基于無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

基于無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

0無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡是國內(nèi)外科學領域的研究熱點。節(jié)點具有低效率、低體積、高智能程度等特點。將無線傳感技術應用于橋梁健康監(jiān)測,有利于整個監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、低成本和智能化發(fā)展。目前,無線傳感器針對橋梁健康監(jiān)測方面的應用主要有:UCBerkeley的SukunKim等人設計了基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng),并實現(xiàn)了對金門大橋結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測。Stanford的JeromeP.Lynch等人設計了一種無線組塊監(jiān)測系統(tǒng)(WirelessModularMonitoringSystems,WiMMS),并在美國Alamosa峽谷的大橋進行了試驗。在上述應用中都組建了具有多跳路由的無線傳感器網(wǎng)絡,應用加速度傳感器檢測橋梁振動數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最終得到橋梁振動的固有頻率來判斷橋梁的健康情況。文中應用無線傳感器網(wǎng)絡技術,研究并開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)體積小,功耗低,組建了分簇的多跳網(wǎng)絡,通過加速度傳感器測量橋梁的振動來對橋梁的固有頻率進行分析。1器節(jié)點設計無線傳感器網(wǎng)絡由分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點組成,節(jié)點通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。目標數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡內(nèi)進行傳輸,最終通過匯聚節(jié)點發(fā)送至用戶終端。1.1芯片組成和設計無線傳感器網(wǎng)絡由大量傳感器節(jié)點組成,每個傳感器節(jié)點是一個典型的微型嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)所開發(fā)的系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件的組成如圖1所示。在圖1中,單個傳感器節(jié)點包括電源供應,數(shù)據(jù)采集,處理器,數(shù)據(jù)存儲和無線通信五個部分。電源供應部分包括鋰電池,電源管理電路;數(shù)據(jù)采集包括SD1221加速度傳感器和信號處理電路;處理器部分選擇低功耗高性能的MSP430系列芯片;系統(tǒng)采用1MByte的串行Flash芯片M25P80作為數(shù)據(jù)存儲載體,CC2420為系統(tǒng)無線通信的核心器件。1.2應用層的協(xié)議層系統(tǒng)軟件開發(fā)基于UCBerkeley開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)TinyOS平臺進行,軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖中詞匯為軟件中各個模塊和接口名稱。在圖2中,系統(tǒng)軟件從上至下分為應用層,協(xié)議層和硬件抽象層。三層之間通過服務接口進行通信。應用層提供包括基于監(jiān)測任務的應用軟件(ZD-BHM)服務;協(xié)議層包括路由協(xié)議(NS-MCRP),時間同步協(xié)議(TimeSyn),能量管理協(xié)議(DutyCircle),以及傳感器數(shù)據(jù)管理(DataPool),各個協(xié)議模塊通過接口為應用層提供服務;硬件抽象層對節(jié)點硬件進行驅(qū)動和抽象,提供硬件驅(qū)動接口供協(xié)議層進行調(diào)用。2感器網(wǎng)絡的能量模型應用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡滿足以下幾個條件:(1)網(wǎng)絡建立后,網(wǎng)絡中各個節(jié)點的物理位置確定。網(wǎng)絡中節(jié)點的物理位置信息相互透明。(2)作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用的無線傳感器網(wǎng)絡是小規(guī)模的網(wǎng)絡,即網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目有限。