基于3G無(wú)線傳感的橋梁集群健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于3G無(wú)線傳感的橋梁集群健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)將3G無(wú)線模塊與ZIGBEE無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊統(tǒng)一于AT91SAM9G20 ARM微處理器芯片，嵌入LINUX操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)。采用VC6．0軟件，設(shè)計(jì)了橋梁健康監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)系統(tǒng)。在橋梁集群上80個(gè)采集點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸穩(wěn)定可靠，可滿足橋梁集群無(wú)線健康監(jiān)測(cè)的需求。
關(guān)鍵詞：3G；橋梁集群；健康監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感

    橋梁是公路的咽喉，其安全問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外極大關(guān)注的重大社會(huì)問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，大跨度橋梁的安全檢測(cè)一直以人工方法為主，傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法存在主觀性強(qiáng)、整體性差、時(shí)效性差等諸多問(wèn)題?；谟芯€網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)具有測(cè)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(hù)成本高，布線困難，傳輸距離受布線長(zhǎng)度的限制?，F(xiàn)有系統(tǒng)均針對(duì)單橋建設(shè)，難以實(shí)現(xiàn)多座橋梁之間的信息互通，各座橋梁之間表現(xiàn)為“信息孤島”，不利于區(qū)域內(nèi)多座橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的集中統(tǒng)一維護(hù)管理。
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點(diǎn)。將無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)，有利于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的小型化、低成本和智能化發(fā)展。目前，無(wú)線傳感器針對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人設(shè)計(jì)了基于TinyOS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)金門(mén)大橋結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測(cè)。Stanford的Jerome P．Lynch等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)線組塊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS)，并在美國(guó)Alamosa峽谷的大橋進(jìn)行了試驗(yàn)。在上述應(yīng)用中都組建了具有多跳路由的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用加速度傳感器檢測(cè)橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)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(yīng)用3G無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究并開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集群式橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多座橋粱的集中統(tǒng)一健康監(jiān)測(cè)，為區(qū)域內(nèi)多座橋梁的統(tǒng)一維護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線傳感層、TD網(wǎng)關(guān)層和中央控制層3層組成。其中，無(wú)線傳感層為基于IEEE802．15．4協(xié)議的ZIGBEE無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用以在被測(cè)區(qū)域內(nèi)采集傳感數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步濾波處理。無(wú)線傳感層采集的數(shù)據(jù)匯聚到TD網(wǎng)關(guān)層，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的本地短時(shí)存儲(chǔ)和3G無(wú)線傳輸。該層的3G無(wú)線處理單元為基于ARM9的32位嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)SPI總線和RS232總線分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無(wú)線模塊，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫對(duì)接。同時(shí)，在每個(gè)3G無(wú)線處理單元中，設(shè)計(jì)了2G的TIF卡存儲(chǔ)空間，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的本地短期保存。中央控制層(橋梁集群健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中心)為基于TCP／IP協(xié)議，采用SOCKET服務(wù)器模式的中央機(jī)房，可實(shí)現(xiàn)對(duì)散布在較大區(qū)域內(nèi)的多個(gè)橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的接收，長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、橋梁狀態(tài)評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)等一系列復(fù)雜功能。

2 無(wú)線傳感系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    無(wú)線傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要涉及無(wú)線傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網(wǎng)關(guān)層的3G無(wú)線處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內(nèi)嵌LINUX操作系統(tǒng)，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560。考慮到準(zhǔn)確計(jì)時(shí)和批量保存數(shù)據(jù)的需要，擴(kuò)展了I2C總線的外部時(shí)鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態(tài)ROM存儲(chǔ)單元CY62157ESL。

2．1 3G無(wú)線模塊相關(guān)電路設(shè)計(jì)
    3G模塊選用華為em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC／IP協(xié)議的無(wú)線模塊。該無(wú)線模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G無(wú)線通信技術(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(tǒng)支持AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)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(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強(qiáng)大的功能。
    由于兩種無(wú)線模塊均通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉(zhuǎn)換芯片。其接口電路如圖3所示。圖中左側(cè)所接電路為無(wú)線通信模塊的RS232接口，右側(cè)電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關(guān)管腳。

2．2 系統(tǒng)通用IO接口電路設(shè)計(jì)
    AT91SAM9G20接口功能豐富，擁有8路12位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷。通過(guò)配制總線，最多可提供76個(gè)通用IO接口。
    由于3G和ZIGBEE無(wú)線串口占用了16個(gè)通用IO接口，以及其它系統(tǒng)占用了部分接口，因此將P2口的P2．0到P2．31接口設(shè)計(jì)為32個(gè)通用數(shù)字I／O接口，通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設(shè)計(jì)設(shè)置為16人、16出；將P3口的P3．0到P3．9接口設(shè)置為10路模擬輸入接口。該種設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具備16路數(shù)字輸入、16路數(shù)字輸出和10路模擬信號(hào)輸入的能力，成為一臺(tái)具有豐富I／O接口的通用測(cè)控平臺(tái)。通用IO接口框圖如圖4所示，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，只有擔(dān)任主節(jié)點(diǎn)的采集單元需要通過(guò)串口2以3G通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，擔(dān)任從節(jié)點(diǎn)的采集單元只需要通過(guò)串口1將主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到從節(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成
3．1下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信程序流程
    下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：CC2530的間歇式采集和3G數(shù)據(jù)通信。采用間歇式采集，一方面是因?yàn)镃C2530在休眠時(shí)段的工作電流在微安級(jí)，可大大降低系統(tǒng)功耗，另一方面，橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多數(shù)為慢響應(yīng)，采集頻率降低，可有效減少冗余數(shù)據(jù)。間歇式數(shù)據(jù)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(jī)程序結(jié)構(gòu)及界面
    在橋梁集群健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中心的上位PC機(jī)要具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、數(shù)據(jù)的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能。以Microsoft VC++6．0，sql Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)為開(kāi)發(fā)工具。整個(gè)系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，普通用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與可視化，權(quán)限用戶可以進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    監(jiān)測(cè)中心軟件主菜單界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收與控制界面和參數(shù)分析界面分別如圖7、圖8所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用
    該系統(tǒng)已成功應(yīng)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(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各采集單元的數(shù)據(jù)互聯(lián)。從應(yīng)用結(jié)果看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸穩(wěn)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)線采集單元15天(21 600 mln)實(shí)際運(yùn)行在線率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可看出，除56號(hào)機(jī)由于安裝在主梁附近，經(jīng)實(shí)際測(cè)試無(wú)線信號(hào)很弱的設(shè)備掉線時(shí)間較長(zhǎng)外，90％的無(wú)線數(shù)據(jù)采集單元在線率達(dá)90％以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論
    將3G無(wú)線模塊與ZICBEE無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊統(tǒng)一于AT91SAM9G20 ARM微處理器芯片，嵌入LINUX操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)。采用VC6．0軟件，設(shè)計(jì)了橋梁健康監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)系統(tǒng)。在特大橋梁上80個(gè)采集點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸穩(wěn)定可靠，可滿足橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)線監(jiān)測(cè)的需求。