路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

路橋隧道作為橋梁重要承壓基座，其需要承受的壓力也是相當(dāng)大的，由于橋梁在人們?nèi)粘３鲂兄邪缪葜匾慕巧?，其安全承壓對于改善我國道路交通和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起著重要作用[1]。21世紀(jì)以來，承壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用到橋梁建設(shè)當(dāng)中，隧道承壓能力越來越強(qiáng)大，路橋建設(shè)工程也取得了較大突破。隨著國內(nèi)外許多大型路橋建設(shè)成功，其隧道承壓時間逐漸增加，在長期承受負(fù)荷作用和遭受自然環(huán)境影響的條件下，路橋結(jié)構(gòu)會受到一定破壞，其危險性也隨之增加[2]。近幾年，橋梁隧道坍塌事故造成了很多的人員傷亡以及財產(chǎn)大量損失，也抑制了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)行。為此，在長期監(jiān)測路橋隧道承壓過程中，應(yīng)及時對危險情況進(jìn)行報警，以此保證人們生命以及財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)方法采用對中繼節(jié)點(diǎn)均勻部署，傳感節(jié)點(diǎn)不參與所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ù嬖趫缶瘦^低，能量消耗大等問題，無法實(shí)現(xiàn)路橋隧道承壓高效報警功能[3]。

為了解決上述問題，提出了路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取效率評價無線傳感節(jié)點(diǎn)部署的優(yōu)劣，研究基于無線傳感節(jié)點(diǎn)能量消耗問題是延長傳感網(wǎng)絡(luò)使用壽命的最佳途徑。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法合理性，并得出結(jié)論。本文設(shè)計的傳感節(jié)點(diǎn)報警效率高且能量消耗較小，可保證人們生命以及財產(chǎn)安全。

1 報警傳感節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計

路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計就是利用無線傳感通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)對作用于路橋隧道外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測并響應(yīng)，通過評估承壓能力和損傷程度進(jìn)行報警，以此來保證路橋隧道的安全運(yùn)營?；驹O(shè)計原理為：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，利用無線傳輸技術(shù)將所有采集到數(shù)據(jù)通過無線傳感方式發(fā)送到監(jiān)測報警中心進(jìn)行存儲，其次對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要報警。以該設(shè)計原理為基礎(chǔ)，對路橋隧道進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，針對傳感節(jié)點(diǎn)整體架構(gòu)的設(shè)計如圖1所示。

圖1 傳感節(jié)點(diǎn)整體架構(gòu)圖

傳感節(jié)點(diǎn)是以樹狀結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對采集到的信息數(shù)據(jù)通過無線傳輸，任何一個節(jié)點(diǎn)都是采用低功耗局域網(wǎng)協(xié)議(ZIGBEE)進(jìn)行通信的[4]，在監(jiān)測中心主要通過連接數(shù)據(jù)線進(jìn)行命令根節(jié)點(diǎn)的實(shí)時發(fā)送。根節(jié)點(diǎn)作為整個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，其收到來自監(jiān)測中心的控制命令后，再將自己的操作信息發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)不斷重復(fù)該過程，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有傳感節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)都收到命令。收到命令的節(jié)點(diǎn)通過外部傳感器或者內(nèi)置集成電路對傳感結(jié)構(gòu)相關(guān)信息進(jìn)行采集，并通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過統(tǒng)一整理，再將父節(jié)點(diǎn)所有數(shù)據(jù)傳送到根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過統(tǒng)一整理，將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測報警中心。

監(jiān)測報警中心是由PC主機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的，采集系統(tǒng)連接著大型數(shù)據(jù)庫，通過界面顯示可對數(shù)據(jù)庫中的全部信息進(jìn)行實(shí)時操作，通過采集系統(tǒng)下達(dá)采集命令，無線傳感節(jié)點(diǎn)接收到命令后，對路橋隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵信息進(jìn)行采集，并及時傳回。采集系統(tǒng)通過對PC主機(jī)串口數(shù)據(jù)的采集，能夠利用軟件功能界面顯示出數(shù)據(jù)波形，同時被插入到實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，將采集到的數(shù)據(jù)全部儲存到數(shù)據(jù)中進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)分析，并以此為基礎(chǔ)展開傳感節(jié)點(diǎn)硬件和軟件部分的設(shè)計。

1.1 硬件設(shè)計

根據(jù)圖1傳感節(jié)點(diǎn)整體架構(gòu)圖，設(shè)計傳感節(jié)點(diǎn)硬件。路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)主要是由承壓報警傳感、無線單片機(jī)和傳感單元及接口電路三部分組成的。

