无线传感技术在桥梁施工监测系统中的应用研究

刘叶波

摘要：文章介绍了无线传感技术的概念、类型和主要架构，讨论了桥梁施工监测系统的具体功能需求，提出了将无线传感技术应用到桥梁施工监测系统的设想，完成了系统核心架构的设计工作，并以广西玉林茂江大桥工程为依托，进行了施工现场温度监测的模拟试验。试验结果表明：无线温度传感器在桥梁施工监测系统中具有较高的采集精度，能够满足施工现场的温度监测需要。

关键词：无线传感;桥梁施工;监测;应用

中图分类号：U446 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.027

文章编号：1673-4874（2019）07-0086-03

0引言

随着我国桥梁工程领域的不断发展，大量先进的施工设备和施工技术在不断应用，为桥梁工程的质量提供了重要保障，并为延长桥梁工程的使用寿命、降低后续的维护成本起到了关键性的作用。当前，桥梁工程的施工周期在缩短，施工标准在提升，尤其是对一些特大型、高难度的桥梁工程而言，对其施工质量具有特殊要求。桥梁工程施工中的环节众多，如何高效、精确地调配施工现场人员和物资并监测施工质量已成为工程技术人员逐渐关注的问题。无线传感技术在国民经济各个领域广泛应用，能够节省人力资源并提高工作的效率和准确性。尤其在部分人员无法到达的高危作业区域，通过无线传感技术能够完成特殊位置的探测和数据采集工作，其作用显而易见。本文将无线传感技术应用到桥梁的现场施工监测中，提出了基于无线传感技术的桥梁施工监测系统，对于协调桥梁施工各个环节运转、保证桥梁施工的质量、实现工程效益的最大化具有积极作用。‘]。

1无线传感技术概述

无线传感技术以先进的计算机底层架构、高速的网络传输设备和精确的采集量测系统为支撑，根据工程实际需要将现场的各类数据进行有效整合、分析和处理，为企业提供有价值的数据信息。无线传感技术从根本上来说是因无线网络技术而兴起，随无线网络技术的发展而发展起来的。从最初的互联网2G、3G时代到现在的4G时代，无线传感技术也实现了从局域网（内网）到互联网（公网）的演变。未来随着5G网络基站及传输系统的加速建设，无线传感技术将再次迎来新一轮的变革，例如在诸多建筑工程施工现场的广泛应用，将实现施工现场与监控中心、调度中心等核心部门的无缝对接，完成高效、优质的施工和监测。无线传感技术种类有很多，ZigBee架构属于工业领域常用的无线传感技术，基于ZigBee的无线传感技术主要架构如图1所示。

由图1可知，无线传感技术主要架构由现场的监测节点（探测点）、簇首节点（汇集点）、ZigBee协调器、路由器、服务器、网络和监控中心组成。值得注意的是，ZigBee属于无线传感技术的一个分支，具有近距离、低功耗等诸多特点。除此之外还有433、GPRS以及WlFI等无线传感技术，应视现场的功能需求以及企业自身的实际情况来使用适合的无线传感技术嘲。ZigBee与其他类型的无线传感技术的优缺点对比分析如表1所示。

2基于无线传感技术的桥梁施工监测系统设计

2.1功能需求分析

基于无线传感技术的桥梁施工监测系统在设计过程中应重点考虑以下核心功能：

（1）施工数据传输的效率

桥梁施工现场数据包括施工人员、施工设备以及施工物资等的进、出现场情况。这类施工数据需在线实时传输，对数据传输的质量和效率有一定要求。优质、高效的数据传输为桥梁施工监测系统后台分析和处理提供了保障，并且对现场施工情况的分析结果具有重要影响。

（2）无线传感采集的范围

桥梁施工监测系统的核心功能是对施工现场的质量及安全性进行全过程、实时、动态的监控，及时发现施工过程中存在的问题及违章情况，以制定下一步的整改措施来保证桥梁工程施工的质量和安全。因此，无线传感设备采集的范围应包括施工人员进、出现场的考勤情况和机械设备的运行工况及使用情况、施工物资的调配情况等。此外，还应包括施工现场的环境温度、湿度、土体结构强度、液位以及水压等情况。

