基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测设计研究

陈 果，杨 益

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

作为交通运输的关键环节，桥梁安全性将对人民生命财产安全产生直接影响。加强桥梁结构健康监测，在保障桥梁安全性的同时，可为桥梁检修维护提供科学数据依据。随着科学技术的发展，无线传感器网络能够在桥梁结构健康监测中得到合理应用，为监测系统的实现提供支持。因此，还应加强桥梁结构健康监测设计研究，从而推动桥梁工程健康发展。

1 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测

桥梁在使用过程中，结构会持续受到累积性和突发性破坏，导致桥梁安全受到威胁。为保证桥梁结构稳定性，需要对桥梁结构状态进行监测，以便在发现结构达到危险标准时发出预警，确保结构得到及时检修和维护。

在传统监测系统中，使用有线方式连接前端传感器，将数据传输至监控中心进行分析和存储，完成结构健康状态的科学评价。然而采取有线方式，受线缆布设等因素影响，测量点的布置将受到限制，导致测量数据完整性不强，无法满足桥梁监测系统使用需求。

无线传感技术作为互联网行业发展热点技术之一，具有高容错率、高灵活性和低成本等特点，能够降低信息传输成本。采用无线传感技术进行现场网络的组建，将大大节省监测系统现场实施所需的各类线缆部署时间，实现网络灵活部署的同时使得传感器安装位置的选择性更多，从而加快监测系统的实施效率。在保证监测系统智能化、自动化的同时，确保桥梁结构状态得到实时、有效反映。

2 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测设计

2.1 总体设计

在桥梁结构健康监测设计中，可以采用ZigBee 无线传感器网络。ZigBee 作为通信标准的一种，能够对短距离、低数据传输率的无线通信协议进行定义，在组网上可以采取星型、网状、树形等多种结构形式[1]。从网络节点组成上来看，包含数据采集节点、数据汇聚节点和监控中心节点。完成无线传感器部署后，系统可以自动进行无线传感器网络的创建，确保采集到的数据能够传输至监控中心节点。利用以太网，监控中心节点可以将数据传输至远程服务器上，便于管理者查阅或进行后续分析处理。结合桥梁自身结构特征，可采用树形网络结构，在桥梁中心点位置完成数据汇聚节点布置，在两侧进行数据采集节点布置。数据采集节点处于网络结构最底层，能够以分簇形式获取各个传感器数据。在簇内，负责数据采集的有一个节点，需要对簇内其他节点进行调度管理。数据汇聚节点能够将各簇信息汇聚起来，利用无线方式进行传输。监控中心节点根据数据接收需求选择是否接入网络，并按照权限进行数据查询等操作的响应。实际对桥梁结构数据进行采集，需要利用分布在各处的节点传感器对桥梁状态信息进行监测，节点可以根据链路层地址完成唯一网络地址的分配，并自动搜索最优抵达目的路由的路径，完成下一地址自动跳转。数据汇聚节点相当于通信中枢，能够对各数据采集点进行联系。监控中心节点可以完成整个网络监测，对数据进行前端处理后传送至服务器，如图1 所示。

图1 系统总体设计图

2.2 硬件设计

（1）数据采集设计。在系统数据采集部分硬件设计上，包含了各类传感器的布设和数据采集。某桥梁结构健康监测中在桥梁各个结构位置需要安装的传感器类型，以及对应的监测量如表1 所示。数据采集节点除包含各种传感器外，集成了具有无线传输功能的微处理器（如JN5148），将传感器采集到的各项数据发送给数据汇聚节点。

（2）数据传输设计。在数据传输设计上，采用的网络由GPRS、主控单元和无线通讯三部分构成。采用GPRS 模块，能够对远程数据服务器和数据通信进行连接。采用无线通讯模块，相当于数据汇聚节点，能够向前端节点发出各类信令，并对各节点数据进行接收。主控模块负责监控中心节点运作，能够确保无线通讯模块和GPRS 模块正常通讯。采用远程接入方式，能够使汇聚节点与监控中心节点顺利实现数据交换。在实际设计中，需要使GPRS 模块与Internet 互联，利用网关和IP节点接入互联网，向远端用户提供实时信息服务，完成互操作。采用CC2530 芯片实现网络通讯，包含电源电路、I/O 接口电路等，能够为2.4GHz IEEE.802.15.4 标准提供支持，可以满足无线传感器的低功耗要求[2]。该芯片能够与无线传感器网络连接，对数据采集节点数据进行接收，并与互联网协议相融合，为数据通信传输提供支持。汇聚节点可以发挥网关作用，同时可以作为互联网的一个IP 节点，直接将数据传输至服务器中。在监控中心节点可以进行数据业务开通，利用公共移动通信平台实现数据远程通信。

表1 某桥梁结构健康监测传感器布设表

（3）数据分析设计。监控中心设计需要负责进行系统各类数据分析和处理，对监测系统网络进行配置管理，并提供人机交互界面，实现各类通信系统集成，保证系统收集的数据能够得到可视化展示。针对桥梁结构各类监测数据，监控中心需要在数据库中存储，便于用户进行实时数据和历史数据查询。数据处理可以采用VRS51L2070 处理器，拥有40MIPS 单周期8051 内核和多个数字外设，初始化后将处于空闲状态，有数据传递将发生中断响应，切换任务状态，能够减少节点能耗[3]。通过对数据进行智能化分析与处理，能够获取其中的关键信息，及时发现桥梁结构异常信息，确保突发情况能够得到应对。在实际设计中，需要安装报警系统，在监控中心完成信息处理和分析后，可以根据设定阈值确认是否发出报警指令，促使报警系统通过短信、邮件或APP 消息推送等方式进行报警。

2.3 软件设计

在监测系统设计中，需要完成相应工具软件开发，以便使系统能够自动进行数据采集、传输和分析处理，为用户查询桥梁结构数据提供便利，并且能够实现桥梁结构健康状况评价。在数据采集程序设计上，系统需要确保各设备拥有一致开启方式，并完成采样速率的设定，以便实现各个网络节点自动连接。系统节点可设计为在5min（或根据实际项目进行设置）内未接收到任何指令，将进行休眠，直至被中断指令唤醒。完成数据采集后，节点将继续休眠。监控中心能够发送采集命令，促使各节点进行数据采集、传输。在系统数据传输程序设计上，通讯模块需要在设定时间内完成数据发送，并对接收到的数据进行简单处理后传递至监控中心。针对采集模块发送的数据，通讯模块需要先触发中断强求，在中断服务中进行数据处理程序的调用，确认接收到的数据是否完整。判断数据完整，可以做好数据接收准备，确认是否为节点应当接收的数据，确认无误后进行数据接收。在发送数据时，通讯模块经过初始化，确定发送数据格式帧是否正确。确认数据正确，将确认是否存在空闲信道。在找到空闲信道后，需要将发送缓冲区清空，然后将数据缓存，最后启动射频进行数据发送。在数据处理上，处理器可以实现相关算法调用，按照算法程序进行数据分析，并生成结果进行存储。

3 结论

综上所述，借助无线传感器网络实现桥梁结构健康状况的监测，能够在不同工况条件下进行桥梁状态实时监测，并在监测值超出设定阈值时发出报警提示，确保桥梁得到及时维护和检修。在设计监测系统时，还需加强系统硬件节点布置和应用程序设计，确保监测数据能够得到汇聚和分析，保证监测系统正常运行，继而为桥梁管理提供科学依据。