桥梁健康监测系统设计

桥梁健康监测系统设计物联网课程设计班 级:成 员:指导老师:摘要桥梁因造价昂贵，服役时间长且维系人们的生命安全而倍 受关注。为了避免因难于察觉结构和系统损伤引发灾难性的突 发事故，桥梁结构健康监测受到了全世界的广泛关注。为保证 桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，减少或避免人民生命和 国家财产的重大损失，保障公路交通运输网络的安全畅通，为 这些大跨径桥梁构建健康与安全监测系统，加强对桥梁健康状 况的监测和评估，促进国民经济繁荣和发展具有重要意义。本 文设计了一种包括嵌入式处理中心，Zigbee传感器网络，GPRS 数据传输系统和信号处理及分析系统的智能桥梁健康监测数 据采集系统。目录摘要1一、研究意义2二、总体设计方案32.1桥梁健康监测的基本内涵42.2桥梁健康监测系统的监测内容42.3桥梁健康监测选用方法42.4总体设计流程图6三、硬件电路73.1器件选用73.1.1传感器选择73.1.2无线传感器网络节点选择73.1.3主控制器选择93.2电路设计93.2.1 Zigbee网络架构选择93.2.2数据远程传输11四、软件流程图134.1协调器的软件设计144.2路由节点软件设计144.3终端节点的软件设计154.4主控制器软件设计164.5上位机程序结构及界面184.6振动分析性能18五、总结19、研究意义交通是经济的命脉，而桥梁则是交通工程的枢纽。然而桥 梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车 辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的 不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不 同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修， 轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破 坏和倒塌。为保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，减少 或避免人民生命和国家财产的重大损失，保障公路交通运输网 络的安全畅通，为这些大跨径桥梁构建健康与安全监测系统， 加强对桥梁健康状况的监测和评估，促进国民经济繁荣和发展 具有重要意义。二、总体设计方案2.1桥梁健康监测的基本内涵桥梁健康监测的基本内涵即是运用现代的传感技术，实时 地对桥梁结构及部件的材料质量和工作性能方面所存在的缺 损状况进行详细检测、试验、判断和评价的过程，为大桥在特 殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号， 为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。2.2桥梁健康监测系统的监测内容1，结构的固定模态及其相对应的结构阻尼；2, 桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状 态；3, 桥梁在突发事件（如强烈地震、意外大风或其它严重事 故等）之后的损伤情况；4, 桥梁结构构件的真实疲劳状况；5, 桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施的工作状态；6, 大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。2.3桥梁健康监测选用方法监测方法大体可分为基于动力和联合静动力的健康监测 方法，基于动力学的方法又可以分为如下四类:空间域方法， 模态域方法，时域方法，频域方法。各种方法各有优缺 点，将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的 发展趋势。考虑到结构固有频率是最容易和最能准确测量的动 力参数，且测试简单，精度高，受测量噪声影响小，所以本系 统设计采用结构参数识别技术中的基于结构测试固有频率的 损伤识别方法。该方法是以结构试验为基础，将测取的结构某些部位的反 应与原先的模型，分析结果进行综合比较，通过某种条件优化 约束，不断地修正模型的刚度参数，使理论值与相应的试验值 最大程度地达到吻合，从而得到结构刚度变化的信息，实现结 构的损伤判别与定位。2.4总体设计流程图三、硬件电路3.1器件选用3.1.1传感器选择振动传感器按所测机械量可分为加速度、速度和位移传感 器。桥梁的振动是非常微小的，桥梁振动都是超低频，于是我 们需要的是一种高灵敏度传感器。如今有许多桥梁工程用到了 加速度传感器，为了使得桥梁得到更高的稳定性，我们最好是 能及时的检测到桥梁的振动源在什么地方，并且能够及时的得 到振动源的频率。跨度桥梁的动力特性是研究桥梁振动的基础。车速对桥梁 的振动影响比较小，而平整度对桥梁的振动影响很大，路面等 级越低，桥梁振动越剧烈。于是桥梁上的振动检测加速度传感 器是相当的重要。综合考虑我们选择加速度传感器。3.1.2无线传感器网络节点选择传感器节点是的网络组成的重要部分，所有的设备控制、 任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据 转储程序都在这个模块的支持下完成。传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、 存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。 