基于WSNs的混凝土中钢筋腐蚀度无线监测系统设计*

王 袁， 俞阿龙， 李倩倩， 韩 浩

(1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021；2.淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院，江苏 淮安 223300；3.南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816)



基于WSNs的混凝土中钢筋腐蚀度无线监测系统设计*

王 袁1， 俞阿龙2， 李倩倩3， 韩 浩1

(1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021；2.淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院，江苏 淮安 223300；3.南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816)

针对钢筋腐蚀传统监测方法的不足，提出了一种基于无线传感器网络(WSNs)的混凝土中钢筋腐蚀度远程监测系统的设计方案。该系统将WSNs技术与监测钢筋腐蚀的电化学方法相结合，利用MnO2全固态参比电极来跟踪测量混凝土结构中钢筋的腐蚀电位，选用低功耗芯片CC2530作为WSNs节点的射频收发器，将WSNs节点采集到的电位信号通过WCDMA网络和Internet发送到上位机，上位机采用LabVIEW软件设计一种人性化的监测界面，显示采集的混凝土钢筋腐蚀信息。实验结果表明：该系统采集到的电位信号能够较好地反映钢筋腐蚀程度，性能稳定，可靠性较强。

钢筋腐蚀度； 无线传感器网络； CC2530； LabVIEW

0 引 言

混凝土的耐久性问题已是当今土木工程领域的重大问题，而钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的重要因素。从国家安监局官网获悉，最近5年，全国至少有17座大桥发生垮塌，造成伤亡近300人[1]，其中，由钢筋腐蚀引起的混凝土破坏相当普遍。

目前，半电池电位法、线性极化法、交流阻抗法、宏电池腐蚀电流法等电化学方法已成为国内外研究钢筋腐蚀度的热点方法[2]， 但是这些方法都尚未实现实时动态连续监测，而大体积混凝土需要测量部位多并且需要长时间监测，因此，测试人员的工作量相当大。美国Texas大学利用电磁振荡电路实现了混凝土钢筋腐蚀电信号的无线传输[3]，但是传输距离有限，且信号易受干扰。随着无线传感器网络(WSNs)技术的发展和完善，把WSNs技术与现有的电化学检测技术相结合，构建混凝土钢筋腐蚀度无线远程监测系统，对混凝土结构中钢筋腐蚀监测具有重大意义。

本文设计引入工程耐受性强的全固态MnO2参比电极作为混凝土钢筋腐蚀监测探头，采用CC2530芯片作为WSNs节点的射频收发模块，组建基于Zig Bee的WSNs，无线监测钢筋腐蚀电位值。

1 系统总体设计方案

混凝土钢筋腐蚀度监测系统由传感器数据采集节点、嵌入式网关和远程数据监测中心三部分构成，系统结构图如图1所示。本系统将传感器节点布设在混凝土结构测试区的各个测试点，采集大型混凝土结构中钢筋的腐蚀电位值并对数据进行处理，然后将数据发送给协调器节点，协调器节点将收到的数据进行处理和分析，再通过WCDMA或Internet通信方式将数据发送到远程监控中心。最后，监测管理中心对接收到的数据进行存储、处理和分析，并在上位机软件上显示混凝土结构中钢筋的腐蚀情况。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 无线传感器节点设计

无线传感器节点是组成WSNs的基本单元，由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块组成[4]，其结构如图2所示。

图2 传感器节点结构图

2.1.1 前端信息采集单元

钢筋锈蚀时会在其表面形成具有不同电位的阴极区和阳极区，通过测量钢筋和参比电极之间的电位差，即可判断混凝土内钢筋锈蚀状态[5]。因为不同环境下混凝土内部环境差异大(如温度、湿度、酸碱度等)，所以,需要选择工程耐受性强的电极作为参比电极。鉴于MnO2参比电极寿命长、免维修、抗冰冻，且电位长期稳定，前端采集单元通过在混凝土结构中埋设MnO2参比电极来读取钢筋的腐蚀电位，然后经过A/D转换送至数据处理模块。

本设计中，混凝土钢筋腐蚀监测探头选用厦门乐钢材料科技有限公司MORE—2型全固态MnO2电极，不仅适用于潮湿或干燥的混凝土，而且适用于已氯化、已碳酸化的混凝土结构。

2.1.2 数据处理和无线通信模块

数据处理和无线通信模块采用TI公司高性能低功耗的CC2530芯片。该芯片结合了高性能的RF收发器，增强型的80C51微处理器，8kB的RAM，多种闪存容量，以及其他强大的支持功能和外设[6]。此外，CC2530具有不同的工作方式，根据有无信号，在工作模式和睡眠状态之间快速切换，这为支持低功耗无线通信提供了可能性。

