專利名稱：基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警方法與系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及橋梁結構安全狀態(tài)的應急監(jiān)測和預警控制技術，具體涉及一種智能無 線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)。
二背景技術：
近年來大跨橋梁在遭受地震、洪水、颶風、爆炸等自然或人為災害時，以及由于 材料性能的退化帶來的安全問題，己經引起人們的廣泛關注。人們意識到橋梁并不是 一個一次性投入后就可以放任不管的公共交通基礎設施，它的健康狀況同樣關乎著人 民的生命和國家經濟的安全。一般橋梁結構損傷可以分為兩類突發(fā)事件(強烈地震、 爆炸、撞船等)引起的損傷，和逐漸發(fā)展的累積損傷。前者的發(fā)生時間甚至損傷位置 是已知的，因此可以立即臨時封橋，在有限時間內完成檢查、維修和加固。累積損傷 則不然，累積損傷的初期并不危及安全，發(fā)展到一定程度后橋梁結構的抗力降低到一 定限值，就會引起重大事故，我國近幾年的塌橋事故多屬于這種損傷。但事先不可能 知道在什么時候抗力降低到某個限值，而橋梁結構在露天工作，并承受疲勞荷載，所 以累積損傷(疲勞、銹蝕)是橋梁的重要損傷形式。如果用封橋檢查的辦法對付累積 損傷，則橋梁永遠處于封橋狀態(tài)，導致橋梁根本不能使用。目前，隨著傳感器技術、 電子技術的發(fā)展，振動、應變、負載變化等力、溫度、電、磁、光等多種信號的釆集
與處理。并已在工程中得到了應用，200710132811.7 070930嵌入式旋轉機械運行監(jiān) 控保護裝置與方法，涉及嵌入式現場總線協(xié)議接口裝置和實現方法，將儀表或設備與 PR0FBUS總線連接，實現Profibus現場總線中DP從站的通訊功能。該接口模塊一端 通過雙口 RAM、或TTL電平的異步串行口，與8位或16位微處理器為智能控制器交換 數據，可嵌入智能儀表設備的電路。另一端是標準Profibus-DP從站接口，使設備或 儀表作為Profibus-DP從站接入總線與其他設備通訊。本發(fā)明用于高速、運動控制裝 置的Profibus接口，如變頻器、伺服定位控制器等，或用于變頻器、電機啟動保護裝 置、高低壓電器、現場測量設備及儀表等。
對橋梁的監(jiān)測可以采用傳感器技術和動態(tài)測試技術，以信號處理的方法進行，但 對付累積損傷的傳統(tǒng)辦法是人工檢査，但人工檢查的周期相對很長，效率低，難以保 證橋梁結構的安全。利用傳統(tǒng)的傳感器和測量監(jiān)控設備對橋梁健康進行監(jiān)測需要在整 個橋面上鋪設信號和供電電纜，不僅浪費資源而且鋪設起來工程復雜龐大，使得系統(tǒng) 安裝成本、維護成本都很高。目前未有對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警方法與系 統(tǒng)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種易于安裝維護，覆蓋范圍廣和測量精度高的橋梁結構 安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)。采用無線數據傳輸方式，便于橋梁維護使用單位，快速地進行系統(tǒng)安裝調試，進入運行狀態(tài)，無需有線電纜和前期線纜敷設。當檢測任務 完成后，可以快速地拆卸系統(tǒng)設備，以便于下一次布設使用。該系統(tǒng)的特點是移動性、 安裝便捷、可以反復安裝拆卸，使用靈活。
本發(fā)明的目的是這樣實現的基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測 及預警方法，其特征是采用傳感器模塊安裝在橋梁兩側或底部受力點或梁、柱受力支 承部位的網絡，用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度、梁、柱的受力應變數據，以及 橋梁結構變化的頻度和幅度進行數據采集，傳感器模塊通過無線通信模塊無線與匯集 節(jié)點和基站節(jié)點進行收發(fā)，傳送采集并進行處理過的數據，無線收發(fā)匯集節(jié)點連接基 站節(jié)點，基站節(jié)點通過網絡連接計算機；
采用無線傳感器網絡實現對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警，傳感系統(tǒng)對數據 經過處理系統(tǒng)分解、變換以獲取所需要的參數后通過網絡連接計算機后，利用可實現 診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷位 置、損傷程度；
采用多尺度方法損傷識別方法，對加速度與應變信號同時進行分析，這種方法融 合了整體結構信息(加速度)和局部結構響應(應變)。