1.1.1 承壓報警傳感模塊

承壓報警傳感模塊主要由報警傳感器和壓力比較器組成的，具體傳感設(shè)計如圖2所示。

圖2 承壓報警傳感模塊

報警傳感器工作電壓為10 V的直流電壓，為了方便報警處理，將路橋隧道承壓最大范圍對應(yīng)的模擬電壓值與最小范圍模擬電壓值進(jìn)行比較分析，并輸出二值數(shù)字信號，如果該值大于電壓閾值，那么說明需觸動報警裝置，指示燈閃爍；如果該值小于電壓閾值，那么說明無危險情況發(fā)生。

1.1.2 無線單片機(jī)模塊

為了使傳感節(jié)點(diǎn)硬件部分的設(shè)計更加簡單，采用微控制器和無線通信方式對無線單片機(jī)類型進(jìn)行選擇。通常情況下，選擇具有集成能力強(qiáng)、小巧靈活的控制器，內(nèi)部具有8位MCU和128位的可編程內(nèi)存，并具有8 kb的隨機(jī)存取存儲器和具有獨(dú)立通道的14位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，具有21個可編程的引腳，為此，單片機(jī)只需較少的外圍器件就能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效處理與存儲。單片機(jī)兼容了2.5 GHz的協(xié)議無線射頻芯片，僅僅需要少數(shù)的外部元件就能組成具有多個節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5]。報警傳感節(jié)點(diǎn)通過單片機(jī)內(nèi)部的MCU通用引腳接收來自報警傳感器輸出信號，引用內(nèi)部射頻模塊，將報警信息發(fā)送至監(jiān)測中心。

1.1.3 傳感單元及接口電路模塊

傳感單元既包含加速度計、傾角計，又包含溫度傳感器，其中加速度計和傾角計為信號傳輸?shù)闹饕M變量，溫度傳感器將輸出的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式。在傳感器單元中，加速度計主要作用是記錄路橋隧道振動的加速度信號[6]。該記錄方式有兩種，分別是力平衡式和三軸傳感器式，其中力平衡式記錄方法具有高分辨率、靈敏度強(qiáng)的優(yōu)勢，可用于對橋梁進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，而三軸傳感器式記錄方法雖然靈敏度稍差一些，但是其體積小，攜帶方便，而且采用無線連接方式，可提高監(jiān)測報警精準(zhǔn)度。傾角計是對路橋隧道局部傾斜程度進(jìn)行測量，由于模擬的傳感器采用的是將最終數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的方式，無法將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，為此需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬傳感器有多個，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)換前可采用模擬電路的方式來模擬多個通道，此時應(yīng)用的通道接口電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 路橋隧道電路

由圖3可知通道接口電路連接方式，以該電路為整個傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計的核心電路連接狀態(tài)，完成硬件部分的設(shè)計。

1.2 軟件設(shè)計

報警傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和管理需要與嵌入式底層驅(qū)動進(jìn)行信息交互，整個過程為無線傳感數(shù)據(jù)的采集提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。信息交互整個過程是將采集到的數(shù)據(jù)通過硬件相關(guān)程序完成發(fā)送，進(jìn)而控制硬件完成相應(yīng)軟件部分的設(shè)計。

1.2.1 通信協(xié)議

在傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時，需構(gòu)建具有層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由上層節(jié)點(diǎn)向下層節(jié)點(diǎn)傳輸信息時，分組信息需按照一定格式才能發(fā)送，為此在節(jié)點(diǎn)間定義無線通信協(xié)議。傳感節(jié)點(diǎn)需根據(jù)監(jiān)測中心所下達(dá)的指令來執(zhí)行相應(yīng)操作[7]，因此定義通信協(xié)議確保傳感節(jié)點(diǎn)受到監(jiān)測中心可靠控制。由于數(shù)據(jù)采集的可靠性直接關(guān)系著對數(shù)據(jù)的下一步分析，需保證無線傳感與數(shù)據(jù)采集中心數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，也需定義無線通信協(xié)議，實(shí)際上也是最底層軟件與最高層軟件之間的信息傳輸。分別定義3種協(xié)議來規(guī)范傳感節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)構(gòu)成模式、執(zhí)行動作和數(shù)據(jù)格式化打包。

