基于橋梁結構健康監測的無線傳感系統自愈性研究

　　橋梁等建筑物的結構健康監測( 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)是指利用現場的無損傳感技術， 通過包括建造物結構響應在內的結構系統特性分析，達到建筑物結構的健康診斷、識別、監測的目的。傳統的結構健康監測方法采用有線通信的形式，由于布線的需要，在大型建筑物的結構健康監測中既費時費力， 又價格昂貴。近年來， 隨著無線通信技術的飛速發展，由于無線通信設備易于安裝維護、網絡拓撲變化靈活等特點，無線傳感技術在結構健康監測中的應用正越來越受到人們的關注。

　　1998年 Straser 和Kiremidjian成功研發了第一套無線結構健康監測系統，而后斯坦福大學和密歇根大學開發出計算功能更強、能耗低的無線傳感系統，但該系統只支持單跳的星型網絡拓撲，傳輸距離十分有限，無法勝任大型橋梁的結構健康監測的需要。 文獻[4] 中在GGB( Golden  Gate  Bridge ) 項目中使用的無線傳感系統雖然使用了64個節點，多達46跳的多跳網絡，但該無線傳感系統成本較高，結構復雜，并不適合普遍應用于橋梁監測中。本文針對大型橋梁結構健康監測的需要，設計出一種簇型多跳無線傳感網絡系統，其成本較低，結構簡單。

　　1   系統組成

　　1．1 硬件系統

　　目前國內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，必須能經受住臺風等自然災害的考驗，由此使得對其結構健康監測成為急需解決的問題。為了實施對大跨度橋梁的有效監測，需要沿橋面或橋拱放置眾多的無線傳感器節點，這些監測節點一般成鏈狀分布，如圖1所示。

　　經過中繼節點 R 1 、R 2等的路由轉發功能，不僅可以有效增加傳輸距離，而且由于出錯重傳次數的減少，也提高了通信效率，減少了節點的功耗，從而能很好地適應大型橋梁結構健康監測的需要。該多跳簇型無線傳感器系統包括分布于橋梁上的眾多無線傳感器數據采集節點( N1 ， N 2 ， ……) 、服務器節點和中繼節點( R1 ， R 2 ……) 和備用中繼節點( R1 ’ ， R 2 ’  … …) ( 括號內為各節點的短地址，此處假定每個中繼節點可帶 8 個節點) 。其中服務器節點S是由一臺計算機與無線收發射模塊連接而成，完成與各個采集節點的無線數據收發。無線傳感器節點的硬件系 統框架主要包括傳感器模塊、信號采集處理模塊、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構健康監測的所需數據，常用的模塊包括加速度傳感器、振動傳感器、超聲波傳感器和風壓傳感器等。 

　　1．1．2 信號處理模塊

　　信號采集處理模塊將傳感器所采集的橋梁監測數據( 如三向加速度)，進行放大、濾波、偏壓、A ／D轉換等信號處理后， 通過SPI接口傳給中央控制模塊。   

　　1．1．3 中央控制模塊

　　考慮到功耗以及數據處理能力的要求，中央控制模塊的CPU一般選用低功耗CM0S微處理器，考慮到節點所采集數據存儲的需要，還可外擴存儲單元。 

　　1．1．4 無線通信模塊

　　無線通信模塊采用ZigBee技術的LBEE模塊，傳輸速率為250kit ／s，它具有點對點的傳輸，中繼傳輸，廣播傳輸等模式。在室外點對點的傳輸距離可達120m以上。   

　　1．2 軟件系統架構

　　軟件系統包括兩大部分，一部分程序運行在服務器節點的Pc機上，另一部分運用在無線傳感器采集節點上。服務器的程序與采集節點的相比，除沒有對應于CUP硬件接口的控制程序外，系統管理模塊和應用程序模塊，雖有差異， 但基本相似。 

　　無線傳感器節點的軟件系統構架包括應用程序模塊、系統管理模塊，以及驅動軟件模塊三個部分，如圖2所示。應用程序主要執行橋梁結構健康監測算法，如AR自回歸分析算法，FFT算法，以及根據FFT計算數據的 Peak—Picking 峰值處理算法。這三個算法都可以在節點進行在線的嵌入式計算，再把計算結果發回服務器，從而減少無線數據傳輸量，將極大的減少功耗。

　　 2 無線傳感網絡自愈功能介紹

　　由于本系統長期放置于戶外工作。為了使各節點能夠穩定的采集數據，無線鏈路應該具有一定自愈功能。本系統中采用為每一個中繼節點配備一個備用節點，當原中繼節點出現損壞時，系統自動啟動備用中繼節點代替原中繼，以達到自愈功能。

　　在本系統中，采用了兩個機制來輔助實現自愈功能： 

　　( 1 ) 鏈狀地址分配。如圖1所示，在一個系統中，如果一個中繼節點所帶的最大節點數為m，則協調器的短地址為0，短地址為k的中繼節點所帶的節點短地址為( ｋ+ 1 ) 至( ｋ+m) ，且每個中繼節點的地址都是( 2+m X n ) ( n ＝0 ，1，2 …) ， 每個備用中繼節點的地址為(1+m X n ) ( n = O，1，2 …) 。

　　( 2 ) 中心拓撲儲存。當每個子節點入網時，都會向協調器發送一個入網聲明，其中帶有自己的短地址。而協調器收到該聲明時，也會保存入網節點的短地址。這樣，協調器最終擁有所有入網節點的短地址，且由于鏈狀地址分配使得地址分配具有一定規律性，協調器可以根據已入網的節點得知每個中繼節點所帶的節點數目和地址。 

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

　　故障判定階段：由協調器發送一個鏈路檢測信號給中繼節點，該中繼收到該消息后立刻應答其父節點，然后將這個消息傳給它的子中繼節點。每個中繼節點在收到鏈路檢測消息后都執行該步驟，如果某個中繼節點在經過超時重傳后仍然沒有收到子中繼的應答幀，則認為其子中繼故障，并告知協調器。

　　故障修復階段：當某個中繼節點檢測到其子中繼故障后，則命令該子中繼的備用節點進行重入網，然后清空自己路由表中關于子中繼的信息，這樣備用節點重入網后就會被分配原中繼的短地址。然后備用節點向協調器索取原中繼所帶的所有子節點的短地址，并以此構建路由表。至此，自愈過程完成。

　　本系統在以下兩個情況下會啟動自愈過程： 

　　(1) 整個系統開始新一輪的數據采集，系統進行初始化要求所有節點重人網，若有節點沒有響應，則啟動自愈過程。

　　( 2 ) 協調器在接收數據時，始終不能接收到完整的數據，則啟動 自愈過程來檢測系統，從而防止采集過程中節點出現故障。 

　　本系統自愈功能主要針對中繼節點進行修復，而對采集節點和備用中繼節點的檢測只在同步廣播時進行，根據其是否有響應包進行檢測，若監測到錯誤，將結果告知協調器。 

　　3 總結

　　本文介紹了一種適于大型橋梁結構健康監測需要的無線傳感器網絡系統的軟硬件設計，重點介紹了該系統的自愈功能。通過三層剪切框架模型試驗，本系統能很好地實現對大型橋梁的結構健康監測無線傳感器系統的自愈功能。