基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測設計研究

陳 果，楊 益

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

作為交通運輸的關鍵環節，橋梁安全性將對人民生命財產安全產生直接影響。加強橋梁結構健康監測，在保障橋梁安全性的同時，可為橋梁檢修維護提供科學數據依據。隨著科學技術的發展，無線傳感器網絡能夠在橋梁結構健康監測中得到合理應用，為監測系統的實現提供支持。因此，還應加強橋梁結構健康監測設計研究，從而推動橋梁工程健康發展。

1 基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測

橋梁在使用過程中，結構會持續受到累積性和突發性破壞，導致橋梁安全受到威脅。為保證橋梁結構穩定性，需要對橋梁結構狀態進行監測，以便在發現結構達到危險標準時發出預警，確保結構得到及時檢修和維護。

在傳統監測系統中，使用有線方式連接前端傳感器，將數據傳輸至監控中心進行分析和存儲，完成結構健康狀態的科學評價。然而采取有線方式，受線纜布設等因素影響，測量點的布置將受到限制，導致測量數據完整性不強，無法滿足橋梁監測系統使用需求。

無線傳感技術作為互聯網行業發展熱點技術之一，具有高容錯率、高靈活性和低成本等特點，能夠降低信息傳輸成本。采用無線傳感技術進行現場網絡的組建，將大大節省監測系統現場實施所需的各類線纜部署時間，實現網絡靈活部署的同時使得傳感器安裝位置的選擇性更多，從而加快監測系統的實施效率。在保證監測系統智能化、自動化的同時，確保橋梁結構狀態得到實時、有效反映。

2 基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測設計

2.1 總體設計

在橋梁結構健康監測設計中，可以采用ZigBee 無線傳感器網絡。ZigBee 作為通信標準的一種，能夠對短距離、低數據傳輸率的無線通信協議進行定義，在組網上可以采取星型、網狀、樹形等多種結構形式[1]。從網絡節點組成上來看，包含數據采集節點、數據匯聚節點和監控中心節點。完成無線傳感器部署后，系統可以自動進行無線傳感器網絡的創建，確保采集到的數據能夠傳輸至監控中心節點。利用以太網，監控中心節點可以將數據傳輸至遠程服務器上，便于管理者查閱或進行后續分析處理。結合橋梁自身結構特征，可采用樹形網絡結構，在橋梁中心點位置完成數據匯聚節點布置，在兩側進行數據采集節點布置。數據采集節點處于網絡結構最底層，能夠以分簇形式獲取各個傳感器數據。在簇內，負責數據采集的有一個節點，需要對簇內其他節點進行調度管理。數據匯聚節點能夠將各簇信息匯聚起來，利用無線方式進行傳輸。監控中心節點根據數據接收需求選擇是否接入網絡，并按照權限進行數據查詢等操作的響應。實際對橋梁結構數據進行采集，需要利用分布在各處的節點傳感器對橋梁狀態信息進行監測，節點可以根據鏈路層地址完成唯一網絡地址的分配，并自動搜索最優抵達目的路由的路徑，完成下一地址自動跳轉。數據匯聚節點相當于通信中樞，能夠對各數據采集點進行聯系。監控中心節點可以完成整個網絡監測，對數據進行前端處理后傳送至服務器，如圖1 所示。

圖1 系統總體設計圖

2.2 硬件設計

（1）數據采集設計。在系統數據采集部分硬件設計上，包含了各類傳感器的布設和數據采集。某橋梁結構健康監測中在橋梁各個結構位置需要安裝的傳感器類型，以及對應的監測量如表1 所示。數據采集節點除包含各種傳感器外，集成了具有無線傳輸功能的微處理器（如JN5148），將傳感器采集到的各項數據發送給數據匯聚節點。

