路橋隧道承壓報警傳感節點的設計與實現

(楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

路橋隧道作為橋梁重要承壓基座，其需要承受的壓力也是相當大的，由于橋梁在人們日常出行中扮演著重要的角色，其安全承壓對于改善我國道路交通和促進社會經濟發展等方面起著重要作用[1]。21世紀以來，承壓技術被廣泛應用到橋梁建設當中，隧道承壓能力越來越強大，路橋建設工程也取得了較大突破。隨著國內外許多大型路橋建設成功，其隧道承壓時間逐漸增加，在長期承受負荷作用和遭受自然環境影響的條件下，路橋結構會受到一定破壞，其危險性也隨之增加[2]。近幾年，橋梁隧道坍塌事故造成了很多的人員傷亡以及財產大量損失，也抑制了經濟發展和交通運行。為此，在長期監測路橋隧道承壓過程中，應及時對危險情況進行報警，以此保證人們生命以及財產安全。傳統方法采用對中繼節點均勻部署，傳感節點不參與所有數據傳輸的方法存在報警效率較低，能量消耗大等問題，無法實現路橋隧道承壓高效報警功能[3]。

為了解決上述問題，提出了路橋隧道承壓報警傳感節點的設計。根據數據獲取效率評價無線傳感節點部署的優劣，研究基于無線傳感節點能量消耗問題是延長傳感網絡使用壽命的最佳途徑。通過實驗驗證該方法合理性，并得出結論。本文設計的傳感節點報警效率高且能量消耗較小，可保證人們生命以及財產安全。

1 報警傳感節點整體設計

路橋隧道承壓報警傳感節點設計就是利用無線傳感通信技術和計算機技術對作用于路橋隧道外部環境進行監測并響應，通過評估承壓能力和損傷程度進行報警，以此來保證路橋隧道的安全運營。基本設計原理為：根據采集到的數據信息，利用無線傳輸技術將所有采集到數據通過無線傳感方式發送到監測報警中心進行存儲，其次對存儲的數據進行處理與分析，根據分析結果判斷是否需要報警。以該設計原理為基礎，對路橋隧道進行實時監測，針對傳感節點整體架構的設計如圖1所示。

圖1 傳感節點整體架構圖

傳感節點是以樹狀結構組成的網絡節點，對采集到的信息數據通過無線傳輸，任何一個節點都是采用低功耗局域網協議(ZIGBEE)進行通信的[4]，在監測中心主要通過連接數據線進行命令根節點的實時發送。根節點作為整個數據網絡的核心部分，其收到來自監測中心的控制命令后，再將自己的操作信息發送給子節點，子節點不斷重復該過程，直到網絡內部所有傳感節點和中繼節點都收到命令。收到命令的節點通過外部傳感器或者內置集成電路對傳感結構相關信息進行采集，并通過無線傳輸方式將數據發送到父節點，經過統一整理，再將父節點所有數據傳送到根節點，根節點再經過統一整理，將所有數據發送到監測報警中心。

監測報警中心是由PC主機和數據采集系統組成的，采集系統連接著大型數據庫，通過界面顯示可對數據庫中的全部信息進行實時操作，通過采集系統下達采集命令，無線傳感節點接收到命令后，對路橋隧道結構關鍵信息進行采集，并及時傳回。采集系統通過對PC主機串口數據的采集，能夠利用軟件功能界面顯示出數據波形，同時被插入到實時數據庫中，將采集到的數據全部儲存到數據中進行簡單數據分析，并以此為基礎展開傳感節點硬件和軟件部分的設計。

1.1 硬件設計

根據圖1傳感節點整體架構圖，設計傳感節點硬件。路橋隧道承壓報警傳感節點主要是由承壓報警傳感、無線單片機和傳感單元及接口電路三部分組成的。

1.1.1 承壓報警傳感模塊

承壓報警傳感模塊主要由報警傳感器和壓力比較器組成的，具體傳感設計如圖2所示。

圖2 承壓報警傳感模塊

報警傳感器工作電壓為10 V的直流電壓，為了方便報警處理，將路橋隧道承壓最大范圍對應的模擬電壓值與最小范圍模擬電壓值進行比較分析，并輸出二值數字信號，如果該值大于電壓閾值，那么說明需觸動報警裝置，指示燈閃爍；如果該值小于電壓閾值，那么說明無危險情況發生。

1.1.2 無線單片機模塊

為了使傳感節點硬件部分的設計更加簡單，采用微控制器和無線通信方式對無線單片機類型進行選擇。通常情況下，選擇具有集成能力強、小巧靈活的控制器，內部具有8位MCU和128位的可編程內存，并具有8 kb的隨機存取存儲器和具有獨立通道的14位數字信號轉換器，具有21個可編程的引腳，為此，單片機只需較少的外圍器件就能實現對數據的高效處理與存儲。單片機兼容了2.5 GHz的協議無線射頻芯片，僅僅需要少數的外部元件就能組成具有多個節點的無線傳感網絡[5]。報警傳感節點通過單片機內部的MCU通用引腳接收來自報警傳感器輸出信號，引用內部射頻模塊，將報警信息發送至監測中心。

