陳 峰 ， 韓曉英 ， 陳 偉

（1.華南理工大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州 510006；3.廣州工程總承包集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510000；4.暨南大學(xué) 信息技術(shù)研究所，廣東 廣州 510075）

橋梁是公路的咽喉，其安全問題是國內(nèi)外極大關(guān)注的重大社會問題。長期以來，大跨度橋梁的安全檢測一直以人工方法為主，傳統(tǒng)人工檢測方法存在主觀性強(qiáng)、整體性差、時效性差等諸多問題?；谟芯€網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)具有測試精度高、協(xié)議成熟、實(shí)時性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但安裝維護(hù)成本高，布線困難，傳輸距離受布線長度的限制?，F(xiàn)有系統(tǒng)均針對單橋建設(shè)，難以實(shí)現(xiàn)多座橋梁之間的信息互通，各座橋梁之間表現(xiàn)為“信息孤島”，不利于區(qū)域內(nèi)多座橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的集中統(tǒng)一維護(hù)管理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國內(nèi)外科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點(diǎn)。將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測，有利于整個監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、低成本和智能化發(fā)展[2-3]。目前，無線傳感器針對橋梁健康監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有:UC Berkeley的SukunKim等人設(shè)計了基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了對金門大橋結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測[3]。Stanford的Jerome P.Lynch等人設(shè)計了一種無線組塊監(jiān)測系統(tǒng) （Wireless Modular Monitoring Sy stems，WMiMS），并在美國Alamosa峽谷的大橋進(jìn)行了試驗(yàn)[4]。在上述應(yīng)用中都組建了具有多跳路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用加速度傳感器檢測橋梁振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最終得到橋梁振動的固有頻率來判斷橋梁的健康情況。

文中應(yīng)用3G無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究并開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集群式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多座橋梁的集中統(tǒng)一健康監(jiān)測，為區(qū)域內(nèi)多座橋梁的統(tǒng)一維護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由無線傳感層、TD網(wǎng)關(guān)層和中央控制層3層組成。其中，無線傳感層為基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用以在被測區(qū)域內(nèi)采集傳感數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步濾波處理。無線傳感層采集的數(shù)據(jù)匯聚到TD網(wǎng)關(guān)層，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地短時存儲和3G無線傳輸。該層的3G無線處理單元為基于ARM9的32位嵌入式系統(tǒng)，通過SPI總線和RS232總線分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無線模塊，從而實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與3G無線網(wǎng)絡(luò)的無縫對接。同時，在每個3G無線處理單元中，設(shè)計了2G的TIF卡存儲空間，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的本地短期保存。中央控制層（橋梁集群健康實(shí)時監(jiān)測中心）為基于TCP/IP協(xié)議，采用SOCKET服務(wù)器模式的中央機(jī)房，可實(shí)現(xiàn)對散布在較大區(qū)域內(nèi)的多個橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的接收，長時間存儲、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、橋梁狀態(tài)評估及壽命預(yù)測等一系列復(fù)雜功能。

圖1 基于3G無線傳感的集群式橋梁健康實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Bridge cluster health monitoring system based on 3G wireless sensor network

2 無線傳感系統(tǒng)硬件構(gòu)成

無線傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計主要涉及無線傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網(wǎng)關(guān)層的3G無線處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內(nèi)嵌LINUX操作系統(tǒng)，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560。考慮到準(zhǔn)確計時和批量保存數(shù)據(jù)的需要，擴(kuò)展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態(tài)ROM存儲單元CY62157ESL。

圖2 無線傳感系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Wireless sensors structure

2.1 3G無線模塊相關(guān)電路設(shè)計

3G模塊選用華為 em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC/IP協(xié)議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G無線通信技術(shù)，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)支持AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。

ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng) （SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強(qiáng)大的功能。

由于兩種無線模塊均通過RS232接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉(zhuǎn)換芯片。其接口電路如圖2所示。圖中左側(cè)所接電路為無線通信模塊的RS232接口，右側(cè)電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關(guān)管腳。

