基于無線傳感器網絡的橋梁監測系統研究

摘 要:

橋梁的自然老化、劣化將會影響其安全與正常使用, 甚至造成重大的人員傷亡和財產損失, 已成為交通運輸部門關注的嚴重問題。本文將無線傳感器網絡技術引入橋梁結構健康監測領域。提出了橋梁鋼筋電阻檢測方案。對傳感器網絡操作系統(TinyOS)進行了研究和移植。

1 引言

無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensol Network)是計算機、通信和傳感器三項技術相結合的產物，是目前計算機科學領域一個非常活躍的研究分支。2003年2月美國技術*論雜志(《Technology Review》)*出對人類未來生活產生深遠影響的十大新技術，無線傳感器網絡被列為第一。通過無線傳感器網絡，能夠實時地監測、感知和采集其節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如溫度、濕度、應變、撓度、振動等物理現象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、醫療護理、 智能家居、 工業生產控制、 環境監測等領域有著廣闊的應用前景。橋梁結構健康監測系統是一個特殊的環境監測系統。

橋梁是交通運輸網絡的重要組成部分,一旦橋梁出現坍塌, 造成的經濟損失和災害將十分巨大。如加拿大(魁北克,1907 年) 、美國(塔科馬海峽,1940 年) 、韓國(漢江圣水,1994年) 、中國的綦江彩虹橋(1999 年)、中國的江蘇常州運河大橋[3](2007 年)等。因此, 及時獲取橋梁結構狀態參數(應變、撓度、振動等)，開展狀態參數監測及安全*估工作, 對全面分析和了解橋梁工作狀態、實現事故預先報警、預防突發性災難、避免人員傷亡和確保基礎設施安全意義非常重大。

2 系統的體系結構

本系統采用同構型體系結構，如圖1 所示，它包括傳感器節點、網關、互聯網和監控中心等。傳感器節點主要分布在橋體中，節點具有信息獲取、信號處理、路由計算和信息轉發的功能。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向網關發送。網關可以使用多種方式與外部網絡通信，如Internet、衛星或移動通信網絡等。

圖1 傳感器網絡的體系結構

3 網絡節點設計

在不同應用中, 傳感器網絡節點的組成不盡相同, 但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。對于我們研究的橋梁結構健康監測系統，傳感器部分有內模塊和外模塊之分， 內模塊檢測溫度、濕度等常規狀態參數;外模塊一般要在建橋過程中一起規劃安裝。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式。 光纖傳感器埋入式是1989 年美國Brown University 的Mendez 等人首次提出，隨后美國、歐洲、日本等國家的一些學者開始將這一高新技術應用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。橋梁鋼筋電阻檢測方案是我們新提出來的，其應用更簡單有效。光纖傳感器埋入式方案的特點是，光纖傳感器耐腐蝕性強、耐久性好，因其體積小、重量輕、結構簡單,故埋入土木工程結構后對基體材料特性幾乎沒有影響。 利用單模和多模光纖傳感器可以探測混凝土構件(如梁、板、柱)實體結構的應力、應變、撓度、彎曲、凝結、裂縫、蠕變以及整個結構的位移等參數。橋梁鋼筋電阻檢測方案的使用條件是要求被測鋼筋不短路(用絕緣材料做鋼筋箍)，通過測試橋梁結構中的關鍵鋼筋阻值變化情況判斷橋梁的狀態變化。

處理器模塊選用Atmel 公司的8 位低功耗AVR 微處理器芯片atmega128L 作為傳感器節點的CPU, 負責數據的存儲和處理。無線通信模塊采用支持IEEE 802.15.4 協議的無線收發芯片CC2420。 CC2420 在硬件上實現了IEEE 802.15.4 的MAC 子層安全操作, 跟處理器之間通過SPI 接口訪問。電源部分則采用3 節7 號鋰電池供電。