基于WSN的曲線橋橫向位移實時監測系統設計

饒德倩+陳向東+張傳武

摘 要： 國內大多數對曲線橋橫向位移的研究都是從理論上定性分析，很少有針對曲線橋梁實際橫向位移的實時監測系統，而現行的橋梁監測系統大多是對橋梁的擾度進行監測，因此設計了一種針對曲線橋橋梁的橫向位移的實時監測系統。該系統分為兩個部分：由直線位移傳感器和無線傳感網組成的下位機部分，以及用C#語言設計的下位機數據的瀏覽、存儲管理、實時顯示軟件組成的上位機部分。通過模擬測試，該系統能實時地監測反映出曲線橋橫向位移的動態變化。

關鍵詞： 橫向振動位移； 無線傳感網； CC2530； C#語言； 上位機

中圖分類號： TN92?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0012?03

Design of real?time monitoring system for curved bridge

transverse displacement based on WSN

RAO De?qian1， CHEN Xiang?dong1， ZHANG Chuan?wu2

（1. School of Information Science & Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. College of Electrical & Information Engineering， Southwest University for Nationalities， Chengdu 610041， China）

Abstract： A real?time monitoring system for the curved bridge transverse displacement was designed because most studies in China for curved bridge transverse displacement are the qualitative analysis in theory， few researchers made efforts for real?time monitoring system for the actual lateral displacement of curved bridges， and most of the existing bridge monitoring systems are to monitor the immunity of the bridges. This system is divided into two parts： lower computer （composed of linear displacement sensor and wireless sensor network） and upper computer （composed of lower computer data browsing， storage management， real?time display softwares designed with C # language）. The simulation testing results indicate that the system can perform real?time monitoring and reflect the dynamic changes of the curved bridge transverse displacement.

Keywords： transverse vibration displacement； WSN； CC2530； C # language； upper computer

0 引 言

隨著我國社會的發展，橋梁道路在社會生活中起著重要作用，曲線橋以其橋址地形適應性強，能有效避開巖溶、滑坡、泥石流等不良地段的優良特點更是得到廣泛的應用。然而曲線橋在支撐方式、溫度荷載、混凝土伸縮形變[1]以及其他橫向荷載（車輛的轉向力、臺風等）作用下產生橫向位移過大導致橋梁被破壞的現象時有發生[2]。橫向的位移幅度的大小和橋梁整體穩定性密切相關[3]，然而國內卻很少有關于橋梁橫向位移的實時自動監測系統。針對這種需求，結合ZigBee無線通信技術的特點，本文設計了一個以多孔連續曲線橋為模型的基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）的大橋橫向位移的實時監測系統。利用本系統實現對曲線橋梁的橫向位移實時無線遠程的自動監測。

1 系統無線通信技術的選擇

系統使用WSN對曲線橋梁進行監測，不僅可以減小遠距離布線的繁瑣，而且可以在網絡節點安裝布局上增加的靈活性。現在用的比較普遍的幾種無線通信技術包括ZigBee技術、藍牙技術、WiFi技術以及紅外技術等。相較于其他幾種無線通信技術ZigBee具有如下優點：

（1） 連接設備數量多，組網能力強。每個主節點可容納255個子節點，一個協調器組成的網絡可容納65 000個節點[4]，便于在橫向位移的監測中可以組成一個強大的監測網絡；

（2） 傳輸距離大，兩個節點的極限通行距離可達100 m，這樣使得在系統中需要無線中繼的路由節點數量大為減小；

（3） 功耗極低，在 低 耗 電 待 機 模 式下， 2節普通5號干電池可使用6個月到2年[5] ，這使得無線節點能長時間有效地工作；

（4） 開發成本低，ZigBee的協議棧是完全免費的，不需要認證和授權許可就直接可以開發。

綜上所述，結合橋梁跨度大，要求節點多，傳輸數據少，組網大的特點，本系統選用ZigBee技術作為無線通信的技術是最優的選擇。

2 系統的總體設計

系統分為下位機和上位機兩部分，其結構如圖1所示。下位機采用TI公司的CC2530片上系統和與之匹配的Zstack協議棧配合位移傳感器組成的無線位移傳感網絡。它實現了對橋梁的各個監測點的橫向位移的實時采集和傳輸匯集。上位機使用C#語言和.NET Framework技術編寫的基于SQL SERVER數據庫的C/S架構的數據管理和瀏覽軟件。

