无线传感器网络的桥梁监测系统研究

    1 引言

    无线传感器网络wsn(wireless sensol network)是计算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，是目前计算机科学领域一个非常活跃的研究分支。2003年2月美国技术*论杂志(《technology review》)*出对人类未来生活产生深远影响的十大新技术，无线传感器网络被列为第一。通过无线传感器网络，能够实时地监测、感知和采集其节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如温度、湿度、应变、挠度、振动等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、医疗护理、 智能家居、 工业生产控制、 环境监测等领域有着广阔的应用前景。桥梁结构健康监测系统是一个特殊的环境监测系统。

    桥梁是交通运输网络的重要组成部分,一旦桥梁出现坍塌, 造成的经济损失和灾害将十分巨大。如加拿大(魁北克,1907 年) 、美国(塔科马海峡,1940 年) 、韩国(汉江圣水,1994年) 、中国的綦江彩虹桥(1999 年)、中国的江苏常州运河大桥[3](2007 年)等。因此, 及时获取桥梁结构状态参数(应变、挠度、振动等)，开展状态参数监测及安全*估工作, 对全面分析和了解桥梁工作状态、实现事故预先报警、预防突发性灾难、避免人员伤亡和确保基础设施安全意义非常重大。

    2 系统的体系结构

    本系统采用同构型体系结构，如图1 所示，它包括传感器节点、网关、互联网和监控中心等。传感器节点主要分布在桥体中，节点具有信息获取、信号处理、路由计算和信息转发的功能。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如internet、卫星或移动通信网络等。

图1 传感器网络的体系结构

    3 网络节点设计

    在不同应用中, 传感器网络节点的组成不尽相同, 但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。对于我们研究的桥梁结构健康监测系统，传感器部分有内模块和外模块之分， 内模块检测温度、湿度等常规状态参数;外模块一般要在建桥过程中一起规划安装。这里我们提出两种传感器外模块方案：光纤传感器埋入式和桥梁钢筋电阻检测式。 光纤传感器埋入式是1989 年美国brown university 的mendez 等人首次提出，随后美国、欧洲、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术应用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。桥梁钢筋电阻检测方案是我们新提出来的，其应用更简单有效。光纤传感器埋入式方案的特点是，光纤传感器耐腐蚀性强、耐久性好，因其体积小、重量轻、结构简单,故埋入土木工程结构后对基体材料特性几乎没有影响。 利用单模和多模光纤传感器可以探测混凝土构件(如梁、板、柱)实体结构的应力、应变、挠度、弯曲、凝结、裂缝、蠕变以及整个结构的位移等参数。桥梁钢筋电阻检测方案的使用条件是要求被测钢筋不短路(用绝缘材料做钢筋箍)，通过测试桥梁结构中的关键钢筋阻值变化情况判断桥梁的状态变化。

    处理器模块选用atmel 公司的8 位低功耗avr 微处理器芯片atmega128l 作为传感器节点的cpu, 负责数据的存储和处理。无线通信模块采用支持ieee 802.15.4 协议的无线收发芯片cc2420。 cc2420 在硬件上实现了ieee 802.15.4 的mac 子层安全操作, 跟处理器之间通过spi 接口访问。电源部分则采用3 节7 号锂电池供电。

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