(3)根據(jù)文獻,節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的能量模型分別為Etx(l,d)={lEelec+lεfsd2,d<d0lEelec+lεmpd4,d≥d0Etx(l,d)={lEelec+lεfsd2,d<d0lEelec+lεmpd4,d≥d0Erx(l,d)=lEelec由文獻可知,lεfsd2,lεmpd4遠大于lEelec,這意味著在節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)過程中,數(shù)據(jù)發(fā)送的距離d決定了節(jié)點的能量消耗。下面根據(jù)這幾個條件,分別闡述路由算法,時間同步算法,能量管理算法的設計思想和實現(xiàn)過程。2.1節(jié)點ni近鄰表的建立由于節(jié)點與節(jié)點之間的通信距離有限,無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議是一種多跳的分簇路由協(xié)議,距離匯聚節(jié)點遠的節(jié)點需要通過網(wǎng)絡內(nèi)的中繼節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)采用了鄰居多跳分簇路由協(xié)議NS-MCRP,使網(wǎng)絡內(nèi)各個節(jié)點消耗的能量均衡。NS-MCRP的核心算法包括節(jié)點近鄰表的建立和節(jié)點的分簇。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都建立了一張近鄰表,表中記錄了當前節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點的信息,包括節(jié)點ID,節(jié)點位置,剩余能量。節(jié)點Ni的近鄰表建立過程如圖3所示。網(wǎng)絡初始階段,根據(jù)網(wǎng)絡中各個節(jié)點的物理位置可以計算出當前節(jié)點Ni有效通信距離內(nèi)的節(jié)點,這些節(jié)點組成一個近鄰集合TS,TS的大小為N。節(jié)點Ni的近鄰節(jié)點集合為Si,Eik為節(jié)點Ni與節(jié)點Nk之間傳輸能耗,Eij為節(jié)點Ni與Nj之間傳輸能耗,Ejk為節(jié)點Nj與節(jié)點Nk之間傳輸能耗。最終,根據(jù)集合Si即可以建立節(jié)點Ni的近鄰表。由于網(wǎng)絡規(guī)模有限,且節(jié)點的物理位置確定,可以將NS-MCRP中節(jié)點的分簇算法進行簡化。在小規(guī)模的網(wǎng)絡中,根據(jù)節(jié)點的物理位置信息,按照物理距離的遠近將網(wǎng)絡中節(jié)點進行分簇,即距離相對較近的節(jié)點在同一個簇內(nèi),簇頭的選擇在同一簇內(nèi)的節(jié)點之間進行。在網(wǎng)絡的運行過程中,每次傳輸后,數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點以簇為單位,對同一簇內(nèi)的節(jié)點能量進行比較,提取剩余能量最大的節(jié)點作為下次傳輸?shù)拇仡^,并將簇頭信息發(fā)送至網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點。2.2廣播與同步時間同步根據(jù)上面網(wǎng)絡中滿足的條件1,2可知,系統(tǒng)所組成的網(wǎng)絡具有規(guī)模小,網(wǎng)絡負載較輕,傳播延時小,可靠性高的特點。因此在網(wǎng)絡的傳輸過程中,成立下面兩個條件:(1)節(jié)點與同一網(wǎng)絡內(nèi)其他節(jié)點的傳播延時ttran是一個可以近似確定的量。(2)匯聚節(jié)點的信息能夠可靠地傳遞到達網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點。時間同步協(xié)議的設計是基于傳播延時補償?shù)乃枷?即對同步過程中,數(shù)據(jù)傳輸時間ttran和包處理時間telec進行補償來提高網(wǎng)絡內(nèi)時間同步的精度。節(jié)點的時間以匯聚節(jié)點的時間作為同步基準,其實現(xiàn)的過程如下所示,其中每一個節(jié)點都設置有一個時間同步標志,用來標記是否完成時間的同步。步驟1:網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點對網(wǎng)絡內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送帶有同步時間Tsyn的廣播信息。步驟2:接收到該時間同步廣播信息的節(jié)點將本地時間Tlocal與同步時間Tsyn進行校準,校準公式如下所示:Tlocal=Tsyn+ttran+telec其中ttran為廣播信息的傳播時間,telec為節(jié)點處理數(shù)據(jù)包的時間。校準完畢后設置時間同步標志。以Tlocal為基準更新廣播信息的同步時間,將廣播信息發(fā)送給下一跳鄰居節(jié)點。步驟3:下一跳的鄰居節(jié)點接收到同步廣播信息,提取最先接收到的廣播信息來校準自己的本地時間。并發(fā)送同步信息至鄰居節(jié)點,若所有的鄰居節(jié)點都已完成時間同步,則根據(jù)2.1節(jié)路由協(xié)議發(fā)送確認信息。