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基于无线传感器网络的桥梁监测系统研究

作者:时间:2012-12-05来源:网络收藏

摘 要:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/159655.htm

的自然老化、劣化将会影响其安全与正常使用, 甚至造成重大的人员伤亡和财产损失, 已成为交通运输部门关注的严重问题。本文将技术引入结构健康领域。提出了钢筋电阻检测方案。对操作(TinyOS)进行了和移植。

1 引言

WSN(Wireless Sensol Network)是计算机、通信和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,网络被列为第一。通过无线传感器网络,能够实时地、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、 环境等领域有着广阔的应用前景。桥梁结构健康监测是一个特殊的环境监测

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。

传感器网络的体系结构

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。

光纤传感器相关文章:光纤传感器原理

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