無線傳感器網絡如下構成監(jiān)測橋梁的傳感器節(jié)點每2-6個組成一個無線傳感器 節(jié)點群組，每一個群組有一個匯集節(jié)點，該匯集節(jié)點完成群組內傳感器節(jié)點的數據匯 集功能，且傳感器節(jié)點與且僅與群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點不接 傳感器。所有群組的匯集節(jié)點，組成l個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(l個群 組)，或通過群組內的匯集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點將匯集節(jié)點的 監(jiān)測數據通過網絡連接計算機，送到監(jiān)控中心，并且計算機系統(tǒng)在異常情況下進行報 警，監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的目的。
橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)采用分層結構的方法，分層結構包括數值 計算函數、中間件和損傷識別算法給出橋梁結構安全狀態(tài)。
分層結構的方法采用的數值方法有奇異值分解、復特征值求解、快速傅立葉變換、 快速排序和復數矩陣逆。橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的中間件包括數據處理、 可靠的通信和同步傳感。定位損傷識別的算法包括環(huán)境激振技術(NExT)，特征系統(tǒng)實 現算法(ERA)和損傷定位矢量法。
分層結構的方法應用于密集布置的智能傳感器網絡。臨近的匯集節(jié)點間可以共享 數據，充分利用了空間信息。由于數據只在有限的臨近匯集節(jié)點間共享，總的數據傳 輸量仍然保持適度；算法可以擴展到密集布置傳感器的大型結構上。
無線傳感器節(jié)點由數據采集模塊、微處理器模塊構成的數據處理和控制模塊、無 線通信模塊和電源模塊組成；數據采集模塊用來進行外部傳感器信號的接收和轉換； 數據處理和控制模塊用來進行節(jié)點設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調等；無 線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據；電 源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量；電源管理模塊、連接電源管理模塊的電源模塊和無線通信模塊。無線通信模塊包括射頻收發(fā)模塊、功率放大器、射頻開關和天 線，微處理器模塊與DAC模塊相連接，傳感器輸出接DAC模塊，電源管理模塊分別與傳 感器模塊、微處理器、射頻收發(fā)模塊和功率放大模塊相連接，微處理器分別連接射頻 收發(fā)模塊、DAC模塊和射頻開關，功率放大模塊連接射頻收發(fā)模塊，并通過射頻開關連 接收發(fā)天線；
傳感器模塊用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度等數據。傳感器節(jié)點模塊從數量 上達到5至30個，利用多個傳感器可以有效地構建一個三維立體的防護檢測網絡。每個 節(jié)點模塊均帶有三軸加速度傳感器、應變片、溫度濕度傳感器以及風速風壓傳感器和 四通道16位A/D轉換器。加速度傳感器用以橋梁振動測試與分析，溫濕度傳感器用來測 量加速度傳感器所處位置的環(huán)境溫濕度用于進行溫濕度補償；所述的電源模塊為電池 供電和外接交流電源供電兩種可選方案。
無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點主要由微處理器PXA271作為微處理器模塊的芯片， 該處理器可工作于低電壓(0.85V)低頻率(13MHz)模式，可進行低功耗操作。無線 通信模塊采用CC2420芯片。
傳感器節(jié)點模塊從數量上達到5至30個，傳感器節(jié)點模塊每2-6個組成一個傳感 器節(jié)點群組，每一個群組有一個匯集點，該匯集點完成群組內傳感器節(jié)點的數據匯集 功能，且傳感器節(jié)點跟且僅跟群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點不接傳 感器。所有群組的匯集節(jié)點，組成1個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(l個群組)， 或通過群組內的匯集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點匯集數據，將匯集后 的數據通過節(jié)點附帶的USB接口，傳輸到USB 口至網口的轉換裝置上，數據通過網絡 可以就地使用計算機采集、存儲和處理，或通過無線局域網收發(fā)設備WLAN，進行遠程 傳輸，以便于遠程計算機進行數據采集、數據存儲和數據處理。
