基于3G無(wú)線(xiàn)傳感的橋梁集群健康監測系統

摘要：介紹了一種基于3G無(wú)線(xiàn)傳感的橋梁集群健康實(shí)時(shí)監測系統。系統將3G無(wú)線(xiàn)模塊與ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )模塊統一于A(yíng)T91SAM9G20 ARM微處理器芯片，嵌入LINUX操作系統，設計了橋梁健康監測系統下位機系統。采用VC6．0軟件，設計了橋梁健康監測中心上位機系統。在橋梁集群上80個(gè)采集點(diǎn)實(shí)際應用表明，該系統運行穩定，數據存儲和無(wú)線(xiàn)傳輸穩定可靠，可滿(mǎn)足橋梁集群無(wú)線(xiàn)健康監測的需求。
關(guān)鍵詞：3G；橋梁集群；健康監測；無(wú)線(xiàn)傳感

橋梁是公路的咽喉，其安全問(wèn)題是國內外極大關(guān)注的重大社會(huì )問(wèn)題。長(cháng)期以來(lái)，大跨度橋梁的安全檢測一直以人工方法為主，傳統人工檢測方法存在主觀(guān)性強、整體性差、時(shí)效性差等諸多問(wèn)題?；谟芯€(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的橋梁健康監測技術(shù)具有測試精度高、協(xié)議成熟、實(shí)時(shí)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但安裝維護成本高，布線(xiàn)困難，傳輸距離受布線(xiàn)長(cháng)度的限制?，F有系統均針對單橋建設，難以實(shí)現多座橋梁之間的信息互通，各座橋梁之間表現為“信息孤島”，不利于區域內多座橋梁結構監測的集中統一維護管理。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前國內外科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，節點(diǎn)具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點(diǎn)。將無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)應用于橋梁健康監測，有利于整個(gè)監測系統的小型化、低成本和智能化發(fā)展。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器針對橋梁健康監測方面的應用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人設計了基于TinyOS的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，并實(shí)現了對金門(mén)大橋結構健康的監測。Stanford的Jerome P．Lynch等人設計了一種無(wú)線(xiàn)組塊監測系統(Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS)，并在美國Alamosa峽谷的大橋進(jìn)行了試驗。在上述應用中都組建了具有多跳路由的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，應用加速度傳感器檢測橋梁振動(dòng)數據，經(jīng)過(guò)數據處理最終得到橋梁振動(dòng)的固有頻率來(lái)判斷橋梁的健康情況。
文中應用3G無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，研究并開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的集群式橋梁健康監測系統，可實(shí)現區域內多座橋粱的集中統一健康監測，為區域內多座橋梁的統一維護和管理決策提供依據和指導。

1 系統結構
系統結構如圖1所示。整個(gè)系統由無(wú)線(xiàn)傳感層、TD網(wǎng)關(guān)層和中央控制層3層組成。其中，無(wú)線(xiàn)傳感層為基于IEEE802．15．4協(xié)議的ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，用以在被測區域內采集傳感數據，并進(jìn)行初步濾波處理。無(wú)線(xiàn)傳感層采集的數據匯聚到TD網(wǎng)關(guān)層，實(shí)現監測數據的本地短時(shí)存儲和3G無(wú)線(xiàn)傳輸。該層的3G無(wú)線(xiàn)處理單元為基于A(yíng)RM9的32位嵌入式系統，通過(guò)SPI總線(xiàn)和RS232總線(xiàn)分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無(wú)線(xiàn)模塊，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫對接。同時(shí)，在每個(gè)3G無(wú)線(xiàn)處理單元中，設計了2G的TIF卡存儲空間，可實(shí)現采集數據的本地短期保存。中央控制層(橋梁集群健康實(shí)時(shí)監測中心)為基于TCP／IP協(xié)議，采用SOCKET服務(wù)器模式的中央機房，可實(shí)現對散布在較大區域內的多個(gè)橋梁健康狀態(tài)數據采集子系統采集數據的接收，長(cháng)時(shí)間存儲、橋梁監測數據分析、橋梁狀態(tài)評估及壽命預測等一系列復雜功能。

