1、橋梁健康監測系統設計 物聯網課程設計班 級：成 員：指導老師：摘要橋梁因造價昂貴，服役時間長且維系人們的生命安全而倍受關注。為了避免因難于察覺結構和系統損傷引發災難性的突發事故，橋梁結構健康監測受到了全世界的廣泛關注。為保證橋梁結構的安全性、適用性和耐久性，減少或避免人民生命和國家財產的重大損失，保障公路交通運輸網絡的安全暢通，為這些大跨徑橋梁構建健康與安全監測系統，加強對橋梁健康狀況的監測和評估，促進國民經濟繁榮和發展具有重要意義。本文設計了一種包括嵌入式處理中心，Zigbee傳感器網絡，GPRS數據傳輸系統和信號處理及分析系統的智能橋梁健康監測數據采集系統。目錄摘要1一、研究意義3二、總體

2、設計方案42.1 橋梁健康監測的基本內涵42.2 橋梁健康監測系統的監測內容42.3 橋梁健康監測選用方法52.4總體設計流程圖6三、硬件電路73.1器件選用73.1.1 傳感器選擇73.1.2 無線傳感器網絡節點選擇73.1.3 主控制器選擇93.2電路設計103.2.1 Zigbee網絡架構選擇103.2.2 數據遠程傳輸12四、軟件流程圖134.1協調器的軟件設計144.2路由節點軟件設計154.3終端節點的軟件設計164.4主控制器軟件設計174.5上位機程序結構及界面184.6振動分析性能18五、總結19一、研究意義交通是經濟的命脈，而橋梁則是交通工程的樞紐。然而橋梁在建造和使用過程

3、中，由于受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分在遠沒有達到設計年限前就產生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修，輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導致橋梁突然破壞和倒塌。為保證橋梁結構的安全性、適用性和耐久性，減少或避免人民生命和國家財產的重大損失，保障公路交通運輸網絡的安全暢通，為這些大跨徑橋梁構建健康與安全監測系統，加強對橋梁健康狀況的監測和評估，促進國民經濟繁榮和發展具有重要意義。二、總體設計方案2.1 橋梁健康監測的基本內涵橋梁健康監測的基本內涵即是運用現代的傳感技術，實時地對橋梁結構及部件的

4、材料質量和工作性能方面所存在的缺損狀況進行詳細檢測、試驗、判斷和評價的過程，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。2.2 橋梁健康監測系統的監測內容1，結構的固定模態及其相對應的結構阻尼；2，橋梁在正常車輛荷載及風載作用下的結構響應和力學狀態；3，橋梁在突發事件（如強烈地震、意外大風或其它嚴重事故等）之后的損傷情況；4，橋梁結構構件的真實疲勞狀況；5，橋梁重要非結構構件（如支座）和附屬設施的工作狀態；6，大橋所處的環境條件，如風速、溫度、地面運動等。2.3 橋梁健康監測選用方法監測方法大體可分為基于動力和聯合靜動力的健康監測

5、方法，基于動力學的方法又可以分為如下四類：空間域方法，模態域方法，時域方法，頻域方法。各種方法各有優缺點，將兩三種方法結合起來檢測和評估結構的損傷具有很強的發展趨勢。考慮到結構固有頻率是最容易和最能準確測量的動力參數，且測試簡單，精度高，受測量噪聲影響小，所以本系統設計采用結構參數識別技術中的基于結構測試固有頻率的損傷識別方法。該方法是以結構試驗為基礎，將測取的結構某些部位的反應與原先的模型，分析結果進行綜合比較，通過某種條件優化約束，不斷地修正模型的剛度參數，使理論值與相應的試驗值最大程度地達到吻合，從而得到結構剛度變化的信息，實現結構的損傷判別與定位。2.4總體設計流程圖三、硬件電路3.1

6、器件選用3.1.1 傳感器選擇振動傳感器按所測機械量可分為加速度、速度和位移傳感器。橋梁的振動是非常微小的，橋梁振動都是超低頻，于是我們需要的是一種高靈敏度傳感器。如今有許多橋梁工程用到了加速度傳感器，為了使得橋梁得到更高的穩定性，我們最好是能及時的檢測到橋梁的振動源在什么地方，并且能夠及時的得到振動源的頻率。跨度橋梁的動力特性是研究橋梁振動的基礎。車速對橋梁的振動影響比較小，而平整度對橋梁的振動影響很大，路面等級越低，橋梁振動越劇烈。于是橋梁上的振動檢測加速度傳感器是相當的重要。 綜合考慮我們選擇加速度傳感器。3.1.2 無線傳感器網絡節點選擇傳感器節點是的網絡組成的重要部分，所有

