基于ZigBee桥梁结构健康监测数据采集系统

范杰等

【摘 要】桥梁的建设和维护是国家基础设施建设的重要组成部分，桥梁健康监测技术能有效的保证桥梁的安全运营，保障人民群众的生命财产安全。桥梁健康监测系统通过对桥梁结构状态的监测与分析，为桥梁在特殊气候、复杂交通环境下和桥梁结构状况异常时发布预警信号，为桥梁的管理、养护与维修提供科学的依据。目前国内外桥梁监测系统大多为有线网络系统，存在着网络安装布线成本高昂、设备移动和网络结构灵活性差、节点智能化程度低等问题。为此，本文提出并设计实现了基于ZigBee桥梁结构健康监测数据采集系统。本项目研发一种基于Zigbee桥梁结构健康监测数据采集终端系统，该数据采集终端由传感节点与汇聚网关节点构成。实验证明，相比于传统有线的监测方法和数据采集系统，基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。

【关键词】桥梁健康监测；无线传感器网络；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

桥梁在几十年、甚至上百年的使用过程中，结构长期承受交通荷载的作用，严酷自然环境的侵蚀，自然灾害和人为因素等的祸合作用，不可避免地导致桥梁结构出现各种损伤现象，抗力衰减，使得结构承受力与安全性降低，引发灾难性突发事故。全国规律普查结果显示，有相当一部分的桥梁存在不同程度的损伤，1951年美国金门大桥在风速振动下造成桥体损伤，1994年韩国圣水大桥段塌，台湾的高屏大桥拦腰断裂，还有我国的彩虹桥，宜宾南门大桥等一系列令人触目惊心的桥梁坍塌事故，提醒我们必须要重视桥梁的定期健康检测与安全评估，及危桥的损伤检测和监控，争取消除隐患。所以对桥梁进行定期维护和检修，对其健康状况进行监测和评价，掌握其健康状况是有重要意义的。桥梁结构的检测、监测也就成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。

随着传感器、通信、计算机、信号处理以及人工智能等技术的迅速发展，人们开始研究基于信息技术的桥梁结构健康监测系统，桥梁工程领域开始考虑一些能够在不影响桥梁结构正常使用状态下的可长期实时观测累积损伤状态的技术和方法，以便对服役期间的桥梁安全状况进行长期实时在线监测，为进一步的维护管理提供正确的决策。

1 绪论

1.1 无线传感器网络研究综述

1.1.1 无线传感器网络概述

传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。随着它们的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和宇航各个领域。这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络应用而生。

无线传感网络节点具有局部信号处理的功能，将传统的串行处理、集中决策的系统变成并行的分布式处理，提高了检测系统的运行速度和灵活性。另外，无线传感网络组成的分布式监测系统最大程度地减少了器件连线，减低了系统的搭建、维修费用和难度。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，能够协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络结构如图1所示。

1.1.2 无线传感器网络应用于桥梁监测中的优势

无线传感网络是当前国内外工程领域的研究热点，节点具有功耗低、体积小、系统安全性高、稳定性、可靠性和实时性好的特点。将无线传感技术应用于桥梁健康监测系统，有利于整个系统的小型化，低成本，智能化。通过无线网络实现数据的采集和发送，可以提高系统安装的方便性和可移动性，并使监测系统可方便地应用于各种桥梁结构健康监测系统中。与传统监测手段相比，具有以下明显优势：

1）构成自组织动态网络，无需人工干涉自动组网，适应长期工作的需要。传感器可自动加入、断开网络，方便监测点位置的改变。

2）传感器节点数量大，分布密度高，使得网络数据采集量大，精度高增加了系统监测的精度和稳定性。

3）传感器节点具有无线通信能力，并且支持多跳技术，能实现健康监测的远程监测，减少现场布线的工作量，移动灵活。

4）健康监测中的监测对象不尽相同，传感器节点具备良好的灵活性，可以配接各种类型的传感器，满足监测的不同应用。

为了满足桥梁长期健康监测的要求，构建合理、高效的监测网络，充分发挥无线传感器网络的优势，选择合适的无线通信协议是至关重要的，本课题选择Zigbee作为无线环境监测网络的通信协议。

1.2 Zigbee协议概述

1.2.1 Zigbee技术的特点

作为一种流行的无线传感器网络协议，相对于其他无线网络协议来说，Zigbee协议具备很多自身的特点，这些特点保证了Zigbee能够很好地运行在无线传感器网络的环境中，同时得到广泛应用。Zigbee协议主要有如下的特点：

