基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要:

橋梁的自然老化、劣化將會(huì)影響其安全與正常使用, 甚至造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失, 已成為交通運(yùn)輸部門(mén)關(guān)注的嚴(yán)重問(wèn)題。本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。提出了橋梁鋼筋電阻檢測(cè)方案。對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(TinyOS)進(jìn)行了研究和移植。

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensol Network)是計(jì)算機(jī)、通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非?；钴S的研究分支。2003年2月美國(guó)技術(shù)*論雜志(《Technology Review》)*出對(duì)人類(lèi)未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集其節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息(如溫度、濕度、應(yīng)變、撓度、振動(dòng)等物理現(xiàn)象)，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、醫(yī)療護(hù)理、 智能家居、 工業(yè)生產(chǎn)控制、 環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)特殊的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,一旦橋梁出現(xiàn)坍塌, 造成的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)害將十分巨大。如加拿大(魁北克,1907 年) 、美國(guó)(塔科馬海峽,1940 年) 、韓國(guó)(漢江圣水,1994年) 、中國(guó)的綦江彩虹橋(1999 年)、中國(guó)的江蘇常州運(yùn)河大橋[3](2007 年)等。因此, 及時(shí)獲取橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)(應(yīng)變、撓度、振動(dòng)等)，開(kāi)展?fàn)顟B(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)及安全*估工作, 對(duì)全面分析和了解橋梁工作狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)事故預(yù)先報(bào)警、預(yù)防突發(fā)性災(zāi)難、避免人員傷亡和確保基礎(chǔ)設(shè)施安全意義非常重大。

2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用同構(gòu)型體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，它包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控中心等。傳感器節(jié)點(diǎn)主要分布在橋體中，節(jié)點(diǎn)具有信息獲取、信號(hào)處理、路由計(jì)算和信息轉(zhuǎn)發(fā)的功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送。網(wǎng)關(guān)可以使用多種方式與外部網(wǎng)絡(luò)通信，如Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在不同應(yīng)用中, 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同, 但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。對(duì)于我們研究的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器部分有內(nèi)模塊和外模塊之分， 內(nèi)模塊檢測(cè)溫度、濕度等常規(guī)狀態(tài)參數(shù);外模塊一般要在建橋過(guò)程中一起規(guī)劃安裝。這里我們提出兩種傳感器外模塊方案：光纖傳感器埋入式和橋梁鋼筋電阻檢測(cè)式。 光纖傳感器埋入式是1989 年美國(guó)Brown University 的Mendez 等人首次提出，隨后美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家的一些學(xué)者開(kāi)始將這一高新技術(shù)應(yīng)用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。橋梁鋼筋電阻檢測(cè)方案是我們新提出來(lái)的，其應(yīng)用更簡(jiǎn)單有效。光纖傳感器埋入式方案的特點(diǎn)是，光纖傳感器耐腐蝕性強(qiáng)、耐久性好，因其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故埋入土木工程結(jié)構(gòu)后對(duì)基體材料特性幾乎沒(méi)有影響。 利用單模和多模光纖傳感器可以探測(cè)混凝土構(gòu)件(如梁、板、柱)實(shí)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、撓度、彎曲、凝結(jié)、裂縫、蠕變以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移等參數(shù)。橋梁鋼筋電阻檢測(cè)方案的使用條件是要求被測(cè)鋼筋不短路(用絕緣材料做鋼筋箍)，通過(guò)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵鋼筋阻值變化情況判斷橋梁的狀態(tài)變化。

處理器模塊選用Atmel 公司的8 位低功耗AVR 微處理器芯片atmega128L 作為傳感器節(jié)點(diǎn)的CPU, 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。無(wú)線通信模塊采用支持IEEE 802.15.4 協(xié)議的無(wú)線收發(fā)芯片CC2420。 CC2420 在硬件上實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 的MAC 子層安全操作, 跟處理器之間通過(guò)SPI 接口訪問(wèn)。電源部分則采用3 節(jié)7 號(hào)鋰電池供電。