基于ZigBee橋梁結構健康監測數據采集系統

范杰等

【摘 要】橋梁的建設和維護是國家基礎設施建設的重要組成部分，橋梁健康監測技術能有效的保證橋梁的安全運營，保障人民群眾的生命財產安全。橋梁健康監測系統通過對橋梁結構狀態的監測與分析，為橋梁在特殊氣候、復雜交通環境下和橋梁結構狀況異常時發布預警信號，為橋梁的管理、養護與維修提供科學的依據。目前國內外橋梁監測系統大多為有線網絡系統，存在著網絡安裝布線成本高昂、設備移動和網絡結構靈活性差、節點智能化程度低等問題。為此，本文提出并設計實現了基于ZigBee橋梁結構健康監測數據采集系統。本項目研發一種基于Zigbee橋梁結構健康監測數據采集終端系統，該數據采集終端由傳感節點與匯聚網關節點構成。實驗證明，相比于傳統有線的監測方法和數據采集系統，基于無線傳感網絡的結構健康監測系統具有負重輕、成本低、易維護和搭建移動方便等優點。

【關鍵詞】橋梁健康監測；無線傳感器網絡；Zigbee

【Abstract】Bridge construction and maintenance is an important part of national infrastructure， bridge health monitoring technology ensures effectively the security of operation of the bridge and protect s people's lives and property. Bridge health monitoring system， through monitoring and analysis of the state of the bridge stru cture，releases warning signals in special climate， the complexity of traffic conditions and abnormal structural condition of bridges， and provides a scientific basis for the management， conservation and maintenance of bridges. Currently， most of bridge monitoring systems at home and abroad are cable network system with flaws of the traditional means of health monitoring of bridge，namely， high cost of cable network installation， lack of mobility and flexibility in the network， low intelligence of nodes. To overcome the limitation， this paper designed and implemented a wireless sensor network system based on the Zigbee protocol for bridge health monitoring with advantages of low-cost， high reliability， easy installation and low maintenance cost.

【Key words】Bridge health monitoring；Wireless sensor network；Zigbee

0 引言

橋梁在幾十年、甚至上百年的使用過程中，結構長期承受交通荷載的作用，嚴酷自然環境的侵蝕，自然災害和人為因素等的禍合作用，不可避免地導致橋梁結構出現各種損傷現象，抗力衰減，使得結構承受力與安全性降低，引發災難性突發事故。全國規律普查結果顯示，有相當一部分的橋梁存在不同程度的損傷，1951年美國金門大橋在風速振動下造成橋體損傷，1994年韓國圣水大橋段塌，臺灣的高屏大橋攔腰斷裂，還有我國的彩虹橋，宜賓南門大橋等一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須要重視橋梁的定期健康檢測與安全評估，及危橋的損傷檢測和監控，爭取消除隱患。所以對橋梁進行定期維護和檢修，對其健康狀況進行監測和評價，掌握其健康狀況是有重要意義的。橋梁結構的檢測、監測也就成為橋梁結構安全養護和保障正常使用的主要技術手段。

隨著傳感器、通信、計算機、信號處理以及人工智能等技術的迅速發展，人們開始研究基于信息技術的橋梁結構健康監測系統，橋梁工程領域開始考慮一些能夠在不影響橋梁結構正常使用狀態下的可長期實時觀測累積損傷狀態的技術和方法，以便對服役期間的橋梁安全狀況進行長期實時在線監測，為進一步的維護管理提供正確的決策。

1 緒論

1.1 無線傳感器網絡研究綜述

1.1.1 無線傳感器網絡概述

傳感器技術、通信技術和計算機技術是現代信息技術的三大支柱，它們分別完成對被測量對象的信息提取、信息傳輸及信息處理。隨著它們的飛速發展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現在軍事、工業、農業和宇航各個領域。這些微型傳感器具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能，無線傳感器網絡應用而生。

無線傳感網絡節點具有局部信號處理的功能，將傳統的串行處理、集中決策的系統變成并行的分布式處理，提高了檢測系統的運行速度和靈活性。另外，無線傳感網絡組成的分布式監測系統最大程度地減少了器件連線，減低了系統的搭建、維修費用和難度。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，能夠協作的感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器網絡結構如圖1所示。

