基于WSN的曲线桥横向位移实时监测系统设计

2014-11-07饶德倩陈向东张传武

现代电子技术 2014年21期

饶德倩+陈向东+张传武

摘要：国内大多数对曲线桥横向位移的研究都是从理论上定性分析，很少有针对曲线桥梁实际横向位移的实时监测系统，而现行的桥梁监测系统大多是对桥梁的扰度进行监测，因此设计了一种针对曲线桥桥梁的横向位移的实时监测系统。该系统分为两个部分：由直线位移传感器和无线传感网组成的下位机部分，以及用C#语言设计的下位机数据的浏览、存储管理、实时显示软件组成的上位机部分。通过模拟测试，该系统能实时地监测反映出曲线桥横向位移的动态变化。

关键词：横向振动位移；无线传感网； CC2530； C#语言；上位机

中图分类号： TN92?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0012?03

Design of real?time monitoring system for curved bridge

transverse displacement based on WSN

RAO De?qian1， CHEN Xiang?dong1， ZHANG Chuan?wu2

（1. School of Information Science & Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. College of Electrical & Information Engineering， Southwest University for Nationalities， Chengdu 610041， China）

Abstract： A real?time monitoring system for the curved bridge transverse displacement was designed because most studies in China for curved bridge transverse displacement are the qualitative analysis in theory， few researchers made efforts for real?time monitoring system for the actual lateral displacement of curved bridges， and most of the existing bridge monitoring systems are to monitor the immunity of the bridges. This system is divided into two parts： lower computer （composed of linear displacement sensor and wireless sensor network） and upper computer （composed of lower computer data browsing， storage management， real?time display softwares designed with C # language）. The simulation testing results indicate that the system can perform real?time monitoring and reflect the dynamic changes of the curved bridge transverse displacement.

Keywords： transverse vibration displacement； WSN； CC2530； C # language； upper computer

0 引言

随着我国社会的发展，桥梁道路在社会生活中起着重要作用，曲线桥以其桥址地形适应性强，能有效避开岩溶、滑坡、泥石流等不良地段的优良特点更是得到广泛的应用。然而曲线桥在支撑方式、温度荷载、混凝土伸缩形变[1]以及其他横向荷载（车辆的转向力、台风等）作用下产生横向位移过大导致桥梁被破坏的现象时有发生[2]。横向的位移幅度的大小和桥梁整体稳定性密切相关[3]，然而国内却很少有关于桥梁横向位移的实时自动监测系统。针对这种需求，结合ZigBee无线通信技术的特点，本文设计了一个以多孔连续曲线桥为模型的基于无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的大桥横向位移的实时监测系统。利用本系统实现对曲线桥梁的横向位移实时无线远程的自动监测。

1 系统无线通信技术的选择

系统使用WSN对曲线桥梁进行监测，不仅可以减小远距离布线的繁琐，而且可以在网络节点安装布局上增加的灵活性。现在用的比较普遍的几种无线通信技术包括ZigBee技术、蓝牙技术、WiFi技术以及红外技术等。相较于其他几种无线通信技术ZigBee具有如下优点：

（1）连接设备数量多，组网能力强。每个主节点可容纳255个子节点，一个协调器组成的网络可容纳65 000个节点[4]，便于在横向位移的监测中可以组成一个强大的监测网络；

（2）传输距离大，两个节点的极限通行距离可达100 m，这样使得在系统中需要无线中继的路由节点数量大为减小；

（3）功耗极低，在低耗电待机模式下， 2节普通5号干电池可使用6个月到2年[5] ，这使得无线节点能长时间有效地工作；

（4）开发成本低，ZigBee的协议栈是完全免费的，不需要认证和授权许可就直接可以开发。

综上所述，结合桥梁跨度大，要求节点多，传输数据少，组网大的特点，本系统选用ZigBee技术作为无线通信的技术是最优的选择。

2 系统的总体设计

系统分为下位机和上位机两部分，其结构如图1所示。下位机采用TI公司的CC2530片上系统和与之匹配的Zstack协议栈配合位移传感器组成的无线位移传感网络。它实现了对桥梁的各个监测点的横向位移的实时采集和传输汇集。上位机使用C#语言和.NET Framework技术编写的基于SQL SERVER数据库的C/S架构的数据管理和浏览软件。

