基于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無線傳感系統(tǒng)自愈性研究

　　橋梁等建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)( S t r u c t u r a l   He a l t h   M o n i t o r i n g ， S H M)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感技術(shù)， 通過包括建造物結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到建筑物結(jié)構(gòu)的健康診斷、識(shí)別、監(jiān)測(cè)的目的。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法采用有線通信的形式，由于布線的需要，在大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中既費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 又價(jià)格昂貴。近年來， 隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，由于無線通信設(shè)備易于安裝維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓`活等特點(diǎn)，無線傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用正越來越受到人們的關(guān)注。

　　1998年 Straser 和Kiremidjian成功研發(fā)了第一套無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而后斯坦福大學(xué)和密歇根大學(xué)開發(fā)出計(jì)算功能更強(qiáng)、能耗低的無線傳感系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只支持單跳的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑐鬏斁嚯x十分有限，無法勝任大型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需要。 文獻(xiàn)[4] 中在GGB( Golden  Gate  Bridge ) 項(xiàng)目中使用的無線傳感系統(tǒng)雖然使用了64個(gè)節(jié)點(diǎn)，多達(dá)46跳的多跳網(wǎng)絡(luò)，但該無線傳感系統(tǒng)成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不適合普遍應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)中。本文針對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)出一種簇型多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　1   系統(tǒng)組成

　　1．1 硬件系統(tǒng)

　　目前國內(nèi)所建大跨度長距離橋梁越來越多，特別是一些跨海大橋的建設(shè)，必須能經(jīng)受住臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的考驗(yàn)，由此使得對(duì)其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為急需解決的問題。為了實(shí)施對(duì)大跨度橋梁的有效監(jiān)測(cè)，需要沿橋面或橋拱放置眾多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)一般成鏈狀分布，如圖1所示。

　　經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn) R 1 、R 2等的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，不僅可以有效增加傳輸距離，而且由于出錯(cuò)重傳次數(shù)的減少，也提高了通信效率，減少了節(jié)點(diǎn)的功耗，從而能很好地適應(yīng)大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需要。該多跳簇型無線傳感器系統(tǒng)包括分布于橋梁上的眾多無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)( N1 ， N 2 ， ……) 、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)( R1 ， R 2 ……) 和備用中繼節(jié)點(diǎn)( R1 ’ ， R 2 ’  … …) ( 括號(hào)內(nèi)為各節(jié)點(diǎn)的短地址，此處假定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可帶 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)) 。其中服務(wù)器節(jié)點(diǎn)S是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與無線收發(fā)射模塊連接而成，完成與各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件系 統(tǒng)框架主要包括傳感器模塊、信號(hào)采集處理模塊、核心控制模塊和無線通信模塊。

　　1．1．1 傳感器模塊

　　傳感器模塊用于采集各種用于建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的所需數(shù)據(jù)，常用的模塊包括加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、超聲波傳感器和風(fēng)壓傳感器等。 

　　1．1．2 信號(hào)處理模塊

　　信號(hào)采集處理模塊將傳感器所采集的橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)( 如三向加速度)，進(jìn)行放大、濾波、偏壓、A ／D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理后， 通過SPI接口傳給中央控制模塊。   

　　1．1．3 中央控制模塊

　　考慮到功耗以及數(shù)據(jù)處理能力的要求，中央控制模塊的CPU一般選用低功耗CM0S微處理器，考慮到節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，還可外擴(kuò)存儲(chǔ)單元。 

　　1．1．4 無線通信模塊

　　無線通信模塊采用ZigBee技術(shù)的LBEE模塊，傳輸速率為250kit ／s，它具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，中繼傳輸，廣播傳輸?shù)饶Ｊ?。在室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸距離可達(dá)120m以上。   

　　1．2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

　　軟件系統(tǒng)包括兩大部分，一部分程序運(yùn)行在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的Pc機(jī)上，另一部分運(yùn)用在無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)上。服務(wù)器的程序與采集節(jié)點(diǎn)的相比，除沒有對(duì)應(yīng)于CUP硬件接口的控制程序外，系統(tǒng)管理模塊和應(yīng)用程序模塊，雖有差異， 但基本相似。 