1.1.2 無線傳感器網絡應用于橋梁監測中的優勢

無線傳感網絡是當前國內外工程領域的研究熱點，節點具有功耗低、體積小、系統安全性高、穩定性、可靠性和實時性好的特點。將無線傳感技術應用于橋梁健康監測系統，有利于整個系統的小型化，低成本，智能化。通過無線網絡實現數據的采集和發送，可以提高系統安裝的方便性和可移動性，并使監測系統可方便地應用于各種橋梁結構健康監測系統中。與傳統監測手段相比，具有以下明顯優勢：

1）構成自組織動態網絡，無需人工干涉自動組網，適應長期工作的需要。傳感器可自動加入、斷開網絡，方便監測點位置的改變。

2）傳感器節點數量大，分布密度高，使得網絡數據采集量大，精度高增加了系統監測的精度和穩定性。

3）傳感器節點具有無線通信能力，并且支持多跳技術，能實現健康監測的遠程監測，減少現場布線的工作量，移動靈活。

4）健康監測中的監測對象不盡相同，傳感器節點具備良好的靈活性，可以配接各種類型的傳感器，滿足監測的不同應用。

為了滿足橋梁長期健康監測的要求，構建合理、高效的監測網絡，充分發揮無線傳感器網絡的優勢，選擇合適的無線通信協議是至關重要的，本課題選擇Zigbee作為無線環境監測網絡的通信協議。

1.2 Zigbee協議概述

1.2.1 Zigbee技術的特點

作為一種流行的無線傳感器網絡協議，相對于其他無線網絡協議來說，Zigbee協議具備很多自身的特點，這些特點保證了Zigbee能夠很好地運行在無線傳感器網絡的環境中，同時得到廣泛應用。Zigbee協議主要有如下的特點：

1）低功耗

2）低成本

3）通信可靠

4）網絡的自組織，自愈能力強

5）網絡容量大

6）低速率

7）近距離

8）數據安全

1.2.2 Zigbee與其他幾種無線通信協議的比較

表1給出了幾種無線通信技術標準的比較?？梢钥闯觯鼈兏饔刑攸c，也決定了它們的應用領域是不同的。

橋梁健康監測系統所傳輸的數據量小，傳輸速率低，要求傳輸設備成本低，功耗小，系統所使用的終端設備通常采用電池供電。Zigbee技術更符合這些特點。

基于Zigbee技術的無線傳感器網絡，具有功耗低、系統簡單、組網方式靈活、成本低、低等待時間等特性。在固定的時間間隔傳輸數據的低速率特性，滿足健康監測中，以一定的采集頻率，將各個傳感器節點周期性采集到監測數據，傳送至監控中心進行分析和處理。相比其他無線網絡技術，Zigbee技術更適合在橋梁健康監測中應用。

2 基于Zigbee的無線傳感器網絡監測系統總體設計

2.1 橋梁健康監測要求

反映橋梁健康狀況需要監測的內容指標很多，如果全面監測難免給健康監測系統造成硬件龐大、數據繁雜，處理數據不可靠等缺陷。因此在監測指標上，應根據橋型選擇最能反映橋梁健康狀況的指標。基于通常橋梁監測指標的選擇是在基于“橋梁本身安全”的情況下，主要監測指標如下：

1）環境溫度及橋上溫度分布監測

2）主梁應力監測

3）撓度監測

4）振動監測

應力、撓度、振動、溫度是對橋梁進行長期健康監測和健康評估的主要指標，對橋梁重點部位的這些指標進行實時監測有助于了解橋面系的受力狀況，橋梁的剛度性能，間接反映橋梁的穩定性，并及時準確地提供橋梁結構的實際狀態數據。便于及時發現橋梁的結構損傷與質量退化，對大橋的結構安全做出準確評價，保證大橋安全運營，并為橋梁維護、管理決策提供可信的科學依據。

2.2 橋梁健康監測系統的組成

一套結構和性能都稱得上完整的橋梁健康監測系統是由傳感采集子系統、無線傳感網絡子系統和終端監控子系統三部分組成。

橋梁健康狀況實時監測的系統構建如圖2所示，該傳感器網絡感知層由若干傳感器節點、若干路由器節點、匯集節點和網關構成。

感知層利用Z-STACK協議棧構建傳感器網絡協議，各傳感器節點采集應力、撓度、沉降等橋梁參數經過路由器節點發送數據至匯集節點，匯集節點（協調器）一方面創建并維護網絡運行，另一方面把各節點傳送的數據送入網關，網關通過GPRS模塊—SIM300將感知網絡接入Internet，將數據通過Internet 傳輸至遠程計算機進行分析處理，實現遠程無線監控。

