基于ZigBee橋梁結構健康監(jiān)測數(shù)據采集系統(tǒng)
2015-06-09
0 引言
橋梁在幾十年、甚至上百年的使用過程中，結構長期承受交通荷載的作用，嚴酷自然環(huán)境的侵蝕，自然災害和人為因素等的禍合作用，不可避免地導致橋梁結構出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，抗力衰減，使得結構承受力與安全性降低，引發(fā)災難性突發(fā)事故。全國規(guī)律普查結果顯示，有相當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速振動下造成橋體損傷，1994年韓國圣水大橋段塌，taiwan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。所以對橋梁進行定期維護和檢修，對其健康狀況進行監(jiān)測和評價，掌握其健康狀況是有重要意義的。橋梁結構的檢測、監(jiān)測也就成為橋梁結構安全養(yǎng)護和保障正常使用的主要技術手段。
隨著傳感器、通信、計算機、信號處理以及人工智能等技術的迅速發(fā)展，人們開始研究基于信息技術的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁工程領域開始考慮一些能夠在不影響橋梁結構正常使用狀態(tài)下的可長期實時觀測累積損傷狀態(tài)的技術和方法，以便對服役期間的橋梁安全狀況進行長期實時在線監(jiān)測，為進一步的維護管理提供正確的決策。
1 緒論
1.1 無線傳感器網絡研究綜述
1.1.1 無線傳感器網絡概述
傳感器技術、通信技術和計算機技術是現(xiàn)代信息技術的三大支柱，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)、農業(yè)和宇航各個領域。這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據采集和處理、協(xié)同合作等功能，無線傳感器網絡應用而生。
無線傳感網絡節(jié)點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)的運行速度和靈活性。另外，無線傳感網絡組成的分布式監(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、維修費用和難度。無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，能夠協(xié)作的感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網絡結構如圖1所示。 1.1.2 無線傳感器網絡應用于橋梁監(jiān)測中的優(yōu)勢
無線傳感網絡是當前國內外工程領域的研究熱點，節(jié)點具有功耗低、體積小、系統(tǒng)安全性高、穩(wěn)定性、可靠性和實時性好的特點。將無線傳感技術應用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，有利于整個系統(tǒng)的小型化，低成本，智能化。通過無線網絡實現(xiàn)數(shù)據的采集和發(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)可方便地應用于各種橋梁結構健康監(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）構成自組織動態(tài)網絡，無需人工干涉自動組網，適應長期工作的需要。傳感器可自動加入、斷開網絡，方便監(jiān)測點位置的改變。
2）傳感器節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，使得網絡數(shù)據采集量大，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)點具有無線通信能力，并且支持多跳技術，能實現(xiàn)健康監(jiān)測的遠程監(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)測的不同應用。
為了滿足橋梁長期健康監(jiān)測的要求，構建合理、高效的監(jiān)測網絡，充分發(fā)揮無線傳感器網絡的優(yōu)勢，選擇合適的無線通信協(xié)議是至關重要的，本課題選擇Zigbee作為無線環(huán)境監(jiān)測網絡的通信協(xié)議。
1.2 Zigbee協(xié)議概述
1.2.1 Zigbee技術的特點
作為一種流行的無線傳感器網絡協(xié)議，相對于其他無線網絡協(xié)議來說，Zigbee協(xié)議具備很多自身的特點，這些特點保證了Zigbee能夠很好地運行在無線傳感器網絡的環(huán)境中，同時得到廣泛應用。Zigbee協(xié)議主要有如下的特點：
1）低功耗
2）低成本
3）通信可靠
4）網絡的自組織，自愈能力強
5）網絡容量大
6）低速率
7）近距離
8）數(shù)據安全
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標準的比較。可以看出，它們各有特點，也決定了它們的應用領域是不同的。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據量小，傳輸速率低，要求傳輸設備成本低，功耗小，系統(tǒng)所使用的終端設備通常采用電池供電。Zigbee技術更符合這些特點。
基于Zigbee技術的無線傳感器網絡，具有功耗低、系統(tǒng)簡單、組網方式靈活、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)點周期性采集到監(jiān)測數(shù)據，傳送至監(jiān)控中心進行分析和處理。相比其他無線網絡技術，Zigbee技術更適合在橋梁健康監(jiān)測中應用。