2.2 嵌入式网关硬件设计

嵌入式网关负责将各个传感器节点采集到的信息通过WCDMA发送给远程监测中心。由无线收发模块、数据处理模块、WCDMA无线通信模块和电源模块四部分构成[7]，其硬件框图如图3所示。无线收发模块由CC2530构成，主要是把传感器节点发送过来的数据传送至数据处理存储模块。数据处理存储模块由ARM9微处理器和存储器组成，其中ARM9微处理器选择三星公司基于ARM920T内核的S3C2440A，该芯片拥有高性能低功耗的优点，且具有优越的信号处理和控制能力。在无线通信模块，本文采用基于GSM MAP核心网，UUTRAN为无线接口的WCDMA技术。WCDMA采用最新的一部传输模式(ATM)微信元传输协议，利用自适应天线和微小区技术，大大提高了系统容量。

图3 嵌入式网关硬件框图

2.3 电源模块设计

对于大型混凝土结构，需要布设的传感器节点相对较多，架设电线数量随之增多，不仅成本高，而且给现场带来许多不便。因此，本文采用12 V可充电锂电池供电。为了提高CC2530芯片的电压精度，本设计以CC2530芯片的电源电压为参考，选用电源集成电路LM317将12V调成3.3 V，其电路图如图4所示。 LM317是普通的可调集成稳压器，最大输出电流为2.2 A，输出电压范围为1.25～37 V, 1,2脚之间为1.25 V电压基准[8]。为保证稳压器的输出性能，R1的阻值应小于240 Ω。改变R2的阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317。

图4 电源电路图

3 系统软件设计

3.1 无线传感器节点的软件设计

无线传感器节点负责采集混凝土结构中钢筋腐蚀产生的腐蚀电位差信息，并将采集到的数据发送给嵌入式网关。由于混凝土中钢筋的锈蚀是一个缓慢的过程，这就要求节点必须具备良好的低功耗性能才能长期监测，因此，本文所设计的混凝土钢筋腐蚀度监测系统中，传感器节点在预定的检测时间内工作。当到达预定检测时间时，激活传感器节点并初始化，采集数据，完成数据处理并发送后，系统继续进入休眠状态，等待下次预定检测时间[9]。传感器节点的流程图如图5所示。

图5 传感器节点流程图

3.2 嵌入式网关的软件设计

嵌入式网关主要是负责组建网络和管理整个系统的资源，主要由网关协调器和WCDMA模块构成。当组网成功后，当到了预定检测时间时，协调器向传感器节点发送节点查询请求，再把接收到的数据进行处理并存储，然后通过WCDMA模块发送给远程监测中心。嵌入式网关的流程图如图6所示。

图6 嵌入式网关流程图

3.3 上位机软件设计

远程监测中心的上位机界面采用图形化软件LabVIEW进行设计。该监测系统的上位机显示界面可以实时显示采集到的混凝土中钢筋的腐蚀电位，并将其进行处理和存储，不同的电位值范围对应着钢筋不同的锈蚀程度，通过不同颜色的指示灯亮灭情况，以便提醒工作人员。上位机软件流程图如图7所示。

图7 上位机流程图

4 实验与结果分析

4.1 测试方案

在混凝土试件的制作上，水泥、沙子、水比例按照1∶1∶0.5 浇筑混凝土试件，实验所用的水泥选择海螺水泥P.C32.5，试件尺寸为150 mm×100 mm×60 mm，内置一根普通钢筋和一个MnO2固态参比电极。试件结构如图8所示。制配饱和NaOH溶液用来模拟混凝土结构中的孔隙溶液。由于钢筋在强碱性的混凝土中呈钝态，不容易遭受锈蚀，因此,在饱和Ca(OH)2溶液中加入一定浓度的NaCl溶液，再把制备好的混凝土试件放在该复合溶液中养护30 d，以加快其锈蚀。

图8 试件结构图

目前，混凝土结构中钢筋锈蚀度的无线监测技术尚不成熟，大多数仍停留在实验室阶段，相应的评价标准也比较单一，其中，表1是以饱和甘汞为参比电极的腐蚀电位评估钢筋腐蚀状态的标准，MnO2与饱和甘汞参比电极之间有个固定电位差，约300 mV，对它们之间的电位差进行补偿，即可得到本系统测出的钢筋腐蚀程度判定标定。

表1 腐蚀电位评估钢筋腐蚀状态的标准

Tab 1 Criteria for corrosion potential to evaluate corrosion state of reinforcement