所述無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點包括微處理器、射頻收發(fā)模塊、射頻開關和天 線、電源管理模塊、連接電源管理模塊的電源模塊，電源管理模塊與微處理器、射頻 收發(fā)模塊相連接，微處理器分別連接射頻收發(fā)模塊和射頻開關，射頻開關連接收發(fā)天 線；計算機服務于WSN橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)，用于存儲數據(數據 庫)、處理數據、圖形化顯示，和警訊發(fā)布。
本發(fā)明采用無線傳感器網絡技術實現對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警。傳感 系統(tǒng)對橋梁結構變化的頻度和幅度進行數據采集，數據經過處理系統(tǒng)分解、變換以獲 取所需要的參數后通過通信系統(tǒng)傳輸到監(jiān)控中心，監(jiān)控人員利用可實現診斷功能的各 種軟硬件對接收到的數據進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度 等。系統(tǒng)工作流程圖見圖1。
傳感器模塊是硬件平臺中直接與外部信號量接觸的模塊，這里采用網絡化的傳感 器系統(tǒng)，傳感器節(jié)點模塊從數量上達到5至30個，這樣可以減少單點測量可能造成的 瞬態(tài)誤差和單點環(huán)境激變造成的系統(tǒng)測量誤差。每個節(jié)點模塊均帶有三軸加速度傳感 器、應變片、溫度濕度傳感器以及風速風壓傳感器。這些傳感器節(jié)點每2-6個組成一個傳感器節(jié)點群組，每一個群組有一個匯集點，該匯集點完成群組內傳感器節(jié)點的數 據匯集功能，且傳感器節(jié)點跟且僅跟群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點 不接傳感器。所有群組的匯集節(jié)點，組成l個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(1 個群組)，或通過群組內的匯集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點匯集數據， 將匯集后的數據通過節(jié)點附帶的USB接口，傳輸到USB 口至網口的轉換裝置上，數據 通過網絡可以就地使用計算機采集、存儲和處理，也可以通過無線局域網收發(fā)設備 WLAN，進行遠程傳輸，以便于遠程計算機進行數據采集、數據存儲和數據處理。
電源模塊作為整個無線傳感器節(jié)點的基礎供電模塊，是節(jié)點正常順利工作的保證。 節(jié)點的電能供給一般只能通過自身存儲的電能，這里采用電池供電是比較低廉可行的 方法，當然除了電池供電之外，系統(tǒng)也提供了外部電源供電的選擇。
計算機服務于無線傳感器網絡橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)，用于存儲
數據(數據庫)、處理數據、圖形化顯示，和警訊發(fā)布。 本發(fā)明的有益效果有
1、 采用了智能無線傳感器網絡，避免了應急監(jiān)測的現場布線工作，使得系統(tǒng)易于 安裝維護；
2、 通過傳感器可搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少 斷橋所造成生命財產的損失。
3、 節(jié)點具有低功耗能力， 一經部署不需要頻繁更換。具有局域信號處理功能，減 少所需傳輸的信息量，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的運行速度。
4、 施工周期短，網絡擴展性好，可靠性高，其獨有的自組織性和容錯能力又使其 非常適用于無人值守，惡劣的自然環(huán)境中。
5、 依靠先進測試系統(tǒng)，減少勞動力，降低人為因素造成的誤差。 本發(fā)明設計了一種基于智能無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警
系統(tǒng)，有其內在優(yōu)勢。采用智能無線傳感器網絡，避免對橋梁的損傷性破壞以及繁瑣 的現場布線工作，系統(tǒng)易于安裝維護。采用網絡化的傳感器系統(tǒng)，減少單點測量可能 造成的瞬態(tài)誤差和單點環(huán)境激變造成的系統(tǒng)測量誤差。其獨有的自組織性和容錯能力 使其非常適用于橋梁的這種無人值守，惡劣的自然環(huán)境中，工程技術人員只需在監(jiān)控
中心對橋梁安全狀況進行應急監(jiān)測和發(fā)布警訊。 四

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖2是智能無線傳感器網絡體系結構圖3是無線傳感器節(jié)點電路原理框圖4是傳感器板結構圖5是無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點的電路原理框圖； 圖6是本發(fā)明的實驗裝置圖7是本發(fā)明的實驗結果圖例。其中7a是群組1損傷識別結果，圖7b是群組2損傷識別結果，圖7c是組3損傷識別結果。 五具體實施例方式