1.1.3 傳感單元及接口電路模塊

傳感單元既包含加速度計、傾角計，又包含溫度傳感器，其中加速度計和傾角計為信號傳輸的主要模擬變量，溫度傳感器將輸出的信號轉變為數字形式。在傳感器單元中，加速度計主要作用是記錄路橋隧道振動的加速度信號[6]。該記錄方式有兩種，分別是力平衡式和三軸傳感器式，其中力平衡式記錄方法具有高分辨率、靈敏度強的優勢，可用于對橋梁進行常規監測，而三軸傳感器式記錄方法雖然靈敏度稍差一些，但是其體積小，攜帶方便，而且采用無線連接方式，可提高監測報警精準度。傾角計是對路橋隧道局部傾斜程度進行測量，由于模擬的傳感器采用的是將最終數據轉換為模擬信號的方式，無法將數據直接傳輸到微控制器中，為此需進行模數轉換。進行模數轉換的模擬傳感器有多個，因此在進行轉換前可采用模擬電路的方式來模擬多個通道，此時應用的通道接口電路設計如圖3所示。

圖3 路橋隧道電路

由圖3可知通道接口電路連接方式，以該電路為整個傳感節點設計的核心電路連接狀態，完成硬件部分的設計。

1.2 軟件設計

報警傳感節點軟件設計部分數據的采集和管理需要與嵌入式底層驅動進行信息交互，整個過程為無線傳感數據的采集提供了更加準確的數據。信息交互整個過程是將采集到的數據通過硬件相關程序完成發送，進而控制硬件完成相應軟件部分的設計。

1.2.1 通信協議

在傳感網絡組網時，需構建具有層次的網絡結構，由上層節點向下層節點傳輸信息時，分組信息需按照一定格式才能發送，為此在節點間定義無線通信協議。傳感節點需根據監測中心所下達的指令來執行相應操作[7]，因此定義通信協議確保傳感節點受到監測中心可靠控制。由于數據采集的可靠性直接關系著對數據的下一步分析，需保證無線傳感與數據采集中心數據傳輸的可靠性，也需定義無線通信協議，實際上也是最底層軟件與最高層軟件之間的信息傳輸。分別定義3種協議來規范傳感節點組網構成模式、執行動作和數據格式化打包。

1)分組協議定義：分組協議負責規范傳感節點組網構成模式，該模式包括幀信息、節點編號、父節點編號和字節等。

2)命令協議定義：命令協議負責規范執行動作，其中幀信息執行時需以“OXAA、OXSS”格式執行，并只占用4個字節[8]。命令式標識符將所有傳感節點接收到的操作指令下達到最底層，并執行。數據采集的頻率也是傳感節點采集數據的頻率，為此在執行命令時，需遵循頻率一致原則進行。

3)數據協議定義：數據通信協議包括幀頭與幀尾數據的采集，根據需求，數據幀可占用105個字節，經過自定義的通信協議數據幀格式也只占用了4個字節，經過采集中心獲取的數據包，需先判斷包頭格式是否標準，如果標準，則需保留；如果出現錯誤，則需丟棄。

針對數據包編號主要是為了方便記錄已經保存的數據包，該數據包共占用6個字節，采用傳感節點采集所需的數據，并利用模擬傳感器和數字傳感器傳輸方式將所有數據都傳輸到數據存儲區域，該區域共占字節88個。實時記錄采集數據包的時間點，將采集到的時間準確記錄有助于對數據的處理與分析，為報警提供更加準確的信息，該部分共占字節6個，單位為分秒。

1.2.2 數據采集

數據采集管理是監測中心的重要組成成分，具體設計如圖4所示。

圖4 數據采集功能構成框圖

利用無線傳感方式將采集到的數據傳輸到PC主機串口中，通過監聽，可準確獲取串口數據，并將其插入數據庫當中。該部分是基于C/S架構設計的，結合.NET技術研發而成[9]。經過采集后的數據需分配到登錄的界面、在線監測和定時數據包發射、界面操作、頻譜中依次進行分析與融合，為傳感節點部署提供可靠依據。

1.2.3 傳感節點部署的實現

結合路橋隧道特點，傳感節點數據是通過由遠及近進行傳輸的，并最終保留在基站中，通常情況下只在單側面部署傳感器，進而形成一條具有線性網絡結構的傳感形式，根據結構特性對傳感節點位置進行部署，由于位置都是相對固定的，假設網絡是由n個傳感節點和m各中繼節點組成的，如圖5所示。

