基于桥梁结构健康监测的无线传感系统自愈性研究

　　桥梁等建筑物的结构健康监测( 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)是指利用现场的无损传感技术， 通过包括建造物结构响应在内的结构系统特性分析，达到建筑物结构的健康诊断、识别、监测的目的。传统的结构健康监测方法采用有线通信的形式，由于布线的需要，在大型建筑物的结构健康监测中既费时费力， 又价格昂贵。近年来， 随着无线通信技术的飞速发展，由于无线通信设备易于安装维护、网络拓扑变化灵活等特点，无线传感技术在结构健康监测中的应用正越来越受到人们的关注。

　　1998年 Straser 和Kiremidjian成功研发了第一套无线结构健康监测系统，而后斯坦福大学和密歇根大学开发出计算功能更强、能耗低的无线传感系统，但该系统只支持单跳的星型网络拓扑，传输距离十分有限，无法胜任大型桥梁的结构健康监测的需要。 文献[4] 中在GGB( Golden  Gate  Bridge ) 项目中使用的无线传感系统虽然使用了64个节点，多达46跳的多跳网络，但该无线传感系统成本较高，结构复杂，并不适合普遍应用于桥梁监测中。本文针对大型桥梁结构健康监测的需要，设计出一种簇型多跳无线传感网络系统，其成本较低，结构简单。

　　1   系统组成

　　1．1 硬件系统

　　目前国内所建大跨度长距离桥梁越来越多，特别是一些跨海大桥的建设，必须能经受住台风等自然灾害的考验，由此使得对其结构健康监测成为急需解决的问题。为了实施对大跨度桥梁的有效监测，需要沿桥面或桥拱放置众多的无线传感器节点，这些监测节点一般成链状分布，如图1所示。

　　经过中继节点 R 1 、R 2等的路由转发功能，不仅可以有效增加传输距离，而且由于出错重传次数的减少，也提高了通信效率，减少了节点的功耗，从而能很好地适应大型桥梁结构健康监测的需要。该多跳簇型无线传感器系统包括分布于桥梁上的众多无线传感器数据采集节点( N1 ， N 2 ， ……) 、服务器节点和中继节点( R1 ， R 2 ……) 和备用中继节点( R1 ’ ， R 2 ’  … …) ( 括号内为各节点的短地址，此处假定每个中继节点可带 8 个节点) 。其中服务器节点S是由一台计算机与无线收发射模块连接而成，完成与各个采集节点的无线数据收发。无线传感器节点的硬件系 统框架主要包括传感器模块、信号采集处理模块、核心控制模块和无线通信模块。

　　1．1．1 传感器模块

　　传感器模块用于采集各种用于建筑物结构健康监测的所需数据，常用的模块包括加速度传感器、振动传感器、超声波传感器和风压传感器等。 

　　1．1．2 信号处理模块

　　信号采集处理模块将传感器所采集的桥梁监测数据( 如三向加速度)，进行放大、滤波、偏压、A ／D转换等信号处理后， 通过SPI接口传给中央控制模块。   

　　1．1．3 中央控制模块

　　考虑到功耗以及数据处理能力的要求，中央控制模块的CPU一般选用低功耗CM0S微处理器，考虑到节点所采集数据存储的需要，还可外扩存储单元。 

　　1．1．4 无线通信模块

　　无线通信模块采用ZigBee技术的LBEE模块，传输速率为250kit ／s，它具有点对点的传输，中继传输，广播传输等模式。在室外点对点的传输距离可达120m以上。   

　　1．2 软件系统架构

　　软件系统包括两大部分，一部分程序运行在服务器节点的Pc机上，另一部分运用在无线传感器采集节点上。服务器的程序与采集节点的相比，除没有对应于CUP硬件接口的控制程序外，系统管理模块和应用程序模块，虽有差异， 但基本相似。 

　　无线传感器节点的软件系统构架包括应用程序模块、系统管理模块，以及驱动软件模块三个部分，如图2所示。应用程序主要执行桥梁结构健康监测算法，如AR自回归分析算法，FFT算法，以及根据FFT计算数据的 Peak—Picking 峰值处理算法。这三个算法都可以在节点进行在线的嵌入式计算，再把计算结果发回服务器，从而减少无线数据传输量，将极大的减少功耗。

　　 2 无线传感网络自愈功能介绍

　　由于本系统长期放置于户外工作。为了使各节点能够稳定的采集数据，无线链路应该具有一定自愈功能。本系统中采用为每一个中继节点配备一个备用节点，当原中继节点出现损坏时，系统自动启动备用中继节点代替原中继，以达到自愈功能。

　　在本系统中，采用了两个机制来辅助实现自愈功能： 

　　( 1 ) 链状地址分配。如图1所示，在一个系统中，如果一个中继节点所带的最大节点数为m，则协调器的短地址为0，短地址为k的中继节点所带的节点短地址为( ｋ+ 1 ) 至( ｋ+m) ，且每个中继节点的地址都是( 2+m X n ) ( n ＝0 ，1，2 …) ， 每个备用中继节点的地址为(1+m X n ) ( n = O，1，2 …) 。

　　( 2 ) 中心拓扑储存。当每个子节点入网时，都会向协调器发送一个入网声明，其中带有自己的短地址。而协调器收到该声明时，也会保存入网节点的短地址。这样，协调器最终拥有所有入网节点的短地址，且由于链状地址分配使得地址分配具有一定规律性，协调器可以根据已入网的节点得知每个中继节点所带的节点数目和地址。 

　　自愈过程一般包括故障判定阶段和故障修复阶段。本系统的故障判定阶段和故障修复阶段如下：

　　故障判定阶段：由协调器发送一个链路检测信号给中继节点，该中继收到该消息后立刻应答其父节点，然后将这个消息传给它的子中继节点。每个中继节点在收到链路检测消息后都执行该步骤，如果某个中继节点在经过超时重传后仍然没有收到子中继的应答帧，则认为其子中继故障，并告知协调器。

　　故障修复阶段：当某个中继节点检测到其子中继故障后，则命令该子中继的备用节点进行重入网，然后清空自己路由表中关于子中继的信息，这样备用节点重入网后就会被分配原中继的短地址。然后备用节点向协调器索取原中继所带的所有子节点的短地址，并以此构建路由表。至此，自愈过程完成。

　　本系统在以下两个情况下会启动自愈过程： 

　　(1) 整个系统开始新一轮的数据采集，系统进行初始化要求所有节点重人网，若有节点没有响应，则启动自愈过程。

　　( 2 ) 协调器在接收数据时，始终不能接收到完整的数据，则启动 自愈过程来检测系统，从而防止采集过程中节点出现故障。 

　　本系统自愈功能主要针对中继节点进行修复，而对采集节点和备用中继节点的检测只在同步广播时进行，根据其是否有响应包进行检测，若监测到错误，将结果告知协调器。 

　　3 总结

　　本文介绍了一种适于大型桥梁结构健康监测需要的无线传感器网络系统的软硬件设计，重点介绍了该系统的自愈功能。通过三层剪切框架模型试验，本系统能很好地实现对大型桥梁的结构健康监测无线传感器系统的自愈功能。