桥梁检测无线传感器网络系统的设计与实施

王晓龙

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

目前，桥梁检测系统的数据传输基本采用有线方式，由于传感器往往距离信号调理设备较远，即使仪器有很高的测试精度，信号在电缆线中的长距离传输也会直接影响到测试的精度。另外，系统的维护与前期安装工作投入成本较高，施工周期较长[1-3]。研究USSN无线传感器网络在桥梁检测中的应用将改变传统测量方式，不仅能有效提高检测效率和精度，而且将大大地减轻检测人员的工作强度。

1 传统桥梁检测设备的主要弊端

传统桥梁检测设备由传感器＋调理设备＋A/D系统＋电脑等4部分组成，其应用效果受到以下几个方面的影响：

a）检测设备与传感器之间采用电缆连接传输，检测距离受到一定限制且作业的稳定性、抗干扰能力较差。

b）在野外特别是山区，传统设备的测试用电等问题较为突出。

c）对大型复杂桥梁结构进行检测效率低，设备的现场安装与维护不方便，且检测费用较高等。

2 无线传感器网络USSN的概念及优势

2.1 无线传感器网络的概念

USSN（Ultra Scale Sensor Networks）技术是新一代无线传感器网络数据采集技术。拥有MAC层和网络层的组合结构，能够不依赖数据线和电源线，支持大规模节电传感网络的快速安装调试，长期稳定地运行[4-5]。

2.2 无线传感器网络的基本优势

a）无线传输 避免大量传输线带来的布线施工成本，有效避免了大量接线可能引发的系统不稳定、不可靠。

b）节电 可以用电池供电工作，节能效果显著。

c）适合任何场合 适合任何场合使用，尤其是不能或者不方便布线的地方。

d）经济性好 省掉了因为布线带来的各种成本。

e）更加灵活 数据采集点之间可以相互转发数据，可以更加灵活地布置测点，不需要过分考虑通信距离的问题等。

3 无线传感器网络的系统结构及基础硬件平台搭建

如图1所示，无线传感器网络系统结构包括分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等。其中传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元、处理单元、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。

图1 无线传感器网络整体框架结构（单位：m）

3.1 无线数据采集系统构成

图2 无线传感器网络数据采集原理图

如图2所示，整个系统主要由传感器、信号调理电路、AD转换器、MCU处理器、时钟、电源、无线收发等部分组成。其中AD转换器及单片机使用一个芯片ADuC845来实现。系统主要完成的功能有：对微弱信号的放大、滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成AD转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD转换、数据存储、数据收发等。无线通信部分主要由无线传输模块和上位机组成，完成数据实时传输。计算机主要是对数据进行显示、分析和处理，进而发送数据采集的参数和控制命令。

3.2 模拟输入结构方案

图3 多通道同步采集方案

如图3所示，系统结构特点是：完全与实际、自然时间同步，消除了分时采集所引起的误差，实现了同步转换，各通道转换值完全瞬时对应。这种结构可以大大提高采集速度，转换后的数字信号都有独立的锁存器，信息不会丢失或漂移。

3.3 通讯模块结构设计

系统采用RS-232方式实现MCU与无线模块通讯，无线与计算机的接口通过USB转口串口联机，同时USB可以为无线接收器进行供电。

4 信号调理方案的研究

4.1 电压信号调理

如图4所示，大部分传感器输出都是电压信号，通过电压信号测试可根据不同物理量的传感器灵敏度反映测试物理量。由于AD接收的模拟信号范围为0～5 V，通过OPA348将输入的±5 V的信号调理到0～5 V。

4.2 应变信号调理

图4 电压信号调理电路

如图5、图6所示，应变测试是针对应变传感器微小的电阻变化进行检测，通过惠斯通电桥转换成电压变化，然后进行AD转换。要保证桥路的桥压恒定，必须具有稳定的激励电源，因此采用ADR421供给桥压。同时由于信号比较小，需要进行放大才能到AD进行采集，放大芯片为INA118，放大倍数为100倍。

图5 桥路供压电路

图6 信号放大电路

如图7和表1所示，惠斯通电桥组桥电路通过网络RJ45接口，可根据测试要求接1/4桥、半桥或者全桥，与采集仪前面板输入口相连。

表1 电桥接线配置说明

5 仪器测试报告

5.1能耗测试

图7 惠斯通电桥组桥电路

能耗测试采用直流稳压电源供电，可调节电压，同时测试电流，其连续工作时采用的电池容量为2 600 mAh。

表2 能耗测试结果

5.2 电压信号测试

静态电压信号测试信号为1 V，测得的电压值为1.001 V，误差为0.1%。

表3 电压信号测试结果

5.3 应变信号测试

表4 静态应变信号测试结果

5.4 传输距离测试

无线传输距离测试标准为：空旷视距；天气晴朗；电源充足（DC-5～9 V，供电电流300 mA以上）；离地高度2 m；测试天线DT2400-21 cm，增益5DBI；天线水平垂直放置。在满足以上条件情况下，无线传输距离可达1 km甚至更远。

手机信号、无线电波信号、温度等因素对系统数据接收影响较小。在高差15 m的工况下，系统可稳定组网并进行数据传输。

6 模型测试报告

图8 无线传感器网络系统

表5 模型加载测试结果

7 结论

a）系统硬件测试结果表明无线网络测试系统具有稳定的传输效果，受外界干扰较小。

b）系统能耗测试结果表明系统能耗较小，能适应较长时间持续工作环境。

c）静、动态信号测试结果表明系统具有较大的工作量程，线性度较好，测试误差较小。

d）无线传输距离测试结果表明系统具有较远的传输距离，可自组网且组网稳定，能满足远距离测试传输的要求。

e）系统采集与分析软件测试结果表明系统具有自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等功能。界面具有友好的人机对话能力，程控操作能力较好。分析软件处理数据速度优异，统计、分析结果准确可靠，可方便地进行多种格式文件存储。

f）无线测试系统工作稳定，测试结果准确可靠且精度较高。