基于无线传感网络的桥梁监测系统

　　桥梁是公路的咽喉，其安全问题是国内外极大关注的重大社会问题。长期以来，大跨度桥梁的安全检测一直以人工方法为主，传统人工检测方法存在主观性强、整体性差、时效性差等诸多问题。基于有线网络的桥梁健康监测技术具有测试精度高、协议成熟、实时性好等诸多优点，但安装维护成本高，布线困难，传输距离受布线长度的限制。现有系统均针对单桥建设，难以实现多座桥梁之间的信息互通，各座桥梁之间表现为“信息孤岛”，不利于区域内多座桥梁结构监测的集中统一维护管理。
　　无线传感器网络是当前国内外科技领域的研究热点，节点具有功耗低、体积小、智能化程度高等特点。将无线传感技术应用于桥梁健康监测，有利于整个监测系统的小型化、低成本和智能化发展。目前，无线传感器针对桥梁健康监测方面的应用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人设计了基于TinyOS的无线传感器网络系统，并实现了对金门大桥结构健康的监测。Stanford的Jerome P．Lynch等人设计了一种无线组块监测系统（Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS），并在美国Alamosa峡谷的大桥进行了试验。在上述应用中都组建了具有多跳路由的无线传感器网络，应用加速度传感器检测桥梁振动数据，经过数据处理最终得到桥梁振动的固有频率来判断桥梁的健康情况。
　　文中应用3G无线传感器网络技术，研究并开发了基于无线传感器网络的集群式桥梁健康监测系统，可实现区域内多座桥粱的集中统一健康监测，为区域内多座桥梁的统一维护和管理决策提供依据和指导。
　 　1 系统结构
　　系统结构如图1所示。整个系统由无线传感层、TD网关层和中央控制层3层组成。其中，无线传感层为基于IEEE802．15．4协议的ZIGBEE无线传感网络，用以在被测区域内采集传感数据，并进行初步滤波处理。无线传感层采集的数据汇聚到TD网关层，实现监测数据的本地短时存储和3G无线传输。该层的3G无线处理单元为基于ARM9的32位嵌入式系统，通过SPI总线和RS232总线分别连接ZIGBEE模块和基于TD-SCDMA的3G无线模块，从而实现无线传感网络与3G无线网络的无缝对接。同时，在每个3G无线处理单元中，设计了2G的TIF卡存储空间，可实现采集数据的本地短期保存。中央控制层（桥梁集群健康实时监测中心）为基于TCP／IP协议，采用SOCKET服务器模式的中央机房，可实现对散布在较大区域内的多个桥梁健康状态数据采集子系统采集数据的接收，长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估及寿命预测等一系列复杂功能。

　 　2 无线传感系统硬件构成
　　无线传感系统硬件设计主要涉及无线传感层的ZIGBEE采集单元和TD网关层的3G无线处理单元。该两种单元均采用AT91SAM9G20作为核心处理单元，内嵌LINUX操作系统，ZIGBEE模块采用TI公司的CC2530模块，3G模块采用华为公司的EM560。考虑到准确计时和批量保存数据的需要，扩展了I2C总线的外部时钟芯片1337和采用备用电池供电的外部静态ROM存储单元CY62157ESL。

　 　2．1 3G无线模块相关电路设计
　　3G模块选用华为em560、em200、em770w模块系列、带TPC／IP协议的无线模块。该无线模块系列的3种产品，分别支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G无线通信技术，通过简单的模块替换，即可兼容不同格式的3G网络。系统支持AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能。
　　ZIGBEE模块采用TI公司的CC2530模块。CC2530是用于2．4-GHz IEEE 802．15．4、ZigBee应用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM等强大的功能。
　　由于两种无线模块均通过RS232接口实现与主机的通信，因此选用了SP3243E作为232电平的转换芯片。其接口电路如图3所示。图中左侧所接电路为无线通信模块的RS232接口，右侧电路接入AT91SAM9G20微处理器芯片串口1相关管脚。

2．2 系统通用IO接口电路设计
　　AT91SAM9G20接口功能丰富，拥有8路12位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断。通过配制总线，最多可提供76个通用IO接口。
　　由于3G和ZIGBEE无线串口占用了16个通用IO接口，以及其它系统占用了部分接口，因此将P2口的P2．0到P2．31接口设计为32个通用数字I／O接口，通过简单的寄存器设计设置为16人、16出；将P3口的P3．0到P3．9接口设置为10路模拟输入接口。该种设计使得系统具备16路数字输入、16路数字输出和10路模拟信号输入的能力，成为一台具有丰富I／O接口的通用测控平台。通用IO接口框图如图4所示，在无线传感网络中，只有担任主节点的采集单元需要通过串口2以3G通信的方式将数据发送到监控主机，担任从节点的采集单元只需要通过串口1将主节点数据发送到从节点。

　　3 系统软件构成
　　3．1下位机数据采集及通信程序流程
　　下位机数据采集及通信主要由两个部分构成：CC2530的间歇式采集和3G数据通信。采用间歇式采集，一方面是因为CC2530在休眠时段的工作电流在微安级，可大大降低系统功耗，另一方面，桥梁健康监测数据多数为慢响应，采集频率降低，可有效减少冗余数据。间歇式数据采集程序流程如图5（a）所示，3G通信流程如图5（b）所示。

　　3．2 上位机程序结构及界面
　　在桥梁集群健康实时监测中心的上位PC机要具有数据的存储与处理、数据的可视化、物联网的管理功能。以Microsoft VC++6．0，sql Server 2000数据库为开发工具。整个系统采用C／S架构，普通用户可以进行数据的查询与可视化，权限用户可以进行传感器网络的管理。软件结构如图6所示。

　　监测中心软件主菜单界面、实时数据接收与控制界面和参数分析界面分别如图7、图8所示。

4 系统应用
　　该系统已成功应用于珠江水系上两座特大桥梁。在两座桥梁上一共安装了78个数据采集单元，通过无线网络实现各采集单元的数据互联。从应用结果看，系统运行稳定，数据存储和无线传输稳定可靠。

　　图9为桥梁索力实时采集界面，图10为80个无线采集单元15天（21 600 mln）实际运行在线率统计结果。从图中可看出，除56号机由于安装在主梁附近，经实际测试无线信号很弱的设备掉线时间较长外，90％的无线数据采集单元在线率达90％以上，系统运行稳定可靠。
　　5 结论
　　将3G无线模块与ZICBEE无线传感网络模块统一于AT91SAM9G20 ARM微处理器芯片，嵌入LINUX操作系统，设计了桥梁健康监测系统下位机系统。采用VC6．0软件，设计了桥梁健康监测中心上位机系统。在特大桥梁上80个采集点实际应用表明，该系统运行稳定，数据存储和无线传输稳定可靠，可满足桥梁结构无线监测的需求。