下面結合附圖和具體實例對本發(fā)明做詳細闡述，但本系統(tǒng)應用范圍不限于此例。
結合圖1-5，本實例由一組多個傳感器模塊、無線通信模塊和控制計算機組成。 無線通信模塊包括無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點。傳感器節(jié)點模塊安裝在橋梁兩側或 底部的受力點或梁、柱受力支承部位，用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度、梁、柱 的受力應變等數據，無線收發(fā)匯集節(jié)點連接基站節(jié)點傳送采集并進行處理過的數據， 基站節(jié)點通過網絡連接計算機。
結合圖2，監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點每2-6個組成一個傳感器節(jié)點群組，每一個群 組有一個匯集點，該匯集點完成群組內傳感器節(jié)點的數據匯集功能，且傳感器節(jié)點跟 且僅跟群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點不接傳感器。所有群組的匯集 節(jié)點，組成l個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(l個群組)，或通過群組內的匯 集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點匯集數據，將監(jiān)測數據送到監(jiān)控中心并 且系統(tǒng)可在異常情況下進行報警，監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到結構安全狀 態(tài)應急監(jiān)測及預警的目的。
無線傳感器節(jié)點由數據采集模塊、數據處理和控制模塊、無線通信模塊和電源模 塊四部分組成，如圖3所示。數據采集模塊用來進行外部傳感器信號的接收和轉換；數
據處理和控制模塊用來進行節(jié)點設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調等；無線 通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)釆集數據；電源 模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，可提供電池供電和外接交流電源供電兩種方 案。
傳感器模塊用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度等數據。傳感器節(jié)點模塊從數量
上達到5至30個，利用多個傳感器可以有效地構建一個三維立體的防護檢測網絡。結合 圖4，每個節(jié)點模塊均帶有三軸加速度傳感器、應變片、溫度濕度傳感器以及風速風壓 傳感器和四通道16位A/D轉換器。加速度傳感器用以橋梁振動測試與分析，溫濕度傳 感器用來測量加速度傳感器所處位置的環(huán)境溫濕度用于進行溫濕度補償。
結合圖5，所述的無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點主要由微處理器PXA271作為核心 控制元件，該處理器可工作于低電壓(0.85V)低頻率(13MHz)模式，可進行低功耗 操作。處理器支持幾種不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式。PXA271是多芯片 模塊，即在一個CPU封裝內集成3個芯片256KB SRAM， 32MB FLASH以及32MB SDRAM。 無線通信模塊采用CC2420芯片。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz 晶體等非常少的外圍電路就能在2. 4GHz頻段上工作。微處理器和無線通信模塊采用SPI 方式進行連接，在無線收發(fā)器板卡表面安裝了2.4GHz天線，如果需要更長的無線覆蓋 范圍可將SMA連接器(射頻同軸連接器)直接焊在板子上以便連接外部天線。
橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)采用分層結構，它能較好地應用于密集布 置的智能傳感器網絡。這種方法臨近的節(jié)點間可以共享數據，充分利用了空間信息。由于數據只在有限的臨近節(jié)點間共享，總的數據傳輸量仍然保持適度。因此，算法可 以擴展到密集布置傳感器的大型結構上。分層結構由以下幾部分組成，包括數值計算 函數、中間件和損傷識別算法。用于這個策略的主要數值方法有奇異值分解、復特征 值求解、快速傅立葉變換、快速排序和復數矩陣逆。結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的 中間件包括數據處理、可靠的通信和同步傳感。定位損傷的算法包括環(huán)境激振技術
(NExT)，特征系統(tǒng)實現算法(ERA)和損傷定位矢量法(DLV)，這些方法先用C語言編 寫，然后通過編譯連接轉化為TinyOS下的可執(zhí)行程序.
