无线结构健康监测系统设计

戴亚文,邱 航,李小强,彭 磊

(武汉理工大学理学院,湖北武汉430070)

0 引言

多年来频繁发生的地震、洪水等地质灾害造成近年结构工程事故频繁发生,如桥梁折断、房屋倒塌等,不仅造成了国家和人民巨大的财产损失而且威胁了人民的生命安全,引起人们对重大工程结构安全性的重视,因此迫切地需要建设经济合理的大型结构工程生命周期内的结构健康诊断系统。传统的健康诊断系统不仅工程施工复杂、工作量大、投资大、系统维护更新费用高,而且在使用过程中极易出现故障,影响监测的正常进行,因此国内外学者提出了基于无线传感网络的结构健康监测系统[1]。

1 无线网络监测系统结构

基于无线传感网络的结构健康监测系统主要由4个子功能系统组成[2]:传感器系统、信息采集与处理系统、无线网络通信与传输系统、信息分析和监控系统。系统充分考虑了结构健康监测的特殊应用环境(布点固定、采集精度高、采样频率快、节点不易更换、施工难度较大等特点),分别从系统硬件设备和软件网络协议2个主要方面进行设计开发,最大程度地满足了“健康监测系统的设计须遵循功能要求和效益-成本分析”两大准则。

该系统硬件设备从功能上可分为子节点(包括传感器及采集系统、无线数据发送系统及电源管理系统)和主节点(包括无线数据接收系统)。传感器部分为了测试系统精度,选取了测试专用的等效应变源,此外也可根据不同的需要选用其他类型的传感器(如已经在该系统使用的加速度传感器,或者温度、湿度及有害气体传感器等);数据采集器可将传感器检测到的模拟电压信号转换成数字信号,并通过数据发射器发送出去;电源管理系统将新型的太阳能技术应用于无线传感网络,大大延长了系统子节点使用时间,降低了后期维护成本;无线数据接收系统负责发送各种控制命令给各个无线数据发射器,并且负责接收各个数据发射器发送来的应变信号,并由RS232串口传输到以太网网关或者计算机中,并以可视化方式将监测数据、分析结果显示出来。

软件网络协议主要可分为上位机软件和网络协议部分。上位机软件主要用于界面监控、人机交互以及数据处理仿真等;网络协议部分是根据实际需求和应用背景特定设计开发的“无线结构健康监测网络”(Wireless Sensor Network for Structural Health Monitoring,SHM's WSN)。数据通过这种 SHM's WSN网络的传输,使系统具备了实际应用的要求,而且具有超低功耗、实时性强、高精度、健壮的鲁棒性等特点。

2 系统硬件设备

本无线结构健康监测系统由多个子节点和1个主节点构成。子节点将传感器、采集系统和发送系统模块化集成,方便工程应用的同时,大大降低了成本。主节点与PC机服务器或者以太网网关相连,使得远程监控和历史数据存储成为可能。

2.1 子节点系统构成

2.1.1 传感器及采集系统设计

传感器及采集系统主要负责将传感器产生的模拟信号,经放大和滤波电路处理后,用24位高精度芯片AD7714转化成数字信号[3]。

由于传感器(应变片等)输出的信号一般都很微弱,只有几mV,为了降低AD7714内部噪声对采样结果的影响,系统不使用其内部放大控制。由于应变信号是差分信号,综合当今差分放大器增益的瓶颈问题以及多级放大容易引入干扰等因素,本设计选用的是AD623精密仪表信号放大芯片,从而保证了最小误差采样。为了降低系统噪声和干扰,系统通过MAX7414进行硬件滤波,并在设计PCB板时将数字地和模拟地分离来减小系统的自干扰,有效提高了AD7714采样精度。

2.1.2 无线发送系统设计

无线通信模块电路包括CC2430芯片及其相关外围电路。由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中,因而简化了电路的设计过程,省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计,缩短了研发周期[4]。为了降低系统能耗,无线通信模块在不工作时设计为休眠模式。

2.1.3 电源管理系统设计

子节点采用锂电池作为电源,利用太阳能进行充电。本设计采用的太阳能电池板工作电压为4.5 V,短路电流0.4A,可以弯曲,易于安装,提供的电能经CN3063转换并存储于锂电池中。

电池电压经转换电路变为3.3 V的稳定电压供给无线通信模块工作,通过无线通信模块中CC2430单片机I/O口输出高低电平控制应变片、放大器、滤波芯片、AD芯片供电。这样当无线通信模块唤醒时,就可以使能传感器进行正常的信号采集;当无线通信模块休眠时,信号采集也同步停止,从而降低整个节点系统能耗。子节点系统功能模型如图1所示。

图1 子节点系统功能模型

2.2 主节点系统构成

主节点的实现方法和设计原理与子节点基本相同,但是主节点端没有传感器、采集模块和电源管理模块,只有一个负责接收数据和命令、发送指令的无线通信模块。其主控芯片仍然是CC2430,而且充分考虑了实际工程应用的要求,针对不同的需要,设计出2种系统实现方案:

①远程监控模式。无线通信模块通过串口将数据交给以太网网关,客户计算机通过配置IP访问网关,进行数据收发,这样便实现了远程监控,使得监控地点的选择更加灵活;

②现场监控模式。无线通信模块通过串口直接连接计算机或者笔记本电脑,鉴于现今大多便携电脑没有 com口,为了增加适用性,特别使用CP2102,将串口转换为USB口,并测试成功。

3 软件网络协议设计及测试结果

针对结构健康监测布点固定且不易更换、采集精度高和频率快等特点,开发出一套“无线结构健康监测网络”(SHM's WSN)协议栈,并在上位机软件部分对数据进行了方案成熟的纠错、处理、分析等操作。

3.1 网络协议设计

由于以上特殊性的存在,系统通信协议对TDMA、时间同步、休眠等进行了借鉴与融合,形成了一套较为实用且精简的网络通信协议。协议栈程序流程图如图2所示。

图2 协议栈程序流程

系统硬件在完成初始化后,先由主节点组建网络,子节点探测并加入网络;网络建立成功,主节点下发“搜索节点”命令,确定每个节点都可以正常工作;如果子节点应答正常,全网将进行第一次时间同步,此时可以通过上位机监控软件下发采集命令,进行采集;当子节点完成采集和传输后,将等待2 min,如果在这期间再次收到工作指令,将继续完成部署任务,否则其将进入休眠状态;进入休眠后,子节点每30 ms将醒来侦听同步命令和唤醒命令,如果没有唤醒指令下达,将继续休眠,反之则进入待采集状态等待采集命令。

通过SHM's WSN进行数据传输,使系统具有针对于实际应用的特点:

①数据科学性。由于结构健康监测中的数据非常强调“同时性”,即不同节点在“同一时刻”采集到的数据才具有参考和分析的价值。所以为了保证数据的科学性,协议结合TDMA和时间同步技术,专门分配一个同步时隙供全网节点更新本地时间,以保证数据“同时”采集;

②高可靠性。每个子节点MCU在将采集数据发送给主节点之前,都会在数据包中加入时间戳和时间序列。监控软件可根据这些信息,对各子节点数据包进行整理分析,以避免传输过程丢包、误码等情况,从而保证数据的真实可靠;

③工程实用性。系统有一套较为完善的超低功耗处理机制,以延长每个子节点使用寿命,降低后期维护成本。为此,设计中加入了休眠机制,在没有采集任务的情况下,便进入休眠状态,此时子节点电流由30 mA降至10 μ A,保证了长时间工作的需要;

④方案的可行性。通过对仿真实验和实际测试结果的分析,系统在数据采集精度、时间、效率等方面均可以达到预期效果,相关测试结果将在本文最后详细给出。

3.2 上位机软件设计

该系统的监控和分析软件是在NI公司Labview平台上编写的,该软件主要负责管理网络通信节点、存储数据和发送命令等任务,并有较为友好的人机交互界面。用户可以通过软件中的数据处理模块对数据进行滤波、FFT运算和小波变换等各种分析处理[5]。

3.3 实现方案的测试结果

方案可行性测试。通过多次、不同环境、长时间的试验,整个系统仍然可以正常地完成部署任务,说明其具有良好的稳定性和实用性。

系统性能测试。系统将等效应变源的应变采集标定后,所得出的结果与实际应变相差0.114 5个应变量(y=0.114 5x),精度满足实际工程要求。应变采样测试图如图3所示。

图3 应变采样测试图

4 结束语

无线传感器网络系统由于没有了布线的束缚,布置监测点方便,也不会影响到其他工种的作业,使其可监测的范围大大得到了扩展。实际工程中分布式网络节点最大程度地减少了器件连线,降低了系统的搭建、维修费用和难度,是未来的监测系统发展的必然趋势。

基于上述理论和应用要求,介绍了一种新型的“无线传感器网络结构健康监测系统”。系统中节点集成度较高、体积较小、功耗较低、传输距离和可靠性都能满足无线传感器网络中的传输要求,并通过专属定制的网络通信协议SHM's WSN进行通信,而且进一步完成了一套较为完善的上位机测试软件编写工作。试验测试表明本文设计的无线传感器网络结构健康监测系统取得了良好的效果。

[1]裴 强,郭 迅,张敏政.桥梁健康监测及诊断研究综述[J].地震工程与工程振动,2003,23(2):61-67.

[2]李爱群,缪长青,李兆霞.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报,2003,33(5):544-548.

[3]刘雅举,蔡振江,张 莉,等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息,2007,3(8):167-168.

[4]ANDERSEN A.Implementationof Microstrip Balun for CC2420 and CC243x[R],2006.

[5]杨乐平,李海涛,赵 勇,等.LabVIEW 高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003:160-162.