传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和 能量供应模块四部分组成。如图3.1所示。传感器模块负责监 测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传 感器节点的操作，存储和处理本身的数据及其它节点发送来的 数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量模块为传感器节点提供运行 所需的能量。图3.1无线传感器体节点系结构无线传感网络的无线通信技术可以采用ZigBee技术、蓝 牙、Wi-Fi和红外等技术。基于ZigBee技术是一种具有功耗低、 系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等特性的双向 无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线 标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术， 具有在固定的时间间隔传输数据的低速率特性，满足健康监测 中，以一定的采集频率，将各个传感器节点周期性采集到监测 数据，传送至监控中心进行分析和处理。相比其他无线网络技 术，ZigBee技术更适合在桥梁健康监测中应用。考虑到项目以下几个特点：需要进行数据采集和控制的 节点较多；应用对数据传输速率和成本要求不高；野外布 置网络节点，进行简单的数据传输。我们决定采用TI公司的 CC2530 模块。CC2530 是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 应 用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料 成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的 优良性能，业界标准的增强型8051 CPU,系统内可编程闪存， 8KB RAM等强大的功能。3.1.3主控制器选择出于对stm32的以下优越性能的考虑，采用stm32模块做 主控制器。1、搭载ARM公司最新的、具有先进架构的Cortex-M3内 核2、出色的实时性能3、优越的功效4、高级的、创新型外设5、最大的集成性6、易于开发，加速了面市时间7、性价比高8、稳定性强3.2电路设计3.2.1Zigbee网络架构选择ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和 网状三种拓扑结构。1）星型网络：由一个协调器和多个终端设备组成的单跳网 络，只存在协调器与各个终端设备之间的通信，而各终端设备 间的通信由协调器进行转发。2）树型网络：由一个协调器和一个或多个星状结构连接而 成，设备除能与父节点或子节点进行点对点直接通信外，其他 只能通过树状路由完成消息传递。3）网状网络：基于树状网络，区别在于网状网络中允许所 有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表配合实 现消息的网状路由，以更多的存储空间开销为代价减少了消息 延时，增强可靠性。依据实际需要我们选择树型网络。树形拓扑包括一个Co-ordinator （协调者）以及一系列的 Router （路由器）和End Device （终端）节点。其中，协调器 节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网 络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节 点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动 作。这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持 者、网络协调者3种角色。Co-ordinator连接一系列的Router 和End Device，他的子节点的Router也可以连接一系列Router 和End Device。这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如图 3.2所示：图3.2树形拓扑结构图树形拓扑中的通讯规则：每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将 沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到 目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。 另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应 用层是完全透明的。3.2.2数据远程传输据远程传输子系统是嵌入式桥梁健康监测数据采集系统 的数据传输通道，用它通过GPRS网络将现场数据中心的桥梁 数据信息直接反馈给业主用户或上传远程数据服务器以便对 桥梁进一步观测与评估。现场数据预处理子系统在设计中加入 通用GPRS模块，利用GPRS网络进行数据传输是远程数据传 输的核心思想。系统采用GPRS方式进行数据传输的示意图如 下图所示。