基于ZigBee橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(guó)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(guó)金門大橋在風(fēng)速振動(dòng)下造成橋體損傷，1994年韓國(guó)圣水大橋段塌，taiwan的高屏大橋攔腰斷裂，還有我國(guó)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(cè)與安全評(píng)估，及危橋的損傷檢測(cè)和監(jiān)控，爭(zhēng)取消除隱患。所以對(duì)橋梁進(jìn)行定期維護(hù)和檢修，對(duì)其健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，掌握其健康狀況是有重要意義的。橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)、信號(hào)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(cè)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(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè)累積損傷狀態(tài)的技術(shù)和方法，以便對(duì)服役期間的橋梁安全狀況進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為進(jìn)一步的維護(hù)管理提供正確的決策。
1 緒論
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述
1.1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)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(duì)被測(cè)量對(duì)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(jì)算存儲(chǔ)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(gè)領(lǐng)域。這些微型傳感器具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而生。
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有局部信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和靈活性。另外，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信方式形成一個(gè)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(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)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(shí)性好的特點(diǎn)。將無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化，低成本，智能化。通過無(wú)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(dòng)性，并使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可方便地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：
1）構(gòu)成自組織動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需人工干涉自動(dòng)組網(wǎng)，適應(yīng)長(zhǎng)期工作的需要。傳感器可自動(dòng)加入、斷開網(wǎng)絡(luò)，方便監(jiān)測(cè)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(cè)的精度和穩(wěn)定性。
3）傳感器節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通信能力，并且支持多跳技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，減少現(xiàn)場(chǎng)布線的工作量，移動(dòng)靈活。
4）健康監(jiān)測(cè)中的監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)的不同應(yīng)用。
為了滿足橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的要求，構(gòu)建合理、高效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，選擇合適的無(wú)線通信協(xié)議是至關(guān)重要的，本課題選擇Zigbee作為無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，相對(duì)于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)說(shuō)，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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，同時(shí)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(wú)線通信協(xié)議的比較
表1給出了幾種無(wú)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(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有功耗低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、低等待時(shí)間等特性。在固定的時(shí)間間隔傳輸數(shù)據(jù)的低速率特性，滿足健康監(jiān)測(cè)中，以一定的采集頻率，將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)周期性采集到監(jiān)測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Zigbee技術(shù)更適合在橋梁健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。
2 基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1 橋梁健康監(jiān)測(cè)要求
反映橋梁健康狀況需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容指標(biāo)很多，如果全面監(jiān)測(cè)難免給健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)指標(biāo)如下：
1）環(huán)境溫度及橋上溫度分布監(jiān)測(cè)
2）主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)
3）撓度監(jiān)測(cè)
4）振動(dòng)監(jiān)測(cè)
應(yīng)力、撓度、振動(dòng)、溫度是對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估的主要指標(biāo)，對(duì)橋梁重點(diǎn)部位的這些指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的結(jié)構(gòu)損傷與質(zhì)量退化，對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)安全做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，保證大橋安全運(yùn)營(yíng)，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(cè)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(cè)系統(tǒng)是由傳感采集子系統(tǒng)、無(wú)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(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)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(hào)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。
2.2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由天線和GPRS組成。無(wú)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(wú)線方式接收若干節(jié)點(diǎn)所發(fā)送過來(lái)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(gè)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(gè)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(kù)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存和備份，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)信息的可視化和決策數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)各類橋梁的檢測(cè)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(cè)試技術(shù)和數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于橋梁安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型。 3.2 注重特征參量測(cè)量與監(jiān)測(cè)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(yíng)，如何測(cè)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(píng)定模型或評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)值判斷橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)及病害原因和程度，對(duì)橋梁的安全給出適應(yīng)的評(píng)價(jià)，配置系列儀器對(duì)關(guān)鍵部位特征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是橋梁狀態(tài)（或健康或病害）評(píng)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(cè)結(jié)果，組織橋梁設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、維護(hù)、管理等專家，對(duì)橋梁安全監(jiān)測(cè)與維護(hù)中的相關(guān)問題進(jìn)行研討與評(píng)價(jià)，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(cè)、病害原因及程度、安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)并給出維護(hù)方案。
4 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)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(cè)的范圍大大得到了擴(kuò)展。原來(lái)只能對(duì)大型結(jié)構(gòu)的部分特性進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)全局的特性只能通過一些算法進(jìn)行推算或者根本無(wú)法獲得。另外，在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)布線往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還影響其他工種的施工作業(yè)。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在大范圍的空間中監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)的健康狀況在局部作業(yè)時(shí)，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)方便，也不會(huì)影響到其他工種的作業(yè)。另外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測(cè)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(lái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。