圖5 報警傳感節點部署

路橋隧道結構報警傳感節點具有以下屬性：

1)傳感節點按照其工作性能可分為中繼節點和傳感節點兩種，其中中繼節點主要負責對數據采集，并存儲；傳感節點主要負責對數據傳輸。在網絡中，任何一個節點都是靜態的，不會發生變動，每個節點的能量都是有限的，如果節點能量消耗殆盡，那么該節點就不能繼續工作。

2)將n個傳感節點位置固定后，每一個節點都是具有唯一屬性編碼的ID，可表示為Ai(i=1,..,n)，傳感節點采集數據時是具有一定規律的，呈周期性采集方式。將采集后的數據采用多層跳躍方式傳輸到基站中，任何一個節點進行采樣的數據都會產生獨特的頻率。

3)在Ai和Ai-1之間具有mi個中繼節點，編號依次為Bi,1，Bi,2，…，Bi,m。Ai和Ai-1之間距離為si,A。

4)任何節點初始能量是相同的，但是隨著數據的傳輸，節點能量肯定會消耗，該消耗主要是用在數據的發送與接收，路橋隧道報警中的傳感節點采樣頻率比正常頻率要高得多，相比于數據的發送與接收，采集時能量消耗可忽略不計。

5)根據數據傳輸時，節點接收距離的遠近可調整發射效率來節約能量消耗，比如在100個發射等級中，如果中間出現一個完美的數據鏈路，那么進行數據傳輸時是不需要考慮數據重傳問題的。

6)任何兩個傳感節點之間都會存在著一個最大數據傳輸距離。

2 實驗

為了驗證路橋隧道承壓報警傳感節點設計的合理性進行了如下實驗。

2.1 實驗環境

假設利用無線加速傳感器對路橋隧道進行承壓報警測試，傳感器在橋面一側沿著隧道縱向設計，進而形成一個具有線性屬性的網絡結構，不同傳感節點布置如圖6所示。

圖6 傳感節點部署

為了使實驗環境變得更加普通，選取不同傳感節點的不同數據采樣頻率，具體采樣結果如表1所示。

表1 傳感節點采樣頻率結果

結合路橋隧道結構進行實驗的實際情況，無線傳感節點參數設置如表2所示。

表2 無線傳感實驗參數設置

2.2 實驗結果與分析

針對結果的測定，需將傳統設計方法與改進設計方法進行對比：

傳統方法：針對中繼節點采用均勻設計方式，傳感節點不參與所有數據傳輸時的節點布置；

改進方法：充分考慮數據獲取效率節點設計情況。

傳統方法中設計的中繼節點選取數量與改進設計的獲取效率所計算結果是一致的，方便實驗對比。即使在實驗過程中，節點都是均勻設計的，但是由于傳感節點位置是固定的，為此中繼節點的數量也是有限的，一定要按照不同傳感節點之間的中繼節點數量進行均勻部署。傳統設計方法使按照傳感節點中的A4位置以及A4和 A3之間的中繼節點能源消耗一致原則來確定兩個中繼節點之間的距離，剩下其它節點之間的距離都是按照數據轉發量成反比的原則進行部署的。將傳統設計效果與改進設計效果進行對比，結果如表3所示。

表3 兩種設計方法節點部署結果

由表3可知：采用傳統設計方法無論是部署時間還是數據獲取效率都不如改進設計方法，比較兩種設計方案，改進設計方法綜合考慮了無線傳感節點設計的成本和數據獲取效率，能夠獲得比較優秀的無線傳感節點性能。

為了使實驗結果更加可靠，將傳統設計方法與改進設計方法對報警所耗費的能量進行對比，結果如圖7所示。

圖7 兩種方法報警耗費能量對比結果

由圖7可知：采用傳統方法對報警傳感節點進行設計時，消耗能量較大，而改進方法對報警傳感節點進行設計時，消耗能量較小。

2.3 實驗結論

根據實驗內容，將傳統設計方法與改進設計方法進行對比結果可知，采用傳統設計方法無論是部署時間還是數據獲取效率都不如改進設計方法，比較兩種設計方案，改進方法綜合考慮了無線傳感節點設計的成本和數據獲取效率，能夠獲得比較優秀的無線傳感節點性能。相對于能量消耗情況，采用傳統方法的報警傳感節點設計消耗能量較大，而改進方法報警傳感節點設計消耗能量較小。由此可知，改進設計方法報警效率較高，且能量消耗較小。

3 結束語

對于路橋隧道承壓報警傳感節點的設計與實現進行了研究，通過整體設計和實驗結論可知：根據無線傳感器性能評價指標可提高數據獲取效率，充分考慮無線傳感成本，其節點能源消耗的均勻性以及獲取的網絡結構是具有合理性的，能夠有效評價傳感節點設計性能。通過詳細分析可計算出報警傳感節點設計所消耗的能量，并由此獲取傳感節點與中繼節點位置，通過實驗驗證，該設計方法是具有合理性的。