图1 系统结构图

3 无线位移传感网的设计

3.1 无线位移传感网的硬件设计

3.1.1 直线位移传感器原理及数据采集处理电路

本系统选用了直线位移传感器作为系统的位移传感器。其原理图如图2所示，AB之间是均匀缠绕着精密电阻丝的电阻，当外界的位移发生变化时就会带动C点在AB之间来回运动，从而使BC之间的电阻发生变化，根据电路分压的原理，C点的输出电压SENSOR_OUT也发生变化，从而通过测量电压的变化就能转换测量出位移多少。

以B点为参考点具体测量公式为：

[SBC=kUAB] （1）

式中：[SBC]表示以B为参考点的位移量；[UAB]为传感器的输入电压；[k]为单位电压的位移变化率。由上面分析可知，这种类型位移传感器具有很高的线性度。同时其还具有结构简单，性能稳定，受外界影响小，信号输出大等优点[6]。不过其分辨率较低，一般小于20 μm。但考虑到曲线桥的横向位移一般在mm级[7]，完全能满足应用要求。

图2 位移传感器原理图

对于传感器数据的模/数转换处理，采用由TI公司生产的TLC549 AD转换芯片。它是TI公司生产的一种高性能、低价位、以8位开关电容逐次逼近方法实现的A/D转换器，其转换速度小于 17 μs，最大转换速率为4 MHz，并且它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接[8]。

3.1.2 无线位移传感网节点硬件设计

在本系统中无线位移传感网包括三种节点的设计：传感器节点、路由节点和协调器节点。协调器主要负责网络的组建和维护；路由节点负责传输路径的选择和寻址[9]；传感器节点主要负责位移数据的采集显示传输。由于路由节点和协调器节点的结构相差无几，下面只给出协调器节点和传感器节点的硬件结构图，如图3，图4所示。

图3 传感器节点

图4 协调器节点

其中部分系统实物图如图5所示。

3.2 无线位移传感网络软件设计

本系统采用了TI公司的Zstack协议栈作为应用的开发基础，在协议栈中自动地完成网络的组建[10]。因此本系统的软件设计主要是基于其应用层的开发。由于在本系统中基本没有对路由器的协议栈进行修改，因此本文将主要对传感器检测节点和协调器节点的流程进行大概介绍。

图5 部分硬件实物图

3.2.1 传感器检测节点软件设计

传感器检测节点主要实现了传感器信息的采集和转换、与协调器的通信、系统信息的液晶显示以及按键的处理等功能，主要流程图如图6所示。

图6 传感器节点的主要流程图

3.2.2 协调器节点的软件设计

协调器节点主要是对节点在线情况的询问以及无线传感网络与上位机的信息的串口发送与接收，其主要的流程如图7所示。

4 上位机软件的设计

为了能更好地远程监测无线传感网络，在微软的Visual Studio 2010开发环境[11]下本系统使用C#语言开发了基于C/S（Client/Sever）架构的上位机数据浏览管理软件[12]。在系统的数据管理方面，选用了微软的SQL Server 2012数据库，并通过.NET Framework平台的ADO.NET技术对其进行数据读写操作。

图7 协调器软件主要流程图

上位机的软件主要具有以下几种功能：

首先对本系统的用户（包括管理员和普通用户）的登录管理。系统的登录界面如图8所示。

图8 系统登录界面

其次是对各节点的位移数据的存储和动态显示，用户登陆界面以后可以选取不同的节点观察其位移的动态变化图。

最后上位机软件还实现了对位移过大的节点的信息报警显示。

5 结语

通过模拟实验利用该系统能有效地监测各被测点的横向位移的变化，并能实时地在上位机上反映出来，给大桥的工程技术人员提供很好的信息，尽早消除大桥的安全隐患。在后续工作中可以在传感器节点上加上一些测量影响桥梁横向位移变化因素（比如温度、频率）的传感器更加综合地监测桥梁。

参考文献

[1] 豆文彬.曲线连续梁桥横向偏位病害处治方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[2] 赵颖华，李晓飞.多跨曲线桥在集中荷载和变温作用下横向位移[J].沈阳建筑工程学院学报：自然科学版，2004（2）：97?99.

[3] 赵焕军，李福宝，孙伟.曲线桥稳定性分析[J].城市道桥与防洪，2007（2）：33?35.