应用于桥梁检测的分布式传感网设计

张其然 林梓栎 张瀛文

摘 要： 本文设计了一种分布式传感网，能够应用于桥梁检测，对桥梁的振动和压力进行测量，相比于传统的检测方式，本文所采用的方法具有一定的优越性。

关键词：桥梁检测；应变式传感器；传感器网络

1 概述

桥梁作为交通运输的重要组成部分具有较为关键的作用。因此，对于桥梁的检测具有实际的应用价值并且具有广阔的发展空间。最初，桥梁的检测采取人工形式，但是随着传感器网络技术的发展，原先的人工方式渐渐被摒弃。传感器网络技术在广阔应用需求的背景下，从简单的点对点的连接发展成为现场的总线通信模式，再渐渐地演变为无线自组网络模式。由此可以看出传感器网络技术的发展是一个由有线到无线，由单一化再到网络化的过程。

如今已有的桥梁检测数据传输基本采取有线方式，大多采取有线传感器节点，控制系统和有线通信等模块来实现。有线传感网络通过其配备的传感器设备来采集桥梁的相关特性与数据信息后，控制系统为节点提供采集数据的通信驱动，并通过通信模块实现数据到数据中心的传送，以实现节点的组网。有线传感网络能够在一定程度上保证数据的准确传输，但是其应用效果具有如下几个弊端：

（1）对于大型复杂桥梁结构来说，有线传感器节点很难安置，造成人力和财力的消耗。

（2）复杂的有线布局使设备的现场安装和维护不便，检测费用高。

（3）系统本身的使用时间有限，外部环境可能会造成电路的老化。

无线传感网络具有MAC层和网络层的组合结构。它不需要利用数据线和电源线，因此使得大规模节点传感网络能够进行快速安装调试，从而长期稳定地运行。相比于传统的有线传感网络，其优势在于：

（1）無需大量传输线，可以随意安置，有效避免大量接线所引发的系统不稳定。

（2）节省了布线的成本消耗，并且传感器节点的单价也日渐下降。

（3）某个监测点失效时，附近的节点可代替完成任务。

无线传感器网络将传感器检测，无线通信以及网络技术集合到一起，对目前工程实践中的具体问题提供了一个很好的解决方案。而分布式传感网络综合了微传感器技术、分布式信息处理技术、弱能源依赖技术、嵌入式计算技术和现代网络及无线通信技术等多种先进技术，构成由大量密集分布在监控区域的智能传感器节点组成的网络应用系统。所以本文采用分布式传感网络实现桥梁检测具有一定的应用前景。

2 系统模型

设计所采用的是无线传感器网络系统结构。其中包括分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等。设计采用分布式传感器节点采集所需要的信息数据，如桥梁振动信息以及压力参数；之后系统将采集得到的数据进行处理以得到有效数据，并将其送入信息整合点，通过网络转换设备，将所得到的数据信息发送到数据中心。在这个过程中无线传感器网络和网络可以进行互联，从而实现大规模无线传感器网络在桥梁检测系统中的组网与应用。

信息的采集是无线传感网络的核心部分，其中传感器网络节点是传感器网络基本的构成单位， ，其设计的使用性能将直接影响到整个检测系统的性能。包括如下4个基本模块：数据采集模块（包括采集振动，压力等基本信息）、数据处理模块（采用处理器对采集得到的原始数据进行预处理以得到有效信息）、数据传输模块（由无线通信模块组成，传输信息）以及电源（供应基本能量）。总之，节点能够放大所采集的微弱信号，并进行滤波和信号处理从而转化为所需要的信号范围，随后进行A/D转换，存储处理后数据，最后进行数据收发。

2.1 数据采集模块

数据采集模块顾名思义，主要完成的是桥梁信息的采集。桥梁信息的采集优劣决定了设计后处理部分电路的复杂度和数据的可靠性。因此，此模块是设计的重点。鉴于桥梁的振动信息大部分都处于低频的环境下，加速度传感器性能的优劣在采集桥梁振动信息的过程中显得至关重要。因此，在传感器节点的设计中所采用的加速度传感器在保证测量精度满足低于1mg以下的同时，使得测量频率的下限达到1Hz以下。

只要测出弹性体的应变就可以计算出作用在弹性元件上的力F的大小，而应变大小可以通过在弹性体外壁上粘贴应变片的方法来测量。当柱体在轴向上受到压力或者拉力时，还受到由于载荷偏心带来的弯矩影响。

2.2 数据处理模块

在采集桥梁振动信息数据的过程中，其所处的环境相当复杂，对于采集具有相当大的难度。特别是在处于低频环境下时，环境中的干扰噪声很可能会完全掩盖所需要的有用信息；再者，在信息传输的过程中，可能会夹杂引入一定的无效信息，在这种情况下，最终所传输送达的信号将无法提取有效的信息，从而导致信号失效。因此，在考虑到过程中所可能引入的噪声的情况下，在数据采集完成后，设计选取抗混叠滤波器滤波来滤除干扰噪声，从而对采样所得到的信号进行预先处理，以提高信号的精度。而应变传感器所产生的微小电阻变化可以通过应变测试来进行转化，此部分可采取惠斯通电桥来实现。

2.3 数据传输模块

数据的传输主要通过无线方式传输，而数据传输的效果取决于数据传输的质量，此部分便依赖于网络通信协议的设计。其主要包括物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。

3 结论

本文设计了一种应用于桥梁检测的分布式传感网设计，利用加速度传感器和压变式力传感器，采用具有稳定输出效果，受外界干扰小的无线传感网络，使得系统具有广阔的传输距离，较大的工作量程和较长时间持续工作环境。

参考文献：

[1]王晓龙.桥梁检测无线传感器网络系统的设计与实施[J].山西交通科技，2016，（06）：84-87.

[2]陈鹏.现有传感器的桥梁无线检测技术初探[J].建筑技术开发，2016，（03）：140+144.

作者简介：张其然（2000-），男，江苏南通人，职务：学生。