7、的設備控制、任務調度、能量計算和功能協調、通信協議、數據整合和數據轉儲程序都在這個模塊的支持下完成。傳感器節點通常是一個微型嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。傳感器節點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。如圖3.1所示。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身的數據及其它節點發送來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量模塊為傳感器節點提供運行所需的能量。圖3.1無線傳感器體節點系結構無線傳感網絡的無線通信技術

8、可以采用ZigBee技術、藍牙、Wi-Fi和紅外等技術。基于ZigBee技術是一種具有功耗低、系統簡單、組網方式靈活、成本低、低等待時間等特性的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術，具有在固定的時間間隔傳輸數據的低速率特性，滿足健康監測中，以一定的采集頻率，將各個傳感器節點周期性采集到監測數據，傳送至監控中心進行分析和處理。相比其他無線網絡技術，ZigBee技術更適合在橋梁健康監測中應用。考慮到項目以下幾個特點：需要進行數據采集和控制的節點較多；應用對數據傳輸速率和成本要求不高；野外布置網絡節點，進行簡單的數據傳輸。我們決定采用TI

9、公司的CC2530模塊。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應用的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。3.1.3 主控制器選擇 出于對stm32的以下優越性能的考慮，采用stm32模塊做主控制器。1、搭載ARM公司最新的、具有先進架構的Cortex-M3內核 2、出色的實時性能 3、優越的功效 4、高級的、創新型外設 5、最大的集成性 6、易于

10、開發，加速了面市時間7、性價比高8、穩定性強3.2電路設計3.2.1 Zigbee網絡架構選擇ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀三種拓撲結構。1)星型網絡：由一個協調器和多個終端設備組成的單跳網絡，只存在協調器與各個終端設備之間的通信，而各終端設備間的通信由協調器進行轉發。2)樹型網絡：由一個協調器和一個或多個星狀結構連接而成，設備除能與父節點或子節點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳遞。3)網狀網絡：基于樹狀網絡，區別在于網狀網絡中允許所有具有路由功能的節點直接互連，由路由器中的路由表配合實現消息的網狀路由，以更多的存儲空間開銷為代價減少了消息延時

11、，增強可靠性。依據實際需要我們選擇樹型網絡。樹形拓撲包括一個Co-ordinator（協調者）以及一系列的Router（路由器）和End Device（終端）節點。其中，協調器節點負責發起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡;路由器節點支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發;終端節點是網絡的感知者和執行者，負責數據采集和可執行的網絡動作。這就要求zigbee網絡節點需扮演終端感知者、網絡支持者、網絡協調者3種角色。Co-ordinator 連接一系列的Router和End Device，他的子節點的Router也可以連接一系列Router和End Device。這樣可以重復多個層

12、級。樹形拓撲的結構如圖3.2所示：圖3.2樹形拓撲結構圖樹形拓撲中的通訊規則：每一個節點都只能和他的父節點和子節點之間通訊。如果需要從一個節點向另一個節點發送數據，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節點然后再向下傳遞到目標節點。這種拓撲方式的缺點就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協議棧層處理的，整個的路由過程對于應用層是完全透明的。3.2.2 數據遠程傳輸 據遠程傳輸子系統是嵌入式橋梁健康監測數據采集系統的數據傳輸通道，用它通過GPRS網絡將現場數據中心的橋梁數據信息直接反饋給業主用戶或上傳遠程數據服務器以便對橋梁進一步觀測與評估。現場數據預處理子系統在設計中加入通用GPR

13、S模塊，利用GPRS網絡進行數據傳輸是遠程數據傳輸的核心思想。系統采用GPRS方式進行數據傳輸的示意圖如下圖所示。四、軟件流程圖由上圖可見，本系統軟件設計包括傳感器終端節點設計，路由節點，協調器節點，主控制器和上位機五部分。終端節點和路由節點和協調器節點組成ZigBee監測網絡。節點軟件系統大致分為主程序處理模塊、初始化模塊、建立網絡及通信模塊、數據采集轉換模塊等。主程序處理模塊用來調用其他模塊完成應該實現的功能；初始化模塊用來初始化RAM、硬件電路的LED、串口等并設置模塊參數，例如：內部各種寄存器的設置，工作模式的設置(波特率)等，完成后中斷，循環等待中斷；建立網絡及通信模塊用來建立網絡并

