移數(shù)據(jù)的采集顯示傳輸。由于路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相差無幾，下面只給出協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖3，圖4所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

其中部分系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

3.2 無線位移傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了TI公司的Zstack協(xié)議棧作為應(yīng)用的開發(fā)基礎(chǔ)，在協(xié)議棧中自動地完成網(wǎng)絡(luò)的組建[10]。因此本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于其應(yīng)用層的開發(fā)。由于在本系統(tǒng)中基本沒有對路由器的協(xié)議棧進(jìn)行修改，因此本文將主要對傳感器檢測節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的流程進(jìn)行大概介紹。

圖5 部分硬件實(shí)物圖

3.2.1 傳感器檢測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器檢測節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)了傳感器信息的采集和轉(zhuǎn)換、與協(xié)調(diào)器的通信、系統(tǒng)信息的液晶顯示以及按鍵的處理等功能，主要流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)的主要流程圖

3.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是對節(jié)點(diǎn)在線情況的詢問以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)的信息的串口發(fā)送與接收，其主要的流程如圖7所示。

4 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

為了能更好地遠(yuǎn)程監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在微軟的Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境[11]下本系統(tǒng)使用C#語言開發(fā)了基于C/S（Client/Sever）架構(gòu)的上位機(jī)數(shù)據(jù)瀏覽管理軟件[12]。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方面，選用了微軟的SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫，并通過.NET Framework平臺的ADO.NET技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。

圖7 協(xié)調(diào)器軟件主要流程圖

上位機(jī)的軟件主要具有以下幾種功能：

首先對本系統(tǒng)的用戶（包括管理員和普通用戶）的登錄管理。系統(tǒng)的登錄界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)登錄界面

其次是對各節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)的存儲和動態(tài)顯示，用戶登陸界面以后可以選取不同的節(jié)點(diǎn)觀察其位移的動態(tài)變化圖。

最后上位機(jī)軟件還實(shí)現(xiàn)了對位移過大的節(jié)點(diǎn)的信息報(bào)警顯示。

5 結(jié) 語

通過模擬實(shí)驗(yàn)利用該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測各被測點(diǎn)的橫向位移的變化，并能實(shí)時地在上位機(jī)上反映出來，給大橋的工程技術(shù)人員提供很好的信息，盡早消除大橋的安全隱患。在后續(xù)工作中可以在傳感器節(jié)點(diǎn)上加上一些測量影響橋梁橫向位移變化因素（比如溫度、頻率）的傳感器更加綜合地監(jiān)測橋梁。

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