基于現場實驗的無線與有線加速度系統橋梁振動監測比較研究

2014-04-18 18:40:21蔣新花丁華平沈慶宏

現代電子技術 2014年7期

蔣新花+丁華平+沈慶宏

摘要：以Imote2無線通信平臺為核心，構建新一代無線加速度節點；將無線通信、信號預處理、數據運算以及電源管理在節點內部完成，減少無線通信數據量，降低傳感器運行功耗；以潤揚大橋原有有線加速度節點為測試參考對象，通過現場試驗，比較研究無線加速度節點和有線加速度節點在系統構架、數據采集、數據傳輸、數據精確度等方面的表現，驗證無線加速度節點在橋梁振動監測應用中的可行性。

關鍵詞： Imote2；無線加速度節點；有線加速度節點；現場實驗；橋梁振動監測

中圖分類號： TN914.34?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

針對大跨度橋梁結構損傷、超載和極端荷載以及設計功能缺陷等現象普遍存在，大跨度橋梁坍塌事故越演越烈，橋梁的結構健康監測越來越引起相關學者以及工程人員的關注[1?3]。到目前為止，國內外已有眾多的大型橋梁安裝了橋梁結構健康監測系統，比如香港的青馬大橋[4?6]，其結構健康監測系統造價超過770萬美元，系統集成了各類傳感器，包括加速度傳感器，應變傳感器，位移傳感器等等，平均每個傳感器造價高于2.5萬美元；國內的潤揚大橋構建了一整套結構健康監測系統用于對主梁線形，大橋鋼索索力，橋梁振動，主梁應力，以及溫度等橋梁關鍵參數的監測[7?8]。

目前，大多數橋梁結構健康監測系統均采用有線傳輸的單一星型構架，這種構架普遍存在工程造價高，保養維護難，數據傳輸量大，數據處理復雜等一系列弊端。針對以上現象，有學者提出了將無線通信和傳感器集成于一體的無線傳感器節點的概念，并將其應用于橋梁結構健康監測系統[9?10]。

但是，在將無線傳感器節點用于橋梁結構健康監測的研究以及應用過程中，學者以及工程人員普遍發現這種新興的技術雖然解決了有線網絡的諸多弊端，但仍然存在一系列問題[11?13]，如大部分以單片機為核心硬件，資源過少；缺乏電源管理，功耗過大，網絡生命周期過短；數據傳輸量大，無預處理機制等等。

本文針對傳統無線傳感器節點存在的一系列問題，以其中的振動監測為突破點，設計了一款高性能無線加速度節點，并構建了無線加速度系統，目的在于解決傳統無線傳感器節點存在的諸多問題，并以現有橋梁的結構健康監測系統中的有線加速度節點為比較對象，驗證無線加速度節點在橋梁振動監測領域中應用的可行性。

1 無線加速度系統

1.1 系統構架

如圖1所示，系統由若干無線加速度節點群、基站以及監控中心構成。其中每個無線加速度節點群由若干無線加速度節點組成，基站由無線接收設備（不含傳感器單元的無線加速度節點）以及網絡轉換設備組成。監控中心接收基站發過來的數據并根據結論發布預警信息。

圖1 無線加速度系統構架

1.2 無線加速度節點

針對傳統無線傳感器節點存在的問題，通過對比研究，選取Imote2無線通信平臺（如圖2所示）為節點的核心硬件平臺。Imote2 是由Intel公司研發的一款高性能無線傳感器網絡平臺[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）動態范圍內變化。電源管理單元采用的是Dialog的電源管理集成芯片DA9030，可動態管理節點的休眠、工作等狀態，最大程度降低節點功耗。無線通信單元采用基于ZigBee協議的低功耗CC2420集成芯片，該芯片可工作在2.4 GHz頻段，無線傳輸速度可達250 Kb/s。另外一個比較突出的優勢是Imote2自帶了32 MB FLASH 和 32 MB的SDRAM，大容量的存儲設計為信號預處理提供了必備條件。

圖2 Imote2頂部與底部

無線加速度節點實物如圖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整體。

無線加速度節點構成如圖4所示，包括模擬系統、數字系統以及電源管理單元。模擬系統由加速度傳感器、放大單元以及模/數轉換單元組成。數字部分由中央處理器、信號預處理單元以及無線通信單元組成。電源管理單元一方面給模擬系統以及數字系統供電；另一方面可配合Linux[15]或者TinyOS操作系統提供動態電源管理機制，用于節省系統能耗。

圖3 無線加速度節點實物圖

圖4 無線加速度節點構成

2 本地數據處理

無線加速度節點可提供節點內部數據處理，一方面可減少數據通信量，以便最大程度節省節點功耗；另一方面，可提供精簡的數據給監測中心，確保其信息發布準確。以在節點內部完成數據濾波處理為例，設計一款低通濾波器（低通截止頻率為10 Hz），其幅頻響應和相頻響應分別如圖5，圖6所示。

圖5 低通濾波器幅頻響應

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

[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；[x（n）]為原始信號；[y（n）]為濾波器的沖激響應。

圖6 低通濾波器相頻響應

圖7 低通濾波器沖激響應

3 實驗分析

3.1 實驗搭建

實驗選取潤揚大橋斜拉橋的鋼箱梁為測試對象，為了驗證無線加速度系統的性能，將無線加速度節點（包含信號調理單元）安裝在原有有線加速度節點（不含信號放大、模/數轉換等信號調理單元）的附近，如圖8所示。有線加速度系統的信號調理單元如圖9所示。

圖8 實驗搭建環境

3.2 數據分析

實驗通過研究對比無線加速度系統與有線加速度系統性能，驗證無線加速度系統的測量可靠性與準確度。無線加速度節點可測量三維加速度數據，有線加速度節點只提供垂直于橋面的加速度數據。

圖9 有線加速度系統的信號調理單元

（1）振動數據

選取無線加速度系統測量的垂直于橋面的加速度數據與原有有線加速度系統數據進行對比，兩者振動數據如圖10所示。

圖10 振動數據對比

（2）功率譜密度

為了得出箱梁的振動模態，對測量的加速度數據進行功率譜密度分析，其結果如圖11所示。

圖11 功率譜密度對比

將圖11局部放大，使頻域集中于1.5 Hz之內，如圖12所示，可以確定箱梁前5階結構振動模態分別對應為0.273 Hz， 0.625 Hz， 0.820 Hz， 1.016 Hz， 1.328 Hz，并且兩者測量的結果非常接近。

（3）無線三維數據

相對于有線加速度節點只提供單一測量方向，無線加速度節點提供三維的加速度數據，可用于全面的橋梁振動分析，圖13顯示了垂直于橋面的[Z]方向振動數據，以及平行于橋面的[X]和[Y]方向振動數據。圖14分別顯示了三個方向的振動功率譜密度，可以看出，橋梁振動的主要能量集中于[Z]方向，[X]和[Y]振動幅度較小，振動模態沒有完全激發出來。

圖12 前五階振動模態對比

圖13 橋梁振動三維數據

圖14 三維功率譜密度

4 結論

通過潤揚大橋鋼箱梁的振動對比實驗，可以看出，無線加速度系統相對于有線加速度系統，具有系統構架精簡，造價低，無需鋪設電纜等一系列優勢；更重要的是，在數據可靠性及準確度方面，無線系統較好的與有線系統保持了一致；并且無線系統可在不增加系統開銷的前提下，提供完善的數據測量。另外，無線系統在數據預處理方面也有著較為明顯的優勢。

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