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)構(gòu)架包括應(yīng)用程序模塊、系統(tǒng)管理模塊，以及驅(qū)動(dòng)軟件模塊三個(gè)部分，如圖2所示。應(yīng)用程序主要執(zhí)行橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)算法，如AR自回歸分析算法，F(xiàn)FT算法，以及根據(jù)FFT計(jì)算數(shù)據(jù)的 Peak—Picking 峰值處理算法。這三個(gè)算法都可以在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行在線的嵌入式計(jì)算，再把計(jì)算結(jié)果發(fā)回服務(wù)器，從而減少無線數(shù)據(jù)傳輸量，將極大的減少功耗。

　　 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)自愈功能介紹

　　由于本系統(tǒng)長期放置于戶外工作。為了使各節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定的采集數(shù)據(jù)，無線鏈路應(yīng)該具有一定自愈功能。本系統(tǒng)中采用為每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)備用節(jié)點(diǎn)，當(dāng)原中繼節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)損壞時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)備用中繼節(jié)點(diǎn)代替原中繼，以達(dá)到自愈功能。

　　在本系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)機(jī)制來輔助實(shí)現(xiàn)自愈功能： 

　　( 1 ) 鏈狀地址分配。如圖1所示，在一個(gè)系統(tǒng)中，如果一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所帶的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為m，則協(xié)調(diào)器的短地址為0，短地址為k的中繼節(jié)點(diǎn)所帶的節(jié)點(diǎn)短地址為( ｋ+ 1 ) 至( ｋ+m) ，且每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的地址都是( 2+m X n ) ( n ＝0 ，1，2 …) ， 每個(gè)備用中繼節(jié)點(diǎn)的地址為(1+m X n ) ( n = O，1，2 …) 。

　　( 2 ) 中心拓?fù)鋬?chǔ)存。當(dāng)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，都會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)聲明，其中帶有自己的短地址。而協(xié)調(diào)器收到該聲明時(shí)，也會(huì)保存入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的短地址。這樣，協(xié)調(diào)器最終擁有所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的短地址，且由于鏈狀地址分配使得地址分配具有一定規(guī)律性，協(xié)調(diào)器可以根據(jù)已入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)得知每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)所帶的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和地址。 

　　自愈過程一般包括故障判定階段和故障修復(fù)階段。本系統(tǒng)的故障判定階段和故障修復(fù)階段如下：

　　故障判定階段：由協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)鏈路檢測(cè)信號(hào)給中繼節(jié)點(diǎn)，該中繼收到該消息后立刻應(yīng)答其父節(jié)點(diǎn)，然后將這個(gè)消息傳給它的子中繼節(jié)點(diǎn)。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在收到鏈路檢測(cè)消息后都執(zhí)行該步驟，如果某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過超時(shí)重傳后仍然沒有收到子中繼的應(yīng)答幀，則認(rèn)為其子中繼故障，并告知協(xié)調(diào)器。

　　故障修復(fù)階段：當(dāng)某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到其子中繼故障后，則命令該子中繼的備用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重入網(wǎng)，然后清空自己路由表中關(guān)于子中繼的信息，這樣備用節(jié)點(diǎn)重入網(wǎng)后就會(huì)被分配原中繼的短地址。然后備用節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器索取原中繼所帶的所有子節(jié)點(diǎn)的短地址，并以此構(gòu)建路由表。至此，自愈過程完成。

　　本系統(tǒng)在以下兩個(gè)情況下會(huì)啟動(dòng)自愈過程： 

　　(1) 整個(gè)系統(tǒng)開始新一輪的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)進(jìn)行初始化要求所有節(jié)點(diǎn)重人網(wǎng)，若有節(jié)點(diǎn)沒有響應(yīng)，則啟動(dòng)自愈過程。

　　( 2 ) 協(xié)調(diào)器在接收數(shù)據(jù)時(shí)，始終不能接收到完整的數(shù)據(jù)，則啟動(dòng) 自愈過程來檢測(cè)系統(tǒng)，從而防止采集過程中節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障。 

　　本系統(tǒng)自愈功能主要針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)，而對(duì)采集節(jié)點(diǎn)和備用中繼節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)只在同步廣播時(shí)進(jìn)行，根據(jù)其是否有響應(yīng)包進(jìn)行檢測(cè)，若監(jiān)測(cè)到錯(cuò)誤，將結(jié)果告知協(xié)調(diào)器。 

　　3 總結(jié)

　　本文介紹了一種適于大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的自愈功能。通過三層剪切框架模型試驗(yàn)，本系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感器系統(tǒng)的自愈功能。