1)分組協(xié)議定義：分組協(xié)議負(fù)責(zé)規(guī)范傳感節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)構(gòu)成模式，該模式包括幀信息、節(jié)點(diǎn)編號、父節(jié)點(diǎn)編號和字節(jié)等。

2)命令協(xié)議定義：命令協(xié)議負(fù)責(zé)規(guī)范執(zhí)行動作，其中幀信息執(zhí)行時需以“OXAA、OXSS”格式執(zhí)行，并只占用4個字節(jié)[8]。命令式標(biāo)識符將所有傳感節(jié)點(diǎn)接收到的操作指令下達(dá)到最底層，并執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集的頻率也是傳感節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的頻率，為此在執(zhí)行命令時，需遵循頻率一致原則進(jìn)行。

3)數(shù)據(jù)協(xié)議定義：數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括幀頭與幀尾數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)需求，數(shù)據(jù)幀可占用105個字節(jié)，經(jīng)過自定義的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式也只占用了4個字節(jié)，經(jīng)過采集中心獲取的數(shù)據(jù)包，需先判斷包頭格式是否標(biāo)準(zhǔn)，如果標(biāo)準(zhǔn)，則需保留；如果出現(xiàn)錯誤，則需丟棄。

針對數(shù)據(jù)包編號主要是為了方便記錄已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包共占用6個字節(jié)，采用傳感節(jié)點(diǎn)采集所需的數(shù)據(jù)，并利用模擬傳感器和數(shù)字傳感器傳輸方式將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲區(qū)域，該區(qū)域共占字節(jié)88個。實(shí)時記錄采集數(shù)據(jù)包的時間點(diǎn)，將采集到的時間準(zhǔn)確記錄有助于對數(shù)據(jù)的處理與分析，為報警提供更加準(zhǔn)確的信息，該部分共占字節(jié)6個，單位為分秒。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集管理是監(jiān)測中心的重要組成成分，具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集功能構(gòu)成框圖

利用無線傳感方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機(jī)串口中，通過監(jiān)聽，可準(zhǔn)確獲取串口數(shù)據(jù)，并將其插入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。該部分是基于C/S架構(gòu)設(shè)計的，結(jié)合.NET技術(shù)研發(fā)而成[9]。經(jīng)過采集后的數(shù)據(jù)需分配到登錄的界面、在線監(jiān)測和定時數(shù)據(jù)包發(fā)射、界面操作、頻譜中依次進(jìn)行分析與融合，為傳感節(jié)點(diǎn)部署提供可靠依據(jù)。

1.2.3 傳感節(jié)點(diǎn)部署的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合路橋隧道特點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過由遠(yuǎn)及近進(jìn)行傳輸?shù)?，并最終保留在基站中，通常情況下只在單側(cè)面部署傳感器，進(jìn)而形成一條具有線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳感形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對傳感節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行部署，由于位置都是相對固定的，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是由n個傳感節(jié)點(diǎn)和m各中繼節(jié)點(diǎn)組成的，如圖5所示。

圖5 報警傳感節(jié)點(diǎn)部署

路橋隧道結(jié)構(gòu)報警傳感節(jié)點(diǎn)具有以下屬性：

1)傳感節(jié)點(diǎn)按照其工作性能可分為中繼節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)兩種，其中中繼節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集，并存儲；傳感節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中，任何一個節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)的，不會發(fā)生變動，每個節(jié)點(diǎn)的能量都是有限的，如果節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡，那么該節(jié)點(diǎn)就不能繼續(xù)工作。

2)將n個傳感節(jié)點(diǎn)位置固定后，每一個節(jié)點(diǎn)都是具有唯一屬性編碼的ID，可表示為Ai(i=1,..,n)，傳感節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時是具有一定規(guī)律的，呈周期性采集方式。將采集后的數(shù)據(jù)采用多層跳躍方式傳輸?shù)交局?，任何一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生獨(dú)特的頻率。

3)在Ai和Ai-1之間具有mi個中繼節(jié)點(diǎn)，編號依次為Bi,1，Bi,2，…，Bi,m。Ai和Ai-1之間距離為si,A。

4)任何節(jié)點(diǎn)初始能量是相同的，但是隨著數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)點(diǎn)能量肯定會消耗，該消耗主要是用在數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，路橋隧道報警中的傳感節(jié)點(diǎn)采樣頻率比正常頻率要高得多，相比于數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，采集時能量消耗可忽略不計。