傳感器節(jié)點經編程可以獨立地實現分布式橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系 統(tǒng)。所有需要的參數，例如節(jié)點號碼、傳感器方向和數據長度都通過基站轉發(fā)傳輸到 整個網絡。傳感器節(jié)點發(fā)送這些參數到匯集節(jié)點或基站節(jié)點，接著，基站節(jié)點又將參 數信息繼續(xù)發(fā)送給傳感器節(jié)點。參數輸入完成后，連接到基站的計算機不再需要給整 個傳感器網絡的任意節(jié)點提供輸入。通過可靠的通信協(xié)議發(fā)送的命令預先指定好對應 的任務。
測量到的加速度時程數據送回基站，以便網絡中的時程處理可以和計算機對應的 等效數據處理進行比較。模態(tài)參數，損傷定位矢量和累計應力等中間結果也同樣被送 回基站。節(jié)點間關鍵的通信數據包通過可靠的通信協(xié)議，多點傳送回基站，以便為調 試系統(tǒng)儲存重要的數據。
此外，采用多尺度方法損傷識別方法，對加速度與應變信號同時進行分析，這種 方法融合了整體結構信息(加速度)和局部結構響應(應變)，從而降低了損傷探測失 敗的次數。比起單獨使用其中之一更加有效。
本實例采用智能無線傳感器網絡為平臺，主要完成對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測 和預警。在應用中，將多個傳感器安裝在橋梁關鍵區(qū)域，通過監(jiān)測橋梁主體結構的變 化來評估橋梁穩(wěn)定狀況。系統(tǒng)可在異常情況下進行報警,監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行 情況，達到結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的目的。
參見圖6，圖6是本發(fā)明一實施例 一鋼桁架橋梁二維縮尺模型，其每一榀兩個方 向都是0.6m長。桁架兩端剛性支承， 一端鉸接，另一端為滑動支座。鉸接端可以自由 的轉動，但是限制三個方向的平動，而滑動支座端可以沿縱向滑動。模型共21個桿件， 12個節(jié)點，在其中1至10號節(jié)點上布置無線傳感器節(jié)點。
采用激振器激勵。由計算機發(fā)送限帶白噪聲到激振器，直到結構振動頻率最高達 到100Hz。固定在桁架節(jié)點上的無線傳感器節(jié)點測量兩個方向的加速度。無線傳感器節(jié) 點加速度計沿橫向和豎向均勻布置。安裝在連續(xù)的兩榀前幅上6個節(jié)點組成了一個監(jiān)測 桁架兩榀間損傷的局部群落?？偣?0個節(jié)點形成了三個互相重疊的群組。
IO號桿件用一個橫截面變小的桿代替，以模擬結構損傷，其橫截面積減小52.7%。 橫截面積的減小將導致單元剛度的損失，采用系統(tǒng)軟件進行結構損傷識別。
參見圖7，分別對3個組群的監(jiān)測結果進行分析，各個群落的損傷識別結果再由 鄰近的簇主節(jié)點共享，進行最終的損傷識別。如果鄰近的簇主節(jié)點識別結果一致，損傷識別結果報告至基站，簇主節(jié)點轉入睡眠狀態(tài)。反之，如果結果出現矛盾，重復進 行損傷識別過程。單元10是唯一被識別有損傷的單元，其正則應力小于臨界閾值0.4， 系統(tǒng)將發(fā)出預警信號，提醒對IO單元相應位置進行人工核查。
橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)采用分層結構，它能較好地應用于密集布 置的智能傳感器網絡。這種方法臨近的節(jié)點間可以共享數據，充分利用了空間信息。 由于數據只在有限的臨近節(jié)點間共享，總的數據傳輸量仍然保持適度。因此，算法可 以擴展到密集布置傳感器的大型結構上。
分層結構由以下幾部分組成，包括數值計算函數、中間件和損傷識別算法。用于 這個策略的主要數值方法有奇異值分解、復特征值求解、快速傅立葉變換、快速排序
和復數矩陣逆。結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的中間件包括數據處理、可靠的通信
和同步傳感。定位損傷識別的算法包括環(huán)境激振技術(NExT)，特征系統(tǒng)實現算法(ERA) 和損傷定位矢量法(DLV),這些方法先用C語言編寫，然后通過編譯連接轉化為TinyOS 下的可執(zhí)行程序。此外，采用多尺度方法損傷識別方法，對加速度與應變信號同時進 行分析，這種方法融合了整體結構信息(加速度)和局部結構響應(應變)，從而降低 了損傷探測失敗的次數。比起單獨使用其中之一更加有效。