用户四、软件流程图图1桥梁监测系统网络结构由上图可见，本系统软件设计包括传感器终端节点设计， 路由节点，协调器节点，主控制器和上位机五部分。终端节点 和路由节点和协调器节点组成ZigBee监测网络。节点软件系统大致分为主程序处理模块、初始化模块、建 立网络及通信模块、数据采集转换模块等。主程序处理模块用 来调用其他模块完成应该实现的功能;初始化模块用来初始化 RAM、硬件电路的LED、串口等并设置模块参数，例如：内部 各种寄存器的设置，工作模式的设置（波特率）等，完成后中断，循环等待中断；建立网络及通信模块用来建立网络并建立节点 间的联系；数据采集模块是采集并处理模数转换后的传感器数 据。计算机程序是上位机程序，实现数据的实时显示和在SQL Server 2000数据库中的存储、调用。4.1协调器的软件设计协调器子进程流程如下图所示。协调器子进程首先进行初始化， 然后打开协调器的电源，初始化Zigbee模块并建立一个新的Zigbee 网络，接着系统进入无线监控状态，等待节点响应。如果是传感器 返回监测环境数据，则进行数据封包和串口发送；如果是节点入网 请求，刚为其分配网络地址，并向其广播数据采集命令。在嵌入式桥梁健康监测数据采集系统中，路由节点仅用作 路由，其软件设计比较简单。路由节点软件的程序流程如下图 所示，程序首先初始化Zigbee芯片CC2530，然后初始化协议 栈，发送加入网络信号。这个信号将被前面的路由节点或直接 被网络协调器接收到，它们给出应答并给路由分配地址。默认 的地址编号序列为0x0001，0x0002依次进行。4.3终端节点的软件设计与路由节点的软件稍有区别，数据采集终端节点需要在检 测成功加入已存在的网络后按照设定频率进行。数据采集终端15 / 20节点软件的程序流程如下图所示，程序同样先初始化CC2530, 然后打开传感器电源，然后初始化Zigbee协议栈。发送加入网 络信号，等待协调器或者路由器给自己分配网络地址。当加入 网络成功后，RFD数据采集终端节点按照协调器设定的采集频 率进行传感器数据采集并封包，然后将传感器数据包发送给协 调器，并接收应答信号。如果协调器接收到有效的传感器数据，终端节点便回到空闲状态；如果接收到的数据有 误或者没有收到数据，终端节点会立即重新采集一次数据发送 给主机协调器，直到发送成功为止。4.4主控制器软件设计现场预处理子系统的软件设计流程图如下图所示。系统启 动后首先初始化数据库，包括生成数据库文件（首次运行）和建 立数据表。然后设定网络采集频率，然后调用协调器子进程，16 / 20并且主机进入串口数据监控状态，等待监测数据信号。如果监 测到数据信号，则对数据进行解析、打包并进行数据库存储。 通过GPRS传送到计算机。计算对数据处理后显示在计算机屏 幕上。运行在PC机上的软件主要由数据收发模块，数据显示模 块，数据处理模块和数据存储模块，显示模块组成。数据收发 模块用于接收网络中所有节点传输来的数据，同时将各种管理 命令发布到指定节点。数据显示模块将各节点检测的数据以表 格的形式显示给当前用户，用户亦可根据实时数据选用曲线形 式显示，对健康状况实时监测。数据处理模块，数据处理模块 主要完成串口数据处理转换，主要包括采集数据、查询命令转 换。同时结合各种损伤算法，对各节点数据进行单独处理和融 合处理。数据存储模块，对数据进行高效管理，并为历史查询 和计算分析服务，以数据库管理系统作为后台数据库，方便用 户查询实时和历史数据。解析、打包数据4.5上位机程序结构及界面采用 Microsoft Visual Studio 或 Labview 设计。4.6振动分析性能由于损伤使结构刚度发生改变，而结构刚度的改变将导致 其固有的频率发生变化，因此根据测量结构固有频率的变化便 可监测到损伤的存在。然而，对损伤位置和损伤程度的识别则 需要结合结构的理论分析模型来完成。对于单一的损伤，依据 两阶模态固有频率的变化之比是损伤位置的函数，而与损伤程 度无关。对采集回来的加速度信号进行傅里叶变换，可知道桥梁 振动的频率信息，从而判断桥梁损伤状况。通过对加速度的幅 值信号进行分析处理，可以知道桥梁受力状况，并对过高受力 进行报警处理。对加速度信号进行积分，二次积分可知道桥梁 的能量状况和形变状况，为桥梁全面分析提供了保障。五、总结桥梁健康监测为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营 状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策 提供依据和指导。在桥梁健康监测中采用Zigbee无线传感器 系统平台硬件节点易于安装拆除、软件实时可靠，应用该网络 系统平台既省去了布设导线的费用、又节省安装时间。在桥梁 结构健康监测中具有广阔的发展前景。通过这次项目小制作，对系统设计流程有了大体的了解。 在开始接触桥梁健康健康监测这个题目的时候，感到很陌生， 跨专业太大，无从下手。在查找参考了大量的文献资料后对桥 梁健康监测有了一个大概的认识。这其中涉及的组网是这次项 目小制作的核心，研究了许多组网方案，由于在这方面技术的 跟新发展很迅速，参阅的资料很少有最新的组网设计应用，最 终我们选择了基于TI公司的CC2530无线模块作为组网节点。 由于没有具体数据，上位机的设计只能停留于纸面。对于振动 的性能分析也只限于理论分析思考。此次项目小制作让我明白 了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查 询，要认真钻研，动脑思考，同时要注重团队合作精神，一个 人的思考和能力都有局限性，通过合作能为事情解决提供坚实 的后盾。