1）低功耗

2）低成本

3）通信可靠

4）网络的自组织，自愈能力强

5）网络容量大

6）低速率

7）近距离

8）数据安全

1.2.2 Zigbee与其他几种无线通信协议的比较

表1给出了几种无线通信技术标准的比较。可以看出，它们各有特点，也决定了它们的应用领域是不同的。

桥梁健康监测系统所传输的数据量小，传输速率低，要求传输设备成本低，功耗小，系统所使用的终端设备通常采用电池供电。Zigbee技术更符合这些特点。

基于Zigbee技术的无线传感器网络，具有功耗低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等特性。在固定的时间间隔传输数据的低速率特性，满足健康监测中，以一定的采集频率，将各个传感器节点周期性采集到监测数据，传送至监控中心进行分析和处理。相比其他无线网络技术，Zigbee技术更适合在桥梁健康监测中应用。

2 基于Zigbee的无线传感器网络监测系统总体设计

2.1 桥梁健康监测要求

反映桥梁健康状况需要监测的内容指标很多，如果全面监测难免给健康监测系统造成硬件庞大、数据繁杂，处理数据不可靠等缺陷。因此在监测指标上，应根据桥型选择最能反映桥梁健康状况的指标。基于通常桥梁监测指标的选择是在基于“桥梁本身安全”的情况下，主要监测指标如下：

1）环境温度及桥上温度分布监测

2）主梁应力监测

3）挠度监测

4）振动监测

应力、挠度、振动、温度是对桥梁进行长期健康监测和健康评估的主要指标，对桥梁重点部位的这些指标进行实时监测有助于了解桥面系的受力状况，桥梁的刚度性能，间接反映桥梁的稳定性，并及时准确地提供桥梁结构的实际状态数据。便于及时发现桥梁的结构损伤与质量退化，对大桥的结构安全做出准确评价，保证大桥安全运营，并为桥梁维护、管理决策提供可信的科学依据。

2.2 桥梁健康监测系统的组成

一套结构和性能都称得上完整的桥梁健康监测系统是由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。

桥梁健康状况实时监测的系统构建如图2所示，该传感器网络感知层由若干传感器节点、若干路由器节点、汇集节点和网关构成。

感知层利用Z-STACK协议栈构建传感器网络协议，各传感器节点采集应力、挠度、沉降等桥梁参数经过路由器节点发送数据至汇集节点，汇集节点（协调器）一方面创建并维护网络运行，另一方面把各节点传送的数据送入网关，网关通过GPRS模块—SIM300将感知网络接入Internet，将数据通过Internet 传输至远程计算机进行分析处理，实现远程无线监控。

2.2.1 传感采集子系统

传感器节点采用TI公司的CC2430芯片为核心，结构如图3所示，倾角、应变和沉降值等模拟信号送入到CC2430中转换成数字量，再将这些信息通过天线发送至无线传感网络子系统。

2.2.2 无线传感网络子系统

无线传感网络由天线和GPRS组成。无线传感网络也称为网关节点，结构如图4所示，网关节点当中的cc2430以无线方式接收若干节点所发送过来的数据，将这些数据送到LM3S8962里，ARM板利用SIM300接入Internet，把接收的数据通过Internet发送到远程端。

图4 网关节点结构

2.2.3 终端监控子系统

终端监控子系统是整个系统中的数据接收、处理系统，主要由中继节点与用户应用软件组成，中继节点负责把整个网络的采集数据通过串口通信保存在数据管理系统的数据库内，实现数据的长期保存和备份，对结构状态的实时跟踪，实现结构信息的可视化和决策数据库的智能化。

3 其他关键问题

3.1 加强基础和试验研

通过对各类桥梁的检测数据收集，并依据各类桥梁不同部位常见病害及其原因的分析，将现代测试技术和数学方法应用于桥梁安全评价之中，重点研究各类特征量与病害之间的关系及其门槛值的设置原则，建立常见类型桥梁安全的评价模型。

3.2 注重特征参量测量与监测设备的系统配置

桥梁承载能力状态的变化将直接影响其安全运营，如何测量桥梁关键部位的特征参量的变化，并根据所建立的评定模型或评定标准值判断桥梁的运营状态及病害原因和程度，对桥梁的安全给出适应的评价，配置系列仪器对关键部位特征参数进行监测是桥梁状态（或健康或病害）评估的关键。

3.3 充分发挥专家系统的作用

根据桥梁状态监测结果，组织桥梁设计、施工、监测、维护、管理等专家，对桥梁安全监测与维护中的相关问题进行研讨与评价，并提出维护方案，或者由依据专家经验建立的桥梁状态监测、病害原因及程度、安全评价与维护等相互关联的专家系统进行桥梁安全评价并给出维护方案。

4 结束语

无线传感器网络系统由于没有了布线的束缚，使其可监测的范围大大得到了扩展。原来只能对大型结构的部分特性进行监控，对全局的特性只能通过一些算法进行推算或者根本无法获得。另外，在监控现场布线往往费时费力，还影响其他工种的施工作业。采用无线传感器网络系统能够在大范围的空间中监测大型结构的健康状况在局部作业时，布置监测点方便，也不会影响到其他工种的作业。另外无线传感网络组成的分布式监测系统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，在未来的监测系统发挥重要的作用。

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[责任编辑：薛俊歌]