（2）數據傳輸設計。在數據傳輸設計上，采用的網絡由GPRS、主控單元和無線通訊三部分構成。采用GPRS 模塊，能夠對遠程數據服務器和數據通信進行連接。采用無線通訊模塊，相當于數據匯聚節點，能夠向前端節點發出各類信令，并對各節點數據進行接收。主控模塊負責監控中心節點運作，能夠確保無線通訊模塊和GPRS 模塊正常通訊。采用遠程接入方式，能夠使匯聚節點與監控中心節點順利實現數據交換。在實際設計中，需要使GPRS 模塊與Internet 互聯，利用網關和IP節點接入互聯網，向遠端用戶提供實時信息服務，完成互操作。采用CC2530 芯片實現網絡通訊，包含電源電路、I/O 接口電路等，能夠為2.4GHz IEEE.802.15.4 標準提供支持，可以滿足無線傳感器的低功耗要求[2]。該芯片能夠與無線傳感器網絡連接，對數據采集節點數據進行接收，并與互聯網協議相融合，為數據通信傳輸提供支持。匯聚節點可以發揮網關作用，同時可以作為互聯網的一個IP 節點，直接將數據傳輸至服務器中。在監控中心節點可以進行數據業務開通，利用公共移動通信平臺實現數據遠程通信。

表1 某橋梁結構健康監測傳感器布設表

（3）數據分析設計。監控中心設計需要負責進行系統各類數據分析和處理，對監測系統網絡進行配置管理，并提供人機交互界面，實現各類通信系統集成，保證系統收集的數據能夠得到可視化展示。針對橋梁結構各類監測數據，監控中心需要在數據庫中存儲，便于用戶進行實時數據和歷史數據查詢。數據處理可以采用VRS51L2070 處理器，擁有40MIPS 單周期8051 內核和多個數字外設，初始化后將處于空閑狀態，有數據傳遞將發生中斷響應，切換任務狀態，能夠減少節點能耗[3]。通過對數據進行智能化分析與處理，能夠獲取其中的關鍵信息，及時發現橋梁結構異常信息，確保突發情況能夠得到應對。在實際設計中，需要安裝報警系統，在監控中心完成信息處理和分析后，可以根據設定閾值確認是否發出報警指令，促使報警系統通過短信、郵件或APP 消息推送等方式進行報警。

2.3 軟件設計

在監測系統設計中，需要完成相應工具軟件開發，以便使系統能夠自動進行數據采集、傳輸和分析處理，為用戶查詢橋梁結構數據提供便利，并且能夠實現橋梁結構健康狀況評價。在數據采集程序設計上，系統需要確保各設備擁有一致開啟方式，并完成采樣速率的設定，以便實現各個網絡節點自動連接。系統節點可設計為在5min（或根據實際項目進行設置）內未接收到任何指令，將進行休眠，直至被中斷指令喚醒。完成數據采集后，節點將繼續休眠。監控中心能夠發送采集命令，促使各節點進行數據采集、傳輸。在系統數據傳輸程序設計上，通訊模塊需要在設定時間內完成數據發送，并對接收到的數據進行簡單處理后傳遞至監控中心。針對采集模塊發送的數據，通訊模塊需要先觸發中斷強求，在中斷服務中進行數據處理程序的調用，確認接收到的數據是否完整。判斷數據完整，可以做好數據接收準備，確認是否為節點應當接收的數據，確認無誤后進行數據接收。在發送數據時，通訊模塊經過初始化，確定發送數據格式幀是否正確。確認數據正確，將確認是否存在空閑信道。在找到空閑信道后，需要將發送緩沖區清空，然后將數據緩存，最后啟動射頻進行數據發送。在數據處理上，處理器可以實現相關算法調用，按照算法程序進行數據分析，并生成結果進行存儲。

3 結論

綜上所述，借助無線傳感器網絡實現橋梁結構健康狀況的監測，能夠在不同工況條件下進行橋梁狀態實時監測，并在監測值超出設定閾值時發出報警提示，確保橋梁得到及時維護和檢修。在設計監測系統時，還需加強系統硬件節點布置和應用程序設計，確保監測數據能夠得到匯聚和分析，保證監測系統正常運行，繼而為橋梁管理提供科學依據。