5)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點(diǎn)接收距離的遠(yuǎn)近可調(diào)整發(fā)射效率來節(jié)約能量消耗，比如在100個發(fā)射等級中，如果中間出現(xiàn)一個完美的數(shù)據(jù)鏈路，那么進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時是不需要考慮數(shù)據(jù)重傳問題的。

6)任何兩個傳感節(jié)點(diǎn)之間都會存在著一個最大數(shù)據(jù)傳輸距離。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計的合理性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

假設(shè)利用無線加速傳感器對路橋隧道進(jìn)行承壓報警測試，傳感器在橋面一側(cè)沿著隧道縱向設(shè)計，進(jìn)而形成一個具有線性屬性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同傳感節(jié)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 傳感節(jié)點(diǎn)部署

為了使實(shí)驗(yàn)環(huán)境變得更加普通，選取不同傳感節(jié)點(diǎn)的不同數(shù)據(jù)采樣頻率，具體采樣結(jié)果如表1所示。

表1 傳感節(jié)點(diǎn)采樣頻率結(jié)果

結(jié)合路橋隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，無線傳感節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 無線傳感實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對結(jié)果的測定，需將傳統(tǒng)設(shè)計方法與改進(jìn)設(shè)計方法進(jìn)行對比：

傳統(tǒng)方法：針對中繼節(jié)點(diǎn)采用均勻設(shè)計方式，傳感節(jié)點(diǎn)不參與所有數(shù)據(jù)傳輸時的節(jié)點(diǎn)布置；

改進(jìn)方法：充分考慮數(shù)據(jù)獲取效率節(jié)點(diǎn)設(shè)計情況。

傳統(tǒng)方法中設(shè)計的中繼節(jié)點(diǎn)選取數(shù)量與改進(jìn)設(shè)計的獲取效率所計算結(jié)果是一致的，方便實(shí)驗(yàn)對比。即使在實(shí)驗(yàn)過程中，節(jié)點(diǎn)都是均勻設(shè)計的，但是由于傳感節(jié)點(diǎn)位置是固定的，為此中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也是有限的，一定要按照不同傳感節(jié)點(diǎn)之間的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行均勻部署。傳統(tǒng)設(shè)計方法使按照傳感節(jié)點(diǎn)中的A4位置以及A4和 A3之間的中繼節(jié)點(diǎn)能源消耗一致原則來確定兩個中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離，剩下其它節(jié)點(diǎn)之間的距離都是按照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量成反比的原則進(jìn)行部署的。將傳統(tǒng)設(shè)計效果與改進(jìn)設(shè)計效果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種設(shè)計方法節(jié)點(diǎn)部署結(jié)果

由表3可知：采用傳統(tǒng)設(shè)計方法無論是部署時間還是數(shù)據(jù)獲取效率都不如改進(jìn)設(shè)計方法，比較兩種設(shè)計方案，改進(jìn)設(shè)計方法綜合考慮了無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計的成本和數(shù)據(jù)獲取效率，能夠獲得比較優(yōu)秀的無線傳感節(jié)點(diǎn)性能。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠，將傳統(tǒng)設(shè)計方法與改進(jìn)設(shè)計方法對報警所耗費(fèi)的能量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種方法報警耗費(fèi)能量對比結(jié)果

由圖7可知：采用傳統(tǒng)方法對報警傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計時，消耗能量較大，而改進(jìn)方法對報警傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計時，消耗能量較小。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將傳統(tǒng)設(shè)計方法與改進(jìn)設(shè)計方法進(jìn)行對比結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法無論是部署時間還是數(shù)據(jù)獲取效率都不如改進(jìn)設(shè)計方法，比較兩種設(shè)計方案，改進(jìn)方法綜合考慮了無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計的成本和數(shù)據(jù)獲取效率，能夠獲得比較優(yōu)秀的無線傳感節(jié)點(diǎn)性能。相對于能量消耗情況，采用傳統(tǒng)方法的報警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計消耗能量較大，而改進(jìn)方法報警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計消耗能量較小。由此可知，改進(jìn)設(shè)計方法報警效率較高，且能量消耗較小。

3 結(jié)束語

對于路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，通過整體設(shè)計和實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知：根據(jù)無線傳感器性能評價指標(biāo)可提高數(shù)據(jù)獲取效率，充分考慮無線傳感成本，其節(jié)點(diǎn)能源消耗的均勻性以及獲取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是具有合理性的，能夠有效評價傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計性能。通過詳細(xì)分析可計算出報警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計所消耗的能量，并由此獲取傳感節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)位置，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計方法是具有合理性的。