2.3節(jié)點能耗特性網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點具有休眠和活躍兩種工作狀態(tài):當節(jié)點處于休眠態(tài)時,無線通信模塊處于等待接收狀態(tài),包括CPU在內(nèi)的其余外設處于休眠狀態(tài),節(jié)點功耗達到很低的水平。當節(jié)點處于活躍態(tài)時,節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送。其中,節(jié)點由休眠態(tài)轉(zhuǎn)為活躍態(tài)稱為喚醒,反之稱為休眠。處于休眠態(tài)的節(jié)點啟動定時器,定時時間為采樣時間Tsample,當定時時間到則產(chǎn)生定時中斷,喚醒節(jié)點,進入活躍態(tài);同時,休眠態(tài)的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后,節(jié)點也可以被喚醒。在網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采樣時間間隔Tsample內(nèi),可以分成如下式的兩個部分:Tsample=Trest+Tactive其中,Trest為網(wǎng)絡的休眠時間,Tactive為網(wǎng)絡的活躍時間。因此在時間Tsample,節(jié)點的平均能耗為式(1):Eave=ErestΤrest+EactiveΤactiveΤsample(1)Eave=ErestTrest+EactiveTactiveTsample(1)令?=ΤactiveΤsample?=TactiveTsample,結(jié)合式(1),得到式(2):Eave=(1-?)Erest+?Eactive(2)根據(jù)節(jié)點實際功耗的特點,有Erest?Eactive,由式(2)可以近似得到式(3):Eave=?Eactive(3)根據(jù)式(3)可知,在節(jié)點的生命周期內(nèi),?在一定程度上決定了節(jié)點的使用壽命。根據(jù)實際的要求,盡量減少?的值可以延長網(wǎng)絡節(jié)點的使用時間。3固有頻率分析下面描述該系統(tǒng)在某高架橋上的應用。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中,橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率是一個至關重要的參數(shù),直接反映橋梁的健康狀況。系統(tǒng)中采用加速度傳感器檢測橋梁的垂直震動狀態(tài),最終經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件得到橋梁的固有頻率,與橋梁固有頻率的設計值比較得出:該橋梁結(jié)構(gòu)健康。3.1局限性高架橋總共有18垮,每垮長16米。根據(jù)橋梁的土木結(jié)構(gòu),節(jié)點分別布置于第7垮至第11垮的中心,1/4中心和跨端處。其中基站節(jié)點位于第9垮。節(jié)點布置如圖4所示,總共布置有24個節(jié)點,在網(wǎng)絡構(gòu)建時將節(jié)點以跨為單位進行分簇,每個簇通過簇頭與基站進行通信,圖4中黑色實心節(jié)點即為簇頭,筆記本電腦作為用戶終端與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點相連。3.2功率譜密度分析初始階段,用戶軟件通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)送控制命令啟動網(wǎng)絡,并對網(wǎng)絡進行時間同步。節(jié)點以50Hz頻率采集加速度數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點,數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點將傳感器數(shù)據(jù)進行分類存儲處理。整個監(jiān)測過程進行約2個小時。圖5為5號傳感器節(jié)點采集到的部分加速度數(shù)據(jù)。其中縱軸表示橋梁垂直方向振動的加速度值,單位為mg。橫軸表示采樣點數(shù)(與時間相關)。由圖5可知,監(jiān)測過程中,在車輛等外力的作用下,橋梁在不停地振動,其中振動的加速度值反映外力的作用效果。圖5中加速度最大值約為26mg,表示此時車輛給橋梁造成了較大的振動。對橋梁振動的加速度數(shù)據(jù)進行頻譜分析,得到功率譜密度(PSD)。在這里采用經(jīng)典譜分析方法,具體算法如下:?pxx(f)=|XL(fk)|2fsLp?xx(f)=|XL(fk)|2fsLfk=kfsΝk=0,1,?,Ν-1fk=kfsNk=0,1,?,N?1,fs是采樣頻率,L為信號長度,其中XL(fk)=Ν-1∑n=0xL[n]e-2πjkn/ΝXL(fk)=∑n=0N?1xL[n]e?2πjkn/N,計算步驟:k=0,XL(0)=Ν-1∑n=0xL[n]e-2πj0n/Νk=0,XL(0)=∑n=0N?1xL[n]e?2πj0n/Nk=Ν-1,XL(Ν-1)=Ν-1∑n=0xL[n]e-2πj(Ν-1)n/Νk=N?1,XL(N?1)=∑n=0N?1xL[n]e?2πj(N?1)n/N根據(jù)上面的算法,得到5號節(jié)點采樣數(shù)據(jù)對應的功率譜密度如圖6所示