基于3G無線傳感的橋梁集群健康監測系統

陳 峰 ， 韓曉英 ， 陳 偉

（1.華南理工大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510641；2.廣州大學 實驗中心，廣東 廣州 510006；3.廣州工程總承包集團有限公司 廣東 廣州 510000；4.暨南大學 信息技術研究所，廣東 廣州 510075）

橋梁是公路的咽喉，其安全問題是國內外極大關注的重大社會問題。長期以來，大跨度橋梁的安全檢測一直以人工方法為主，傳統人工檢測方法存在主觀性強、整體性差、時效性差等諸多問題。基于有線網絡的橋梁健康監測技術具有測試精度高、協議成熟、實時性好等諸多優點，但安裝維護成本高，布線困難，傳輸距離受布線長度的限制。現有系統均針對單橋建設，難以實現多座橋梁之間的信息互通，各座橋梁之間表現為“信息孤島”，不利于區域內多座橋梁結構監測的集中統一維護管理。

無線傳感器網絡是當前國內外科技領域的研究熱點，節點具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點。將無線傳感技術應用于橋梁健康監測，有利于整個監測系統的小型化、低成本和智能化發展[2-3]。目前，無線傳感器針對橋梁健康監測方面的應用主要有:UC Berkeley的SukunKim等人設計了基于TinyOS的無線傳感器網絡系統，并實現了對金門大橋結構健康的監測[3]。Stanford的Jerome P.Lynch等人設計了一種無線組塊監測系統 （Wireless Modular Monitoring Sy stems，WMiMS），并在美國Alamosa峽谷的大橋進行了試驗[4]。在上述應用中都組建了具有多跳路由的無線傳感器網絡，應用加速度傳感器檢測橋梁振動數據，經過數據處理最終得到橋梁振動的固有頻率來判斷橋梁的健康情況。

文中應用3G無線傳感器網絡技術，研究并開發了基于無線傳感器網絡的集群式橋梁健康監測系統，可實現區域內多座橋梁的集中統一健康監測，為區域內多座橋梁的統一維護和管理決策提供依據和指導。

1 系統結構

系統結構如圖1所示。整個系統由無線傳感層、TD網關層和中央控制層3層組成。其中，無線傳感層為基于IEEE 802.15.4協議的ZIGBEE無線傳感網絡，用以在被測區域內采集傳感數據，并進行初步濾波處理。無線傳感層采集的數據匯聚到TD網關層，實現監測數據的本地短時存儲和3G無線傳輸。該層的3G無線處理單元為基于ARM9的32位嵌入式系統，通過SPI總線和RS232總線分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無線模塊，從而實現無線傳感網絡與3G無線網絡的無縫對接。同時，在每個3G無線處理單元中，設計了2G的TIF卡存儲空間，可實現采集數據的本地短期保存。中央控制層（橋梁集群健康實時監測中心）為基于TCP/IP協議，采用SOCKET服務器模式的中央機房，可實現對散布在較大區域內的多個橋梁健康狀態數據采集子系統采集數據的接收，長時間存儲、橋梁監測數據分析、橋梁狀態評估及壽命預測等一系列復雜功能。

圖1 基于3G無線傳感的集群式橋梁健康實時監測系統Fig.1 Bridge cluster health monitoring system based on 3G wireless sensor network

2 無線傳感系統硬件構成

無線傳感系統硬件設計主要涉及無線傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網關層的3G無線處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內嵌LINUX操作系統，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560。考慮到準確計時和批量保存數據的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態ROM存儲單元CY62157ESL。

圖2 無線傳感系統硬件結構Fig.2 Wireless sensors structure

2.1 3G無線模塊相關電路設計

3G模塊選用華為 em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC/IP協議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產品，分別支持TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G無線通信技術，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網絡。系統支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能。

ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應用的片上系統 （SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。

由于兩種無線模塊均通過RS232接口實現與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉換芯片。其接口電路如圖2所示。圖中左側所接電路為無線通信模塊的RS232接口，右側電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關管腳。

圖3 3G無線模塊接口電路Fig.3 Circuit of 3G wireless model interface

2.2 系統通用IO接口電路設計

AT91SAM9G20接口功能豐富，擁有8路12位 ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷。通過配制總線，最多可提供76個通用IO接口。

由于3G和ZIGBEE無線串口占用了16個通用IO接口，以及其它系統占用了部分接口，因此將P2口的P2.0到P2.31接口設計為32個通用數字I/O接口，通過簡單的寄存器設計設置為16入、16出；將P3口的P3.0到P3.9接口設置為10路模擬輸入接口。該種設計使得系統具備16路數字輸入、16路數字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I/O接口的通用測控平臺。通用IO接口框圖如圖4所示，在無線傳感網絡中，只有擔任主節點的采集單元需要通過串口2以3G通信的方式將數據發送到監控主機，擔任從節點的采集單元只需要通過串口1將主節點數據發送到從節點。

圖4 通用IO接口數據采集結構圖Fig.4 Structure of IO interface

3 系統軟件構成

3.1 下位機數據采集及通信程序流程

下位機數據采集及通信主要由兩個部分構成：CC2530的間歇式采集和3G數據通信。采用間歇式采集，一方面是因為CC2530在休眠時段的工作電流在微安級，可大大降低系統功耗，另一方面，橋梁健康監測數據多數為慢響應，采集頻率降低，可有效減少冗余數據。間歇式數據采集程序流程如圖 5（a）所示，3G 通信流程如圖 5（b）所示。

3.2 上位機程序結構及界面

在橋梁集群健康實時監測中心的上位PC機要具有數據的存儲與處理、數據的可視化、物聯網的管理功能。以Microsoft VC++6.0，sql server 2000數據庫為開發工具。整個系統采用C/S架構，普通用戶可以進行數據的查詢與可視化，權限用戶可以進行傳感器網絡的管理。軟件結構如圖6所示。

圖5 下位機數據采集及通信流程Fig.5 Flow chart of data acquisition and communication on micro-controller

圖6 結構健康監測中心軟件結構Fig.6 Software structure of structure health monitoring center

監測中心軟件主菜單界面、實時數據接收與控制界面和參數分析界面分別如圖7、圖8所示。

4 系統應用

該系統已成功應用于珠江水系上兩座特大橋梁。在兩座橋梁上一共安裝了78個數據采集單元，通過無線網絡實現各采集單元的數據互聯。從應用結果看，系統運行穩定，數據存儲和無線傳輸穩定可靠。

圖7 主菜單界面Fig.7 Main menu interface

圖9 為橋梁索力實時采集界面，圖10為80個無線采集單元15天（21 600 min）實際運行在線率統計結果。從圖中可看出，除56號機由于安裝在主梁附近，經實際測試無線信號很弱的設備掉線時間較長外，90%的無線數據采集單元在線率達90%以上，系統運行穩定可靠。

圖8 實時數據接收與控制界面Fig.8 Data receive and control interface

圖9 索力采集界面Fig.9 Interface of cable force monitoring

圖10 系統試運行在線率統計Fig.10 Online ratio of trail running

5 結 論

將3G無線模塊與ZIGBEE無線傳感網絡模塊統一于AT91SAM9G20 ARM微處理器芯片[7]，嵌入LINUX操作系統，設計了橋梁健康監測系統下位機系統。采用VC6.0軟件，設計了橋梁健康監測中心上位機系統。在特大橋梁上80個采集點實際應用表明，該系統運行穩定，數據存儲和無線傳輸穩定可靠，可滿足橋梁結構無線監測的需求。

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