14、建立節點間的聯系；數據采集模塊是采集并處理模數轉換后的傳感器數據。計算機程序是上位機程序，實現數據的實時顯示和在SQL Server 2000數據庫中的存儲、調用。4.1協調器的軟件設計協調器子進程流程如下圖所示。協調器子進程首先進行初始化，然后打開協調器的電源，初始化Zigbee模塊并建立一個新的Zigbee網絡，接著系統進入無線監控狀態，等待節點響應。如果是傳感器返回監測環境數據，則進行數據封包和串口發送；如果是節點入網請求，剛為其分配網絡地址，并向其廣播數據采集命令。4.2路由節點軟件設計在嵌入式橋梁健康監測數據采集系統中，路由節點僅用作路由，其軟件設計比較簡單。路由節點軟件的程序流程如

15、下圖所示，程序首先初始化Zigbee芯片CC2530，然后初始化協議棧，發送加入網絡信號。這個信號將被前面的路由節點或直接被網絡協調器接收到，它們給出應答并給路由分配地址。默認的地址編號序列為0x0001，0x0002依次進行。4.3終端節點的軟件設計與路由節點的軟件稍有區別，數據采集終端節點需要在檢測成功加入已存在的網絡后按照設定頻率進行。數據采集終端節點軟件的程序流程如下圖所示，程序同樣先初始化CC2530，然后打開傳感器電源，然后初始化Zigbee協議棧。發送加入網絡信號，等待協調器或者路由器給自己分配網絡地址。當加入網絡成功后，RFD數據采集終端節點按照協調器設定的采集頻率進行傳感器數

16、據采集并封包，然后將傳感器數據包發送給協調器，并接收應答信號。如果協調器接收到有效的傳感器數據，終端節點便回到空閑狀態；如果接收到的數據有誤或者沒有收到數據，終端節點會立即重新采集一次數據發送給主機協調器，直到發送成功為止。4.4主控制器軟件設計現場預處理子系統的軟件設計流程圖如下圖所示。系統啟動后首先初始化數據庫，包括生成數據庫文件(首次運行)和建立數據表。然后設定網絡采集頻率，然后調用協調器子進程，并且主機進入串口數據監控狀態，等待監測數據信號。如果監測到數據信號，則對數據進行解析、打包并進行數據庫存儲。通過GPRS傳送到計算機。計算對數據處理后顯示在計算機屏幕上。運行在PC機上的軟件主要

17、由數據收發模塊，數據顯示模塊，數據處理模塊和數據存儲模塊，顯示模塊組成。數據收發模塊用于接收網絡中所有節點傳輸來的數據，同時將各種管理命令發布到指定節點。數據顯示模塊將各節點檢測的數據以表格的形式顯示給當前用戶，用戶亦可根據實時數據選用曲線形式顯示，對健康狀況實時監測。數據處理模塊，數據處理模塊主要完成串口數據處理轉換，主要包括采集數據、查詢命令轉換。同時結合各種損傷算法，對各節點數據進行單獨處理和融合處理。數據存儲模塊，對數據進行高效管理，并為歷史查詢和計算分析服務，以數據庫管理系統作為后臺數據庫，方便用戶查詢實時和歷史數據。4.5上位機程序結構及界面 采用Microsoft Visual

18、Studio或Labview設計。4.6振動分析性能由于損傷使結構剛度發生改變，而結構剛度的改變將導致其固有的頻率發生變化，因此根據測量結構固有頻率的變化便可監測到損傷的存在。然而，對損傷位置和損傷程度的識別則需要結合結構的理論分析模型來完成。對于單一的損傷，依據兩階模態固有頻率的變化之比是損傷位置的函數，而與損傷程度無關。對采集回來的加速度信號進行傅里葉變換，可知道橋梁振動的頻率信息，從而判斷橋梁損傷狀況。通過對加速度的幅值信號進行分析處理，可以知道橋梁受力狀況，并對過高受力進行報警處理。對加速度信號進行積分，二次積分可知道橋梁的能量狀況和形變狀況，為橋梁全面分析提供了保障。五、總結橋梁健康監測為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。在橋梁健康監測中采用Zigbee無線傳感器系統平臺硬件節點易于安裝拆除、軟件實時可靠，應用該網絡系統平臺既省去了布設導線的費用、又節省安裝時間。在橋梁結構健康監測中具有廣闊的發展前景。 通過這次項目小制作，對系統設計流程有了大體的了解。在開始接觸橋梁健康健