基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的無(wú)線與有線加速度系統(tǒng)橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)比較研究

2014-04-18 18:40:21蔣新花丁華平沈慶宏

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年7期

蔣新花+丁華平+沈慶宏

摘要：以Imote2無(wú)線通信平臺(tái)為核心，構(gòu)建新一代無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)；將無(wú)線通信、信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算以及電源管理在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成，減少無(wú)線通信數(shù)據(jù)量，降低傳感器運(yùn)行功耗；以潤(rùn)揚(yáng)大橋原有有線加速度節(jié)點(diǎn)為測(cè)試參考對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比較研究無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)和有線加速度節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)精確度等方面的表現(xiàn)，驗(yàn)證無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞： Imote2；無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)；有線加速度節(jié)點(diǎn)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)；橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN914.34?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0101?04

Experimental comparison study on wireless and wired acceleration systems

for bridge vibration monitoring

JIANG Xin?hua1， DING Hua?ping2， SHEN Qing?hong2

（1. Guangxi Communications Investment Group Co.， Ltd.， Nanning 530028， China；

2. School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210023， China）

Abstract： The next?generation wireless acceleration node was designed with a new wireless communication platform Imote2 as the core. The amount of transmitted data and the power consumption were reduced by integrating wireless communication， signal pre?processing， data analysis and power management in the node. Taking the wired acceleration node of the original vibration monitoring system in the Run?yang Yangtze River Bridge as a reference， a field experiment was conducted to compare the system architecture， data acquisition， data transmission and data accuracy of the wrieless acceleration node with those of the wired acceleration node. The result shows that wireless acceleration node is quite promising in the bridge vibration monitoring applications.

Keywords： Imote2； wireless acceleration node； wired acceleration node； field experiment； bridge vibration monitoring

0 引言

針對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)損傷、超載和極端荷載以及設(shè)計(jì)功能缺陷等現(xiàn)象普遍存在，大跨度橋梁坍塌事故越演越烈，橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)越來(lái)越引起相關(guān)學(xué)者以及工程人員的關(guān)注[1?3]。到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有眾多的大型橋梁安裝了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，比如香港的青馬大橋[4?6]，其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造價(jià)超過(guò)770萬(wàn)美元，系統(tǒng)集成了各類傳感器，包括加速度傳感器，應(yīng)變傳感器，位移傳感器等等，平均每個(gè)傳感器造價(jià)高于2.5萬(wàn)美元；國(guó)內(nèi)的潤(rùn)揚(yáng)大橋構(gòu)建了一整套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)主梁線形，大橋鋼索索力，橋梁振動(dòng)，主梁應(yīng)力，以及溫度等橋梁關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)[7?8]。

目前，大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用有線傳輸?shù)膯我恍切蜆?gòu)架，這種構(gòu)架普遍存在工程造價(jià)高，保養(yǎng)維護(hù)難，數(shù)據(jù)傳輸量大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等一系列弊端。針對(duì)以上現(xiàn)象，有學(xué)者提出了將無(wú)線通信和傳感器集成于一體的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的概念，并將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9?10]。

但是，在將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究以及應(yīng)用過(guò)程中，學(xué)者以及工程人員普遍發(fā)現(xiàn)這種新興的技術(shù)雖然解決了有線網(wǎng)絡(luò)的諸多弊端，但仍然存在一系列問(wèn)題[11?13]，如大部分以單片機(jī)為核心硬件，資源過(guò)少；缺乏電源管理，功耗過(guò)大，網(wǎng)絡(luò)生命周期過(guò)短；數(shù)據(jù)傳輸量大，無(wú)預(yù)處理機(jī)制等等。

本文針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的一系列問(wèn)題，以其中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)為突破點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款高性能無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)建了無(wú)線加速度系統(tǒng)，目的在于解決傳統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的諸多問(wèn)題，并以現(xiàn)有橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的有線加速度節(jié)點(diǎn)為比較對(duì)象，驗(yàn)證無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性。

1 無(wú)線加速度系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，系統(tǒng)由若干無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)群、基站以及監(jiān)控中心構(gòu)成。其中每個(gè)無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)群由若干無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)組成，基站由無(wú)線接收設(shè)備（不含傳感器單元的無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)）以及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備組成。監(jiān)控中心接收基站發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并根據(jù)結(jié)論發(fā)布預(yù)警信息。

圖1 無(wú)線加速度系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比研究，選取Imote2無(wú)線通信平臺(tái)（如圖2所示）為節(jié)點(diǎn)的核心硬件平臺(tái)。Imote2 是由Intel公司研發(fā)的一款高性能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[14]。處理器采用的是Intel的低功耗X?scale PXA271，該處理器的主頻可在13 MHz （44 mW）到416 MHz （570 mW）動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化。電源管理單元采用的是Dialog的電源管理集成芯片DA9030，可動(dòng)態(tài)管理節(jié)點(diǎn)的休眠、工作等狀態(tài)，最大程度降低節(jié)點(diǎn)功耗。無(wú)線通信單元采用基于ZigBee協(xié)議的低功耗CC2420集成芯片，該芯片可工作在2.4 GHz頻段，無(wú)線傳輸速度可達(dá)250 Kb/s。另外一個(gè)比較突出的優(yōu)勢(shì)是Imote2自帶了32 MB FLASH 和 32 MB的SDRAM，大容量的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)為信號(hào)預(yù)處理提供了必備條件。