（3）监测系统运行的工况

桥梁施工现场监测系统应保证良好的运行工况，能够持续、稳定地运行，配有不间断供电模块和风扇冷却模块等。监测系统硬件部分以高效、低功耗产品为宜，且具有开机自检功能。操作系统软件应运行稳定、无安全漏洞，可按需进行定期升级和修复，当系统运行故障时能自动发出报警提醒。另外，监测系统大屏应具有较高的分辨率。

桥梁施工监测系统核心功能需求分析如表2所示。

2.2核心架构设计

桥梁现场施工监测系统的核心架构为数据处理硬件部分，主要包括传感单元、数据转换模块、控制开关以及微处理和通信模块等。传感单元、数据转换模块和控制开关集成在可插拔的扩展传感器板上。传感单元主要有ADXL335和TMP102微处理器，主要负责施工现场各类数据的采集和测量。数据转换模块部分设计有1组（3个）ADS1114转换器，用来对采集到的数据进行转换。控制开关设计为PCA9544防爆型，扩展传感器板通过12C数据总线与微处理和通信模块相连接;ADC为备用接口，可与控制开关内的8个应变接口进行切换。微处理和通信模块上分布有一定数量的IRIS节点，经过处理后的数据转换成模拟信号暂存在IRIS分布式节点中，待完成最后的核验并确认无误后，传输到桥梁施工现场监控中心，供技术人员查看。桥梁施工监测系统的核心架构设计如图2所示。

3工程试验和结果分析

3.1工程概况

广西玉林市博白县茂江大桥于2019年年初动工兴建，计划工期780d。该大桥位于茂江渡口附近，博白县绿珠镇与亚山镇交界处，接025乡道横跨南流江，终于亚山镇南担岭村。大桥全长208.16m，桥梁宽度10m。为保证桥梁施工的整体质量，在茂江大桥施工现场部署了大量的传感器，包括各类型的温、湿度传感器和压力传感器、液位传感器等，并通过现场总线系统并行接入到扩展传感器板上，采集各施工环节的监测数据。以温度传感器为例，通过试验对监测系统的可靠性进行模拟分析、评估，验证本文所提出的基于无线传感技术的桥梁施工监测系统的可行性。

3.2试验过程

选用TS-03型无线温度传感器对现场温度进行采集。采集时间分别为试验当天的9：00、11：00、13：00、15：00和17：00。经过无线温度传感器采集到的温度值经数据转换模块后传输到微处理和通信模块，生成温度模拟信号量暂存在IRIS分布式节点中，通过监控中心大屏读取温度值并记录;同时，记录各时段现场实测的温度值，将两者进行对比分析，求出最终的误差均值，通过误差均值范围来判断无线传感监测系统的可靠性。

3.3系统可靠性评估

将无线温度传感器采集到的温度数据与现场实测的温度数据进行对比分析，具体数值如表3所示。

由表3可知，最终的误差均值为0.48%，符合无线温度传感器的精度误差要求（±5%）。这表明本文所设计的基于无线传感技术的桥梁施工监测系统具有较高的可靠性，能够实现桥梁施工现场对环境温度的准确监测功能。为更加直观地反映试验过程中温度传感器的测量精度，将表3数据绘制成温度一时间折线，如图3所示。

4结语

无线传感技术在诸多领域中有着广泛的应用，本文将该技术引入到桥梁施工的现场监测中，研究内容具有一定的创新性。工程试验中以施工现场的温度采集为例，对本文所提出的基于无线传感技术的桥梁施工监测系统进行论证。研究结果表明，搭载無线温度传感器的桥梁施工监测系统具有较高的可靠性，能够实现对施工现场环境温度的精确监测，试验达到了预期的效果。