傳感器節(jié)點經編程可以獨立地實現分布式橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系 統(tǒng)。所有需要的參數，例如節(jié)點號碼、傳感器方向和數據長度都通過基站轉發(fā)傳輸到 整個網絡。傳感器節(jié)點發(fā)送這些參數到匯集節(jié)點或基站節(jié)點，接著，基站節(jié)點又將參 數信息繼續(xù)發(fā)送給傳感器節(jié)點。參數輸入完成后，連接到基站的計算機不再需要給整 個傳感器網絡的任意節(jié)點提供輸入。通過可靠的通信協(xié)議發(fā)送的命令預先指定好對應 的任務。
測量到的加速度時程數據送回基站，以便網絡中的時程處理可以和計算機對應的 等效數據處理進行比較。模態(tài)參數，損傷定位矢量和累計應力等中間結果也同樣被送 回基站。節(jié)點間關鍵的通信數據包通過可靠的通信協(xié)議，多點傳送回基站，以便為調 試系統(tǒng)儲存重要的數據。
本實施例采用智能無線傳感器網絡為平臺，主要完成對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān) 測和預警。在應用中，將多個傳感器安裝在橋梁關鍵區(qū)域，通過監(jiān)測橋梁主體結構的 變化來評估橋梁穩(wěn)定狀況。系統(tǒng)可在異常情況下進行報警,監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運 行情況，達到結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的目的。
權利要求
1、基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警方法，其特征是采用傳感器模塊安裝在橋梁兩側或底部受力點或梁、柱受力支承部位的網絡，用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度、梁、柱的受力應變數據，以及橋梁結構變化的頻度和幅度進行數據采集，傳感器模塊通過無線通信模塊無線與匯集節(jié)點和基站節(jié)點進行收發(fā)，傳送采集并進行處理過的數據，無線收發(fā)匯集節(jié)點連接基站節(jié)點，基站節(jié)點通過網絡連接計算機；采用無線傳感器網絡實現對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警，傳感系統(tǒng)對數據經過處理系統(tǒng)分解、變換以獲取所需要的參數后通過網絡連接計算機后，利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度；無線傳感器網絡如下構成監(jiān)測橋梁的傳感器節(jié)點每2-6個組成一個無線傳感器節(jié)點群組，每一個群組有一個匯集節(jié)點，該匯集節(jié)點完成群組內傳感器節(jié)點的數據匯集功能，且傳感器節(jié)點與且僅與群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點不接傳感器。所有群組的匯集節(jié)點，組成1個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(1個群組)，或通過群組內的匯集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點將匯集節(jié)點的監(jiān)測數據通過網絡連接計算機；橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警系統(tǒng)采用分層結構的方法，分層結構包括數值計算函數、中間件和損傷識別算法給出橋梁結構安全狀態(tài)；分層結構的方法采用的數值方法有奇異值分解、復特征值求解、快速傅立葉變換、快速排序和復數矩陣逆；橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警的中間件包括數據處理、可靠的通信和同步傳感。定位損傷識別的算法包括環(huán)境激振技術(NExT)，特征系統(tǒng)實現算法(ERA)和損傷定位矢量法。
2、 由權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警 方法，其特征是采用多尺度方法損傷識別方法，對加速度與應變信號同時進行分析， 這種方法融合了整體結構信息和局部結構響應。
3、 由權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警 方法，其特征是分層結構的方法應用于密集布置的智能傳感器網絡；臨近的匯集節(jié)點 間共享數據，利用空間信息；數據只在有限的臨近匯集節(jié)點間共享，總的數據傳輸量 仍然保持適度；算法擴展到密集布置傳感器的大型結構上。