圖3 3G無線模塊接口電路Fig.3 Circuit of 3G wireless model interface

2.2 系統(tǒng)通用IO接口電路設(shè)計

AT91SAM9G20接口功能豐富，擁有8路12位 ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個外部中斷。通過配制總線，最多可提供76個通用IO接口。

由于3G和ZIGBEE無線串口占用了16個通用IO接口，以及其它系統(tǒng)占用了部分接口，因此將P2口的P2.0到P2.31接口設(shè)計為32個通用數(shù)字I/O接口，通過簡單的寄存器設(shè)計設(shè)置為16入、16出；將P3口的P3.0到P3.9接口設(shè)置為10路模擬輸入接口。該種設(shè)計使得系統(tǒng)具備16路數(shù)字輸入、16路數(shù)字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I/O接口的通用測控平臺。通用IO接口框圖如圖4所示，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，只有擔(dān)任主節(jié)點(diǎn)的采集單元需要通過串口2以3G通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，擔(dān)任從節(jié)點(diǎn)的采集單元只需要通過串口1將主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到從節(jié)點(diǎn)。

圖4 通用IO接口數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of IO interface

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信程序流程

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信主要由兩個部分構(gòu)成：CC2530的間歇式采集和3G數(shù)據(jù)通信。采用間歇式采集，一方面是因?yàn)镃C2530在休眠時段的工作電流在微安級，可大大降低系統(tǒng)功耗，另一方面，橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)多數(shù)為慢響應(yīng)，采集頻率降低，可有效減少冗余數(shù)據(jù)。間歇式數(shù)據(jù)采集程序流程如圖 5（a）所示，3G 通信流程如圖 5（b）所示。

3.2 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)及界面

在橋梁集群健康實(shí)時監(jiān)測中心的上位PC機(jī)要具有數(shù)據(jù)的存儲與處理、數(shù)據(jù)的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能。以Microsoft VC++6.0，sql server 2000數(shù)據(jù)庫為開發(fā)工具。整個系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，普通用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與可視化，權(quán)限用戶可以進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信流程Fig.5 Flow chart of data acquisition and communication on micro-controller

圖6 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 Software structure of structure health monitoring center

監(jiān)測中心軟件主菜單界面、實(shí)時數(shù)據(jù)接收與控制界面和參數(shù)分析界面分別如圖7、圖8所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于珠江水系上兩座特大橋梁。在兩座橋梁上一共安裝了78個數(shù)據(jù)采集單元，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各采集單元的數(shù)據(jù)互聯(lián)。從應(yīng)用結(jié)果看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲和無線傳輸穩(wěn)定可靠。

圖7 主菜單界面Fig.7 Main menu interface

圖9 為橋梁索力實(shí)時采集界面，圖10為80個無線采集單元15天（21 600 min）實(shí)際運(yùn)行在線率統(tǒng)計結(jié)果。從圖中可看出，除56號機(jī)由于安裝在主梁附近，經(jīng)實(shí)際測試無線信號很弱的設(shè)備掉線時間較長外，90%的無線數(shù)據(jù)采集單元在線率達(dá)90%以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖8 實(shí)時數(shù)據(jù)接收與控制界面Fig.8 Data receive and control interface

圖9 索力采集界面Fig.9 Interface of cable force monitoring

圖10 系統(tǒng)試運(yùn)行在線率統(tǒng)計Fig.10 Online ratio of trail running

5 結(jié) 論

將3G無線模塊與ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊統(tǒng)一于AT91SAM9G20 ARM微處理器芯片[7]，嵌入LINUX操作系統(tǒng)，設(shè)計了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)。采用VC6.0軟件，設(shè)計了橋梁健康監(jiān)測中心上位機(jī)系統(tǒng)。在特大橋梁上80個采集點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲和無線傳輸穩(wěn)定可靠，可滿足橋梁結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測的需求。

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