2.2.1 傳感采集子系統

傳感器節點采用TI公司的CC2430芯片為核心，結構如圖3所示，傾角、應變和沉降值等模擬信號送入到CC2430中轉換成數字量，再將這些信息通過天線發送至無線傳感網絡子系統。

2.2.2 無線傳感網絡子系統

無線傳感網絡由天線和GPRS組成。無線傳感網絡也稱為網關節點，結構如圖4所示，網關節點當中的cc2430以無線方式接收若干節點所發送過來的數據，將這些數據送到LM3S8962里，ARM板利用SIM300接入Internet，把接收的數據通過Internet發送到遠程端。

圖4 網關節點結構

2.2.3 終端監控子系統

終端監控子系統是整個系統中的數據接收、處理系統，主要由中繼節點與用戶應用軟件組成，中繼節點負責把整個網絡的采集數據通過串口通信保存在數據管理系統的數據庫內，實現數據的長期保存和備份，對結構狀態的實時跟蹤，實現結構信息的可視化和決策數據庫的智能化。

3 其他關鍵問題

3.1 加強基礎和試驗研

通過對各類橋梁的檢測數據收集，并依據各類橋梁不同部位常見病害及其原因的分析，將現代測試技術和數學方法應用于橋梁安全評價之中，重點研究各類特征量與病害之間的關系及其門檻值的設置原則，建立常見類型橋梁安全的評價模型。

3.2 注重特征參量測量與監測設備的系統配置

橋梁承載能力狀態的變化將直接影響其安全運營，如何測量橋梁關鍵部位的特征參量的變化，并根據所建立的評定模型或評定標準值判斷橋梁的運營狀態及病害原因和程度，對橋梁的安全給出適應的評價，配置系列儀器對關鍵部位特征參數進行監測是橋梁狀態（或健康或病害）評估的關鍵。

3.3 充分發揮專家系統的作用

根據橋梁狀態監測結果，組織橋梁設計、施工、監測、維護、管理等專家，對橋梁安全監測與維護中的相關問題進行研討與評價，并提出維護方案，或者由依據專家經驗建立的橋梁狀態監測、病害原因及程度、安全評價與維護等相互關聯的專家系統進行橋梁安全評價并給出維護方案。

4 結束語

無線傳感器網絡系統由于沒有了布線的束縛，使其可監測的范圍大大得到了擴展。原來只能對大型結構的部分特性進行監控，對全局的特性只能通過一些算法進行推算或者根本無法獲得。另外，在監控現場布線往往費時費力，還影響其他工種的施工作業。采用無線傳感器網絡系統能夠在大范圍的空間中監測大型結構的健康狀況在局部作業時，布置監測點方便，也不會影響到其他工種的作業。另外無線傳感網絡組成的分布式監測系統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，在未來的監測系統發揮重要的作用。

【參考文獻】

[1]彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低復雜度的無線電通信協議一Zigbee[J].白動化儀表，2005，26（5）：1-4.

[2]秦霆鎬，豆曉強，黃文彬.Zigbee技術在無線傳感器網絡中的應用[J].儀表技術，2007（1）：57-58.

[3]楊柳.基于Zigbee的無線傳感器環境監測網絡設計田[J].武漢：武漢理工大學，2008，1.

[4]喻言，李宏偉，歐進萍.結構監測的無線加速度傳感器設計與制作[J].傳感技術學報，2004，17（3）：463-466.

[5]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005：3-23.

[6]吳鍵，袁慎芳.無線傳感器網絡節點的設計和實現[J].儀器儀表學報，2006，9：1121-1124.

[7]李興凱，譚永東.無線傳感器網絡協議棧分析[J].傳感器世界，2005，11：24-29.

[8]馬祖長，孫怡寧，梅淘.無線傳感器網絡綜述[J].通信學報，2004，25（4）：114-124.

[9]ohrabi K， Gao J， Ailawadhi V， et al. Protocols for self-organization of a wireless sensor network[J].IEEE Personal Communications，2000，7（5）：16-27.

[責任編輯：薛俊歌]