2 基于Zigbee的無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)總體設計
2.1 橋梁健康監(jiān)測要求
反映橋梁健康狀況需要監(jiān)測的內容指標很多，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)據繁雜，處理數(shù)據不可靠等缺陷。因此在監(jiān)測指標上，應根據橋型選擇最能反映橋梁健康狀況的指標?；谕ǔ蛄罕O(jiān)測指標的選擇是在基于“橋梁本身安全”的情況下，主要監(jiān)測指標如下：
1）環(huán)境溫度及橋上溫度分布監(jiān)測
2）主梁應力監(jiān)測
3）撓度監(jiān)測
4）振動監(jiān)測
應力、撓度、振動、溫度是對橋梁進行長期健康監(jiān)測和健康評估的主要指標，對橋梁重點部位的這些指標進行實時監(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，并及時準確地提供橋梁結構的實際狀態(tài)數(shù)據。便于及時發(fā)現(xiàn)橋梁的結構損傷與質量退化，對大橋的結構安全做出準確評價，保證大橋安全運營，并為橋梁維護、管理決策提供可信的科學依據。
2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成
一套結構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)、無線傳感網絡子系統(tǒng)和終端監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成。
橋梁健康狀況實時監(jiān)測的系統(tǒng)構建如圖2所示，該傳感器網絡感知層由若干傳感器節(jié)點、若干路由器節(jié)點、匯集節(jié)點和網關構成。
感知層利用Z-STACK協(xié)議棧構建傳感器網絡協(xié)議，各傳感器節(jié)點采集應力、撓度、沉降等橋梁參數(shù)經過路由器節(jié)點發(fā)送數(shù)據至匯集節(jié)點，匯集節(jié)點（協(xié)調器）一方面創(chuàng)建并維護網絡運行，另一方面把各節(jié)點傳送的數(shù)據送入網關，網關通過GPRS模塊―SIM300將感知網絡接入Internet，將數(shù)據通過Internet 傳輸至遠程計算機進行分析處理，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控。
2.2.1 傳感采集子系統(tǒng)
傳感器節(jié)點采用TI公司的CC2430芯片為核心，結構如圖3所示，傾角、應變和沉降值等模擬信號送入到CC2430中轉換成數(shù)字量，再將這些信息通過天線發(fā)送至無線傳感網絡子系統(tǒng)。
2.2.2 無線傳感網絡子系統(tǒng)
無線傳感網絡由天線和GPRS組成。無線傳感網絡也稱為網關節(jié)點，結構如圖4所示，網關節(jié)點當中的cc2430以無線方式接收若干節(jié)點所發(fā)送過來的數(shù)據，將這些數(shù)據送到LM3S8962里，ARM板利用SIM300接入Internet，把接收的數(shù)據通過Internet發(fā)送到遠程端。
圖4 網關節(jié)點結構
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)據接收、處理系統(tǒng)，主要由中繼節(jié)點與用戶應用軟件組成，中繼節(jié)點負責把整個網絡的采集數(shù)據通過串口通信保存在數(shù)據管理系統(tǒng)的數(shù)據庫內，實現(xiàn)數(shù)據的長期保存和備份，對結構狀態(tài)的實時跟蹤，實現(xiàn)結構信息的可視化和決策數(shù)據庫的智能化。
3 其他關鍵問題
3.1 加強基礎和試驗研
通過對各類橋梁的檢測數(shù)據收集，并依據各類橋梁不同部位常見病害及其原因的分析，將現(xiàn)代測試技術和數(shù)學方法應用于橋梁安全評價之中，重點研究各類特征量與病害之間的關系及其門檻值的設置原則，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營，如何測量橋梁關鍵部位的特征參量的變化，并根據所建立的評定模型或評定標準值判斷橋梁的運營狀態(tài)及病害原因和程度，對橋梁的安全給出適應的評價，配置系列儀器對關鍵部位特征參數(shù)進行監(jiān)測是橋梁狀態(tài)（或健康或病害）評估的關鍵。
3.3 充分發(fā)揮專家系統(tǒng)的作用
根據橋梁狀態(tài)監(jiān)測結果，組織橋梁設計、施工、監(jiān)測、維護、管理等專家，對橋梁安全監(jiān)測與維護中的相關問題進行研討與評價，并提出維護方案，或者由依據專家經驗建立的橋梁狀態(tài)監(jiān)測、病害原因及程度、安全評價與維護等相互關聯(lián)的專家系統(tǒng)進行橋梁安全評價并給出維護方案。
4 結束語
無線傳感器網絡系統(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展。原來只能對大型結構的部分特性進行監(jiān)控，對全局的特性只能通過一些算法進行推算或者根本無法獲得。另外，在監(jiān)控現(xiàn)場布線往往費時費力，還影響其他工種的施工作業(yè)。采用無線傳感器網絡系統(tǒng)能夠在大范圍的空間中監(jiān)測大型結構的健康狀況在局部作業(yè)時，布置監(jiān)測點方便，也不會影響到其他工種的作業(yè)。另外無線傳感網絡組成的分布式監(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、維修費用和難度，在未來的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。