4、 基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警系統(tǒng)，其特征是無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、數據采集模塊、微處理器模塊構成的數據處理和控制模塊、 無線通信模塊和電源模塊組成；數據采集模塊用來進行外部傳感器信號的接收和轉換; 數據處理和控制模塊用來進行節(jié)點設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調等；無 線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據；電 源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量；電源管理模塊、連接電源管理模塊的電源 模塊和無線通信模塊。無線通信模塊包括射頻收發(fā)模塊、功率放大器、射頻開關和天 線，微處理器模塊與DAC模塊相連接，傳感器輸出接DAC模塊，電源管理模塊分別與 傳感器模塊、微處理器、射頻收發(fā)模塊和功率放大模塊相連接，微處理器分別連接射 頻收發(fā)模塊、DAC模塊和射頻開關，功率放大模塊連接射頻收發(fā)模塊，并通過射頻開 關連接收發(fā)天線；傳感器模塊用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度等數據。傳感器節(jié) 點模塊從數量上達到5至30個，利用多個傳感器可以有效地構建一個三維立體的防護檢 測網絡。每個節(jié)點模塊均帶有三軸加速度傳感器、應變片、溫度濕度傳感器以及風速 風壓傳感器和四通道16位A/D轉換器。加速度傳感器用以橋梁振動測試與分析，溫濕度 傳感器用來測量加速度傳感器所處位置的環(huán)境溫濕度用于進行溫濕度補償；傳感器節(jié) 點模塊從數量上達到5至30個，傳感器節(jié)點模塊每2-6個組成一個傳感器節(jié)點群組，每 一個群組有一個匯集點，該匯集點完成群組內傳感器節(jié)點的數據匯集功能，且傳感器 節(jié)點跟且僅跟群組內匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點和基站節(jié)點不接傳感器；傳感器節(jié) 點模塊通過無線通信模塊無線與匯集節(jié)點和基站節(jié)點進行收發(fā)，傳送采集并進行處理 過的數據，無線收發(fā)匯集節(jié)點連接基站節(jié)點，基站節(jié)點通過網絡連接計算機；所有群 組的匯集節(jié)點，組成l個或者多個群組，直接與基站節(jié)點通信(l個群組)，或通過群組 內的匯集節(jié)點與基站節(jié)點通信(多個群組)，基站節(jié)點匯集數據，將匯集后的數據通過 節(jié)點附帶的USB接口，傳輸到USB口至網口的轉換裝置上，數據通過網絡可以就地使用 計算機采集、存儲和處理，或通過無線局域網收發(fā)設備WLAN，進行遠程傳輸，以便于 遠程計算機進行數據采集、數據存儲和數據處理。
5、根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預 警系統(tǒng)，其特征是所述的電源模塊為電池供電和外接交流電源供電兩種可選方案。
6、根據權利要求l所述的基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預 警系統(tǒng)，其特征是無線收發(fā)匯集節(jié)點和基站節(jié)點主要由微處理器PXA271作為微處理器 模塊的芯片，該處理器可工作于低電壓(0.85V)低頻率(13MHz)模式，可進行低功 耗操作。無線通信模塊采用CC2420芯片。
全文摘要
基于無線傳感器網絡的橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測及預警方法，采用傳感器模塊安裝在橋梁兩側或底部受力點或梁、柱受力支承部位的網絡，用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度、梁、柱的受力應變數據，以及橋梁結構變化的頻度和幅度進行數據采集，傳感器模塊通過無線通信模塊無線與匯集節(jié)點和基站節(jié)點進行收發(fā)，傳送采集并進行處理過的數據，無線收發(fā)匯集節(jié)點連接基站節(jié)點，基站節(jié)點通過網絡連接計算機；采用無線傳感器網絡實現對橋梁結構安全狀態(tài)應急監(jiān)測和預警，傳感系統(tǒng)對數據經過處理系統(tǒng)分解、變換以獲取所需要的參數后通過網絡連接計算機后，利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷。
文檔編號G01M99/00GK101408487SQ200810155659
公開日2009年4月15日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權日2008年10月28日
發(fā)明者丁華平, 馮兆祥, 林 吉, 巍 張, 徐春紅, 沈慶宏, 都思丹, 靜 阮, 策 陳 申請人:常州賽杰電子信息有限公司;南京大學;江蘇省長江公路大橋建設指揮部