注：表中电位水平为采用饱和甘汞作参比电极时的测量值

4.2 测试方法与仪器

实验过程中除了通过在混凝土试件中埋设钢筋腐蚀监测探头进行测试外，还要使用PS—6型钢筋腐蚀测定仪进行测试，以钢筋腐蚀测定仪测试的结果作为参考。

4.3 测试结果与分析

按照上述测试方案进行实验，测试时温度控制在20 ℃左右。由于钢筋锈蚀速度比较缓慢，因此，每隔5 d用本文介绍的方法和钢筋测定仪分别测试一次混凝土试件中钢筋的腐蚀电位。测试结果数据如表2，从测试结果可知，通过埋设钢筋腐蚀监测探头测得的电位值变化与钢筋腐蚀测定仪测得的电位变化趋势基本一致，两种方法测得的电位值相差不大。由于混凝土结构中钢筋的腐蚀速度很缓慢，短时间内钢筋仍处于轻度锈蚀状态。

表2 试件腐蚀电位测试结果

Tab 2 Results of specimens corrosion potential test

时间(d)参比电极测试电位(mV)Ps-6测试电位(mV)0-230-2095-226-20810-240-21915-248-23020-239-22825-251-24130-265-23935-272-25140-284-26745-296-26050-303-27255-341-27860-362-28565-358-29370-376-308

5 结 论

本文将WSNs技术应用在混凝土钢筋腐蚀度监测中，可以提高混凝土结构中钢筋腐蚀检测的效率，能对大体积混凝土结构建筑进行实时、连续、无线监测，自动采集钢筋腐蚀度的参数，并对采集的数据进行实时处理和存储。工作人员在远程监测中心可以直接查看历史数据和钢筋腐蚀变化曲线，且钢筋腐蚀概率在不同水平时，上位机界面将有不同颜色的警示灯闪烁，以提醒工作人员,实时监测钢筋腐蚀度，为评估大型混凝土结构的耐久性提供重要的依据。

[1] 康旻楠.钢筋混凝土的钢筋腐蚀现状调查与原因探究[J].科技与企业，2013(8)：147-148.

[2] 熊传胜，蒋林华，王维春，等.混凝土中钢筋腐蚀实时监测研究现状及展望[J].材料导报A，2012,26(6)：102-103.

[3] 杨桂新，吴 瑾，吴文操.混凝土结构中钢筋腐蚀监测无线传感器[J].仪器仪表学报，2009,30(6)：1153-1155.

[4] 李善仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008:216-217.

[5] 高秀利，周华新，刘建忠.结构混凝土钢筋腐蚀电位原位监测系统研究[J].江苏建筑，2011(1)：105-106.

[6] 李新慧，俞阿龙，潘 苗.基于CC2530的水产养殖监控系统的设计[J].传感器与微系统，2013,32(3)：85-86.

[7] 杨维卫，俞阿龙，贾芳芳，等.基于WSNs和移动Agent的桥梁健康监测研究[J].传感器与微系统，2013,32(12)：80-81.

[8] 赵海贤.可调太阳能充电器的设计[J].电源技术应用，2012(9)：63-64.

[9] 刘全信.基于Zig Bee技术的养殖信息监控系统的研究与实现[D].济南：山东科技大学,2012：40-42.

Design of wireless monitoring system for corrosion degree of reinforcement in concrete based on WSNs*

WANG Yuan1, YU A-long2, LI Qian-qian3, HAN Hao1

(1.School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China; 2.School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huai’an 223300,China; 3.School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Aiming at shortcomings of traditional steel corrosion monitoring methods,a kind of wireless monitoring system for corrosion degree of reinforcement in concrete based on wireless sensor networks(WSNs)is proposed.The system combines WSNs technology with electrochemical method for reinforcement corrosion monitoring,track and measure corrosion potential of reinforcement in concrete structures by using MnO2solid-state reference electrode,low power consumption chip CC2530 is choosen as RF transceiver of WSNs node,and potential signal collected by WSNs nodes is sent to upper PC through WCDMA network and the Internet.Upper PC uses LabVIEW software to design a set of personalized monitoring interface,show information of concrete reinforcement corrosion.Experimental results show that collected potential signals by system can well reflect degree of reinforcement corrosion,it has stable performance and strong reliability.

corrosion degree of reinforcement; wireless sensor networks(WSNs); CC2530;LabVIEW

2014—09—24

国家自然科学基金资助项目(61350008)；江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2012145)

10.13873/J.1000—9787(2015)095—0090—04

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0090—04

王 袁(1990-)，女，江苏淮安人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器与智能系统。