基于无线传感器网络的轨道交通结构健康监测系统

郑建颖，王　卿，孙荣川，黄伟国，朱忠奎

(苏州大学　a.城市轨道交通学院；b.机电工程学院，江苏　苏州　215131)



基于无线传感器网络的轨道交通结构健康监测系统

郑建颖a，王卿a，孙荣川b，黄伟国a，朱忠奎a

(苏州大学a.城市轨道交通学院；b.机电工程学院，江苏苏州215131)

摘要随着使用时间的推移，由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，轨道交通中的土木工程和重大基础设施的结构不可避免地会产生损伤积累和抗力衰减。采用应变片采集结构应变信号，利用CC2530模块构建基于ZigBee协议的无线传感器网络，并通过Matlab开发上位机程序，构建结构健康监测系统。在对有机玻璃材料制成的悬臂梁进行测试后发现，通过对应变数据的直接观测可以得到结构当前的荷载状况，实现过载警报识别；通过对应变数据的频域转换可以得到结构振动的固有频率，实现损伤识别。

关键词实验教学；无线传感器网络；结构健康监测；智能交通系统

当前，国内外许多轨道交通工程都存在不同程度的安全隐患。结构健康监测系统对人们的生命及财产安全有着至关重要的作用[1-2]。随着使用时间的增长，由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，轨道交通中的土木工程和重大基础设施的结构不可避免地会产生损伤积累和抗力衰减。如果没有及时发现和处理，损伤将会迅速扩展，一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度，将导致整个结构的损坏，造成无法挽回的悲剧[3-4]。

传统的结构健康监测系统代价昂贵，线路的布设和维护困难。而无线传感器网络由于其固有属性，可以克服当前系统的不足，实现结构健康状况的有效监测。利用无线传感器网络进行结构健康监测，表现出众多优势：实时性强，安装和维护方便，成本低等[5-7]。

本文采用应变片采集结构应变信号，利用CC2530模块构建基于ZigBee协议的无线传感器网络，通过Matlab开发上位机程序，构建结构健康监测系统。在对有机玻璃材料制成的悬臂梁进行测试后发现，通过对应变数据的直接观测可以得到结构当前的荷载状况，实现过载警报；通过对应变数据的频域转换可以得到结构振动的固有频率，实现损伤识别[8-9]。

1系统整体架构

系统由应变片、应变片测量电路、温度传感器、终端节点、协调器节点以及上位机组成，如图1所示。系统的工作流程为：1)终端节点采集应变和温度数据并发送给协调器节点；2)协调器节点接收数据并传输至上位机；3)上位机通过Matlab程序对数据进行实时显示与保存。

图1　系统整体架构

2系统各个组成部分

2.1应变片及其测量电路

受压以及振动都会导致结构产生应变，结构的应变状态能够反映其荷载以及振动特性。应变片能够将结构的应变转化为电阻值的变化。因此，本文采用应变片实现结构的应变监测。同时，将应变片接入测量电路又使得应变片的电阻值变化转化为测量电路的输出电压变化，以供终端节点进行电压信号采集。

2.2温度传感器DS18B20

由于应变片存在温漂现象，在其他条件不变的情况下，温度的变化会导致应变片输出的变化。因此，温度传感器DS18B20将用于温度的测量，以修正温度对应变片的影响。

2.3CC2530节点

CC2530结合了业界领先的ZigBee协议栈Z-Stack，用于组建无线传感网络。ZigBee网络成员分为协调器节点、终端节点和路由节点3类。不同节点虽外形相似，但实现的功能不同。终端节点以100Hz的速率采集传感器数据并无线发送给协调器节点，协调器节点接收数据后通过串口传输至上位机。由于节点间通信距离较短，未使用到路由节点。

2.4上位机软件

上位机即一台个人笔记本电脑，使用Matlab软件对应变和温度数据进行实时显示和保存。

3实验环境构建和系统测试

实验模型选择了工程中最常用的悬臂梁结构，采用有机玻璃材料制成，长度、宽度和厚度分别为300mm、50mm和4.5mm，应变片用502胶水黏贴在距离悬臂梁固定端100mm的位置。