圖1 系統結構圖

3 無線位移傳感網的設計

3.1 無線位移傳感網的硬件設計

3.1.1 直線位移傳感器原理及數據采集處理電路

本系統選用了直線位移傳感器作為系統的位移傳感器。其原理圖如圖2所示，AB之間是均勻纏繞著精密電阻絲的電阻，當外界的位移發生變化時就會帶動C點在AB之間來回運動，從而使BC之間的電阻發生變化，根據電路分壓的原理，C點的輸出電壓SENSOR_OUT也發生變化，從而通過測量電壓的變化就能轉換測量出位移多少。

以B點為參考點具體測量公式為：

[SBC=kUAB] （1）

式中：[SBC]表示以B為參考點的位移量；[UAB]為傳感器的輸入電壓；[k]為單位電壓的位移變化率。由上面分析可知，這種類型位移傳感器具有很高的線性度。同時其還具有結構簡單，性能穩定，受外界影響小，信號輸出大等優點[6]。不過其分辨率較低，一般小于20 μm。但考慮到曲線橋的橫向位移一般在mm級[7]，完全能滿足應用要求。

圖2 位移傳感器原理圖

對于傳感器數據的模/數轉換處理，采用由TI公司生產的TLC549 AD轉換芯片。它是TI公司生產的一種高性能、低價位、以8位開關電容逐次逼近方法實現的A/D轉換器，其轉換速度小于 17 μs，最大轉換速率為4 MHz，并且它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接[8]。

3.1.2 無線位移傳感網節點硬件設計

在本系統中無線位移傳感網包括三種節點的設計：傳感器節點、路由節點和協調器節點。協調器主要負責網絡的組建和維護；路由節點負責傳輸路徑的選擇和尋址[9]；傳感器節點主要負責位移數據的采集顯示傳輸。由于路由節點和協調器節點的結構相差無幾，下面只給出協調器節點和傳感器節點的硬件結構圖，如圖3，圖4所示。

圖3 傳感器節點

圖4 協調器節點

其中部分系統實物圖如圖5所示。

3.2 無線位移傳感網絡軟件設計

本系統采用了TI公司的Zstack協議棧作為應用的開發基礎，在協議棧中自動地完成網絡的組建[10]。因此本系統的軟件設計主要是基于其應用層的開發。由于在本系統中基本沒有對路由器的協議棧進行修改，因此本文將主要對傳感器檢測節點和協調器節點的流程進行大概介紹。

圖5 部分硬件實物圖

3.2.1 傳感器檢測節點軟件設計

傳感器檢測節點主要實現了傳感器信息的采集和轉換、與協調器的通信、系統信息的液晶顯示以及按鍵的處理等功能，主要流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器節點的主要流程圖

3.2.2 協調器節點的軟件設計

協調器節點主要是對節點在線情況的詢問以及無線傳感網絡與上位機的信息的串口發送與接收，其主要的流程如圖7所示。

4 上位機軟件的設計

為了能更好地遠程監測無線傳感網絡，在微軟的Visual Studio 2010開發環境[11]下本系統使用C#語言開發了基于C/S（Client/Sever）架構的上位機數據瀏覽管理軟件[12]。在系統的數據管理方面，選用了微軟的SQL Server 2012數據庫，并通過.NET Framework平臺的ADO.NET技術對其進行數據讀寫操作。

圖7 協調器軟件主要流程圖

上位機的軟件主要具有以下幾種功能：

首先對本系統的用戶（包括管理員和普通用戶）的登錄管理。系統的登錄界面如圖8所示。

圖8 系統登錄界面

其次是對各節點的位移數據的存儲和動態顯示，用戶登陸界面以后可以選取不同的節點觀察其位移的動態變化圖。

最后上位機軟件還實現了對位移過大的節點的信息報警顯示。

5 結 語

通過模擬實驗利用該系統能有效地監測各被測點的橫向位移的變化，并能實時地在上位機上反映出來，給大橋的工程技術人員提供很好的信息，盡早消除大橋的安全隱患。在后續工作中可以在傳感器節點上加上一些測量影響橋梁橫向位移變化因素（比如溫度、頻率）的傳感器更加綜合地監測橋梁。

參考文獻

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[3] 趙煥軍，李福寶，孫偉.曲線橋穩定性分析[J].城市道橋與防洪，2007（2）：33?35.

[4] 陳保平，蘇龍，陳卓，等.基于ZigBee 技術的橋梁撓度無線監測系統的設計與應用[J].電子技術應用，2010（6）：25?28.

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[6] 中國百科網.直線位移傳感器原理[EB/OL].http：//www.chinabaike.com/m/z/1504811.html.

[7] 李曉飛，趙穎華.超靜定曲線梁的橫向位移解析解[C]//第十三屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅱ冊）.北京：中國力學學會工程力學編輯部，2004：468?471.

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[12] 韓笑，夏春蕾，戴曙光.基于.Net平臺的自動點名模塊的設計[J].信息技術，2013（11）：33?35.