2．1 3G無(wú)線(xiàn)模塊相關(guān)電路設計
3G模塊選用華為em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC／IP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)模塊。該無(wú)線(xiàn)模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò )。系統支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)等功能。
ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于2．4-GHz IEEE 802．15．4、ZigBee應用的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。CC2530結合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。
由于兩種無(wú)線(xiàn)模塊均通過(guò)RS232接口實(shí)現與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉換芯片。其接口電路如圖3所示。圖中左側所接電路為無(wú)線(xiàn)通信模塊的RS232接口，右側電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關(guān)管腳。

2．2 系統通用IO接口電路設計
AT91SAM9G20接口功能豐富，擁有8路12位ADC、PWM輸出以及多達9個(gè)外部中斷。通過(guò)配制總線(xiàn)，最多可提供76個(gè)通用IO接口。
由于3G和ZIGBEE無(wú)線(xiàn)串口占用了16個(gè)通用IO接口，以及其它系統占用了部分接口，因此將P2口的P2．0到P2．31接口設計為32個(gè)通用數字I／O接口，通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設計設置為16人、16出；將P3口的P3．0到P3．9接口設置為10路模擬輸入接口。該種設計使得系統具備16路數字輸入、16路數字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I／O接口的通用測控平臺。通用IO接口框圖如圖4所示，在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中，只有擔任主節點(diǎn)的采集單元需要通過(guò)串口2以3G通信的方式將數據發(fā)送到監控主機，擔任從節點(diǎn)的采集單元只需要通過(guò)串口1將主節點(diǎn)數據發(fā)送到從節點(diǎn)。

3 系統軟件構成
3．1下位機數據采集及通信程序流程
下位機數據采集及通信主要由兩個(gè)部分構成：CC2530的間歇式采集和3G數據通信。采用間歇式采集，一方面是因為CC2530在休眠時(shí)段的工作電流在微安級，可大大降低系統功耗，另一方面，橋梁健康監測數據多數為慢響應，采集頻率降低，可有效減少冗余數據。間歇式數據采集程序流程如圖5(a)所示，3G通信流程如圖5(b)所示。

3．2 上位機程序結構及界面
在橋梁集群健康實(shí)時(shí)監測中心的上位PC機要具有數據的存儲與處理、數據的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能。以Microsoft VC++6．0，sql Server 2000數據庫為開(kāi)發(fā)工具。整個(gè)系統采用C／S架構，普通用戶(hù)可以進(jìn)行數據的查詢(xún)與可視化，權限用戶(hù)可以進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò )的管理。軟件結構如圖6所示。

監測中心軟件主菜單界面、實(shí)時(shí)數據接收與控制界面和參數分析界面分別如圖7、圖8所示。

4 系統應用
該系統已成功應用于珠江水系上兩座特大橋梁。在兩座橋梁上一共安裝了78個(gè)數據采集單元，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現各采集單元的數據互聯(lián)。從應用結果看，系統運行穩定，數據存儲和無(wú)線(xiàn)傳輸穩定可靠。

圖9為橋梁索力實(shí)時(shí)采集界面，圖10為80個(gè)無(wú)線(xiàn)采集單元15天(21 600 mln)實(shí)際運行在線(xiàn)率統計結果。從圖中可看出，除56號機由于安裝在主梁附近，經(jīng)實(shí)際測試無(wú)線(xiàn)信號很弱的設備掉線(xiàn)時(shí)間較長(cháng)外，90％的無(wú)線(xiàn)數據采集單元在線(xiàn)率達90％以上，系統運行穩定可靠。

5 結論
將3G無(wú)線(xiàn)模塊與ZICBEE無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )模塊統一于A(yíng)T91SAM9G20 ARM微處理器芯片，嵌入LINUX操作系統，設計了橋梁健康監測系統下位機系統。采用VC6．0軟件，設計了橋梁健康監測中心上位機系統。在特大橋梁上80個(gè)采集點(diǎn)實(shí)際應用表明，該系統運行穩定，數據存儲和無(wú)線(xiàn)傳輸穩定可靠，可滿(mǎn)足橋梁結構無(wú)線(xiàn)監測的需求。