3.1过载警报

荷载是造成结构形变的直接因素，长期的过载状态容易导致结构的损伤。因此，对结构荷载的监测尤为重要。在实验模型中，悬臂梁的荷载越大，其输出电压也就越大。假设在22 ℃的条件下，悬臂梁所能够容忍的应变在0.5V范围内。水杯放置前，无弯曲，初始应变数据为2V，表示结构处于健康状态；水杯放置后，结构由于过载而出现较大的弯曲，应变数据为2.7V左右，超过了设定的0.5V范围，表示结构处于过载状态。

3.2损伤识别

由于结构振动特性是结构物理参数的函数，结构损伤即意味着结构物理参数的改变，而物理参数的改变必然引起结构振动特性的改变。其中，结构的损伤必然会造成结构固有频率的偏移。因此，利用固有频率的变化能够有效地检测损伤的发生。

土木结构的固有频率处在低频部分，实验模型以100Hz的采样频率采集应变信号，能够分辨的频率范围在0～50Hz之间。在其他参数均相同的条件下，通过多次实验，在对不同损伤程度的悬臂梁结构进行测试后发现，损伤程度越大，固有频率的偏移越明显。下面对完好的悬臂梁结构和遭受某一程度损伤的悬臂梁结构进行固有频率的分析和对比，呈现结构损伤的识别过程。

分别对上述两种结构轻微按压并释放，使结构产生振动。两种结构的振动曲线对比如图2和图3所示。理论上，悬臂梁的振动状态为欠阻尼简谐振动，完好的悬臂梁结构基本满足这一性质，而受损的悬臂梁结构明显发生了波形畸变。分别对上述两种结构的振动曲线作傅立叶变换来观察频域特性。在除去直流分量后，其频率特性曲线对比如图4和图5所示。可见，完好的悬臂梁结构固有频率为12.9Hz，而受损的悬臂梁结构固有频率为11.29Hz，两者存在偏移。实际的土木结构测试中，同样可以根据固有频率的偏移状况来判断结构的损伤。

4结束语

本文设计了一种基于无线传感器网络的轨道交通结构健康监测系统，通过对应变信号的采集和时频变换，得到结构的静态参数—荷载和动态参数—固有频率。通过对上述参数的进一步分析，可以实现结构的过载警报及损伤识别。实验室模拟的结果表明，该系统能够达到较好的监测效果。

图2　完好结构的振动曲线

图3　损伤结构的振动曲线

图4　完好结构的频率特性曲线

图5　损伤结构的频率特性曲线

可以在以下方面继续研究和探索：1)通过在结构的应变量和其对应的输出电压之间进行标定，能够使输出电压直接与结构的应变量关联，测量的结果将更明确；2)应变信号的频域变化工作是通过手动提取Matlab保存的应变数据来实现的，而开发出有效的自动识别程序可以使系统的实时性得到进一步提升；3)加入其他传感器，测量更多结构参数以增强监测的效果，也将是未来研究的重要方向。

参 考 文 献

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[3]陈超，赵可.国外大学实践教育的理念与实践[J].外国教育研究，2005，32(11):33-38.

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[5]熊匡汉.高校教学竞赛意义与品牌示范效应研究[J].中国高教研究，2009(4):90-91.

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Structure Health Monitoring Systems Based on Wireless Sensor Networks for Rail Transportation

ZHENG Jianyinga，WANG Qinga，SUN Rongchuanb，HUANG Weiguoa，ZHU Zhongkuia

(a.SchoolofUrbanRailTransportation；b.SchoolofElectricalandMechanicalEngineering，SoochowUniversity，Suzhou215131，China)

AbstractBecause of the role of environmental loads，fatigue，corrosion and material aging effects and other unfavorable factors，the structure will inevitably produce damage accumulation and resistance to decay.This study uses the strain gage to acquire the structure signal and uses CC2530 module to build wireless sensor networks based on ZigBee protocol and has developed the computer program by Matlab，in order to build the structural health monitoring system.After testing the cantilever plexiglass material，the current load condition is obtained.Based on these obtained information，an overload alarm and damage identification can be realized by frequency domain conversion and data analysis.

Key wordsexperimental teaching; wireless sensor networks; structure health monitoring; intelligent transportation systems

收稿日期:2014-07-14；修改日期: 2014-09-25

基金项目：苏州大学计算机与信息技术国家级实验教学示范中心基金；苏州大学高等教育教学改革研究基金(5731503113)。

作者简介：郑建颖(1982-)，男，博士，副教授，主要从事无线传感器网络理论及应用方面的教学和科研工作。

中图分类号TP13；U21

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.023