無線結構健康監測系統設計

戴亞文,邱 航,李小強,彭 磊

(武漢理工大學理學院,湖北武漢430070)

0 引言

多年來頻繁發生的地震、洪水等地質災害造成近年結構工程事故頻繁發生,如橋梁折斷、房屋倒塌等,不僅造成了國家和人民巨大的財產損失而且威脅了人民的生命安全,引起人們對重大工程結構安全性的重視,因此迫切地需要建設經濟合理的大型結構工程生命周期內的結構健康診斷系統。傳統的健康診斷系統不僅工程施工復雜、工作量大、投資大、系統維護更新費用高,而且在使用過程中極易出現故障,影響監測的正常進行,因此國內外學者提出了基于無線傳感網絡的結構健康監測系統[1]。

1 無線網絡監測系統結構

基于無線傳感網絡的結構健康監測系統主要由4個子功能系統組成[2]:傳感器系統、信息采集與處理系統、無線網絡通信與傳輸系統、信息分析和監控系統。系統充分考慮了結構健康監測的特殊應用環境(布點固定、采集精度高、采樣頻率快、節點不易更換、施工難度較大等特點),分別從系統硬件設備和軟件網絡協議2個主要方面進行設計開發,最大程度地滿足了“健康監測系統的設計須遵循功能要求和效益-成本分析”兩大準則。

該系統硬件設備從功能上可分為子節點(包括傳感器及采集系統、無線數據發送系統及電源管理系統)和主節點(包括無線數據接收系統)。傳感器部分為了測試系統精度,選取了測試專用的等效應變源,此外也可根據不同的需要選用其他類型的傳感器(如已經在該系統使用的加速度傳感器,或者溫度、濕度及有害氣體傳感器等);數據采集器可將傳感器檢測到的模擬電壓信號轉換成數字信號,并通過數據發射器發送出去;電源管理系統將新型的太陽能技術應用于無線傳感網絡,大大延長了系統子節點使用時間,降低了后期維護成本;無線數據接收系統負責發送各種控制命令給各個無線數據發射器,并且負責接收各個數據發射器發送來的應變信號,并由RS232串口傳輸到以太網網關或者計算機中,并以可視化方式將監測數據、分析結果顯示出來。

軟件網絡協議主要可分為上位機軟件和網絡協議部分。上位機軟件主要用于界面監控、人機交互以及數據處理仿真等;網絡協議部分是根據實際需求和應用背景特定設計開發的“無線結構健康監測網絡”(Wireless Sensor Network for Structural Health Monitoring,SHM's WSN)。數據通過這種 SHM's WSN網絡的傳輸,使系統具備了實際應用的要求,而且具有超低功耗、實時性強、高精度、健壯的魯棒性等特點。

2 系統硬件設備

本無線結構健康監測系統由多個子節點和1個主節點構成。子節點將傳感器、采集系統和發送系統模塊化集成,方便工程應用的同時,大大降低了成本。主節點與PC機服務器或者以太網網關相連,使得遠程監控和歷史數據存儲成為可能。

2.1 子節點系統構成

2.1.1 傳感器及采集系統設計

傳感器及采集系統主要負責將傳感器產生的模擬信號,經放大和濾波電路處理后,用24位高精度芯片AD7714轉化成數字信號[3]。

由于傳感器(應變片等)輸出的信號一般都很微弱,只有幾mV,為了降低AD7714內部噪聲對采樣結果的影響,系統不使用其內部放大控制。由于應變信號是差分信號,綜合當今差分放大器增益的瓶頸問題以及多級放大容易引入干擾等因素,本設計選用的是AD623精密儀表信號放大芯片,從而保證了最小誤差采樣。為了降低系統噪聲和干擾,系統通過MAX7414進行硬件濾波,并在設計PCB板時將數字地和模擬地分離來減小系統的自干擾,有效提高了AD7714采樣精度。

2.1.2 無線發送系統設計

無線通信模塊電路包括CC2430芯片及其相關外圍電路。由于CC2430將8051內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中,因而簡化了電路的設計過程,省去了對單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計,縮短了研發周期[4]。為了降低系統能耗,無線通信模塊在不工作時設計為休眠模式。

2.1.3 電源管理系統設計

子節點采用鋰電池作為電源,利用太陽能進行充電。本設計采用的太陽能電池板工作電壓為4.5 V,短路電流0.4A,可以彎曲,易于安裝,提供的電能經CN3063轉換并存儲于鋰電池中。

電池電壓經轉換電路變為3.3 V的穩定電壓供給無線通信模塊工作,通過無線通信模塊中CC2430單片機I/O口輸出高低電平控制應變片、放大器、濾波芯片、AD芯片供電。這樣當無線通信模塊喚醒時,就可以使能傳感器進行正常的信號采集;當無線通信模塊休眠時,信號采集也同步停止,從而降低整個節點系統能耗。子節點系統功能模型如圖1所示。

圖1 子節點系統功能模型

2.2 主節點系統構成

主節點的實現方法和設計原理與子節點基本相同,但是主節點端沒有傳感器、采集模塊和電源管理模塊,只有一個負責接收數據和命令、發送指令的無線通信模塊。其主控芯片仍然是CC2430,而且充分考慮了實際工程應用的要求,針對不同的需要,設計出2種系統實現方案:

①遠程監控模式。無線通信模塊通過串口將數據交給以太網網關,客戶計算機通過配置IP訪問網關,進行數據收發,這樣便實現了遠程監控,使得監控地點的選擇更加靈活;

②現場監控模式。無線通信模塊通過串口直接連接計算機或者筆記本電腦,鑒于現今大多便攜電腦沒有 com口,為了增加適用性,特別使用CP2102,將串口轉換為USB口,并測試成功。

3 軟件網絡協議設計及測試結果

針對結構健康監測布點固定且不易更換、采集精度高和頻率快等特點,開發出一套“無線結構健康監測網絡”(SHM's WSN)協議棧,并在上位機軟件部分對數據進行了方案成熟的糾錯、處理、分析等操作。

3.1 網絡協議設計

由于以上特殊性的存在,系統通信協議對TDMA、時間同步、休眠等進行了借鑒與融合,形成了一套較為實用且精簡的網絡通信協議。協議棧程序流程圖如圖2所示。

圖2 協議棧程序流程

系統硬件在完成初始化后,先由主節點組建網絡,子節點探測并加入網絡;網絡建立成功,主節點下發“搜索節點”命令,確定每個節點都可以正常工作;如果子節點應答正常,全網將進行第一次時間同步,此時可以通過上位機監控軟件下發采集命令,進行采集;當子節點完成采集和傳輸后,將等待2 min,如果在這期間再次收到工作指令,將繼續完成部署任務,否則其將進入休眠狀態;進入休眠后,子節點每30 ms將醒來偵聽同步命令和喚醒命令,如果沒有喚醒指令下達,將繼續休眠,反之則進入待采集狀態等待采集命令。

通過SHM's WSN進行數據傳輸,使系統具有針對于實際應用的特點:

①數據科學性。由于結構健康監測中的數據非常強調“同時性”,即不同節點在“同一時刻”采集到的數據才具有參考和分析的價值。所以為了保證數據的科學性,協議結合TDMA和時間同步技術,專門分配一個同步時隙供全網節點更新本地時間,以保證數據“同時”采集;

②高可靠性。每個子節點MCU在將采集數據發送給主節點之前,都會在數據包中加入時間戳和時間序列。監控軟件可根據這些信息,對各子節點數據包進行整理分析,以避免傳輸過程丟包、誤碼等情況,從而保證數據的真實可靠;

③工程實用性。系統有一套較為完善的超低功耗處理機制,以延長每個子節點使用壽命,降低后期維護成本。為此,設計中加入了休眠機制,在沒有采集任務的情況下,便進入休眠狀態,此時子節點電流由30 mA降至10 μ A,保證了長時間工作的需要;

④方案的可行性。通過對仿真實驗和實際測試結果的分析,系統在數據采集精度、時間、效率等方面均可以達到預期效果,相關測試結果將在本文最后詳細給出。

3.2 上位機軟件設計

該系統的監控和分析軟件是在NI公司Labview平臺上編寫的,該軟件主要負責管理網絡通信節點、存儲數據和發送命令等任務,并有較為友好的人機交互界面。用戶可以通過軟件中的數據處理模塊對數據進行濾波、FFT運算和小波變換等各種分析處理[5]。

3.3 實現方案的測試結果

方案可行性測試。通過多次、不同環境、長時間的試驗,整個系統仍然可以正常地完成部署任務,說明其具有良好的穩定性和實用性。

系統性能測試。系統將等效應變源的應變采集標定后,所得出的結果與實際應變相差0.114 5個應變量(y=0.114 5x),精度滿足實際工程要求。應變采樣測試圖如圖3所示。

圖3 應變采樣測試圖

4 結束語

無線傳感器網絡系統由于沒有了布線的束縛,布置監測點方便,也不會影響到其他工種的作業,使其可監測的范圍大大得到了擴展。實際工程中分布式網絡節點最大程度地減少了器件連線,降低了系統的搭建、維修費用和難度,是未來的監測系統發展的必然趨勢。

基于上述理論和應用要求,介紹了一種新型的“無線傳感器網絡結構健康監測系統”。系統中節點集成度較高、體積較小、功耗較低、傳輸距離和可靠性都能滿足無線傳感器網絡中的傳輸要求,并通過專屬定制的網絡通信協議SHM's WSN進行通信,而且進一步完成了一套較為完善的上位機測試軟件編寫工作。試驗測試表明本文設計的無線傳感器網絡結構健康監測系統取得了良好的效果。

[1]裴 強,郭 迅,張敏政.橋梁健康監測及診斷研究綜述[J].地震工程與工程振動,2003,23(2):61-67.

[2]李愛群,繆長青,李兆霞.潤揚長江大橋結構健康監測系統研究[J].東南大學學報,2003,33(5):544-548.

[3]劉雅舉,蔡振江,張 莉,等.基于射頻芯片的ZigBee無線傳感器網絡節點的設計[J].微計算機信息,2007,3(8):167-168.

[4]ANDERSEN A.Implementationof Microstrip Balun for CC2420 and CC243x[R],2006.

[5]楊樂平,李海濤,趙 勇,等.LabVIEW 高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003:160-162.