圖2 Imote2頂部與底部

無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示，采用堆疊式連接方式將傳感器接口板、Imote2以及供電模塊連接成一個(gè)整體。

無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖4所示，包括模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)以及電源管理單元。模擬系統(tǒng)由加速度傳感器、放大單元以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成。數(shù)字部分由中央處理器、信號(hào)預(yù)處理單元以及無(wú)線通信單元組成。電源管理單元一方面給模擬系統(tǒng)以及數(shù)字系統(tǒng)供電；另一方面可配合Linux[15]或者TinyOS操作系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)電源管理機(jī)制，用于節(jié)省系統(tǒng)能耗。

圖3 無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖4 無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

2 本地?cái)?shù)據(jù)處理

無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)可提供節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，一方面可減少數(shù)據(jù)通信量，以便最大程度節(jié)省節(jié)點(diǎn)功耗；另一方面，可提供精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)中心，確保其信息發(fā)布準(zhǔn)確。以在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)濾波處理為例，設(shè)計(jì)一款低通濾波器（低通截止頻率為10 Hz），其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別如圖5，圖6所示。

圖5 低通濾波器幅頻響應(yīng)

根據(jù)濾波器的參數(shù)，得出該濾波器的沖激響應(yīng)，如圖7所示。利用濾波器的沖激響應(yīng)，根據(jù)公式（1），得出系統(tǒng)濾波后的輸出信號(hào)：

[f（n）=x（n）*y（n）=m=-∝x（m）y（n-m）] （1）

式中：[f（n）]為濾波后的輸出信號(hào)；[x（n）]為原始信號(hào)；[y（n）]為濾波器的沖激響應(yīng)。

圖6 低通濾波器相頻響應(yīng)

圖7 低通濾波器沖激響應(yīng)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)搭建

實(shí)驗(yàn)選取潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋的鋼箱梁為測(cè)試對(duì)象，為了驗(yàn)證無(wú)線加速度系統(tǒng)的性能，將無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)（包含信號(hào)調(diào)理單元）安裝在原有有線加速度節(jié)點(diǎn)（不含信號(hào)放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理單元）的附近，如圖8所示。有線加速度系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理單元如圖9所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)搭建環(huán)境

3.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究對(duì)比無(wú)線加速度系統(tǒng)與有線加速度系統(tǒng)性能，驗(yàn)證無(wú)線加速度系統(tǒng)的測(cè)量可靠性與準(zhǔn)確度。無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)可測(cè)量三維加速度數(shù)據(jù)，有線加速度節(jié)點(diǎn)只提供垂直于橋面的加速度數(shù)據(jù)。

圖9 有線加速度系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理單元

（1）振動(dòng)數(shù)據(jù)

選取無(wú)線加速度系統(tǒng)測(cè)量的垂直于橋面的加速度數(shù)據(jù)與原有有線加速度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

（2）功率譜密度

為了得出箱梁的振動(dòng)模態(tài)，對(duì)測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度分析，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 功率譜密度對(duì)比

將圖11局部放大，使頻域集中于1.5 Hz之內(nèi)，如圖12所示，可以確定箱梁前5階結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分別對(duì)應(yīng)為0.273 Hz， 0.625 Hz， 0.820 Hz， 1.016 Hz， 1.328 Hz，并且兩者測(cè)量的結(jié)果非常接近。

（3）無(wú)線三維數(shù)據(jù)

相對(duì)于有線加速度節(jié)點(diǎn)只提供單一測(cè)量方向，無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)提供三維的加速度數(shù)據(jù)，可用于全面的橋梁振動(dòng)分析，圖13顯示了垂直于橋面的[Z]方向振動(dòng)數(shù)據(jù)，以及平行于橋面的[X]和[Y]方向振動(dòng)數(shù)據(jù)。圖14分別顯示了三個(gè)方向的振動(dòng)功率譜密度，可以看出，橋梁振動(dòng)的主要能量集中于[Z]方向，[X]和[Y]振動(dòng)幅度較小，振動(dòng)模態(tài)沒(méi)有完全激發(fā)出來(lái)。

圖12 前五階振動(dòng)模態(tài)對(duì)比

圖13 橋梁振動(dòng)三維數(shù)據(jù)

圖14 三維功率譜密度

4 結(jié) 論

通過(guò)潤(rùn)揚(yáng)大橋鋼箱梁的振動(dòng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以看出，無(wú)線加速度系統(tǒng)相對(duì)于有線加速度系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)架精簡(jiǎn)，造價(jià)低，無(wú)需鋪設(shè)電纜等一系列優(yōu)勢(shì)；更重要的是，在數(shù)據(jù)可靠性及準(zhǔn)確度方面，無(wú)線系統(tǒng)較好的與有線系統(tǒng)保持了一致；并且無(wú)線系統(tǒng)可在不增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的前提下，提供完善的數(shù)據(jù)測(cè)量。另外，無(wú)線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面也有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

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