蔣新花+丁華平+沈慶宏

摘 要： 以Imote2無線通信平臺為核心，構(gòu)建新一代無線加速度節(jié)點(diǎn)；將無線通信、信號預(yù)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算以及電源管理在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成，減少無線通信數(shù)據(jù)量，降低傳感器運(yùn)行功耗；以潤揚(yáng)大橋原有有線加速度節(jié)點(diǎn)為測試參考對象，通過現(xiàn)場試驗，比較研究無線加速度節(jié)點(diǎn)和有線加速度節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)精確度等方面的表現(xiàn)，驗證無線加速度節(jié)點(diǎn)在橋梁振動監(jiān)測應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞： Imote2； 無線加速度節(jié)點(diǎn)； 有線加速度節(jié)點(diǎn)； 現(xiàn)場實驗； 橋梁振動監(jiān)測

中圖分類號： TN914.34?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0101?04

Experimental comparison study on wireless and wired acceleration systems

for bridge vibration monitoring

JIANG Xin?hua1， DING Hua?ping2， SHEN Qing?hong2

（1. Guangxi Communications Investment Group Co.， Ltd.， Nanning 530028， China；

2. School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210023， China）

Abstract： The next?generation wireless acceleration node was designed with a new wireless communication platform Imote2 as the core. The amount of transmitted data and the power consumption were reduced by integrating wireless communication， signal pre?processing， data analysis and power management in the node. Taking the wired acceleration node of the original vibration monitoring system in the Run?yang Yangtze River Bridge as a reference， a field experiment was conducted to compare the system architecture， data acquisition， data transmission and data accuracy of the wrieless acceleration node with those of the wired acceleration node. The result shows that wireless acceleration node is quite promising in the bridge vibration monitoring applications.

Keywords： Imote2； wireless acceleration node； wired acceleration node； field experiment； bridge vibration monitoring

0 引 言

針對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)損傷、超載和極端荷載以及設(shè)計功能缺陷等現(xiàn)象普遍存在，大跨度橋梁坍塌事故越演越烈，橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測越來越引起相關(guān)學(xué)者以及工程人員的關(guān)注[1?3]。到目前為止，國內(nèi)外已有眾多的大型橋梁安裝了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，比如香港的青馬大橋[4?6]，其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)造價超過770萬美元，系統(tǒng)集成了各類傳感器，包括加速度傳感器，應(yīng)變傳感器，位移傳感器等等，平均每個傳感器造價高于2.5萬美元；國內(nèi)的潤揚(yáng)大橋構(gòu)建了一整套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)用于對主梁線形，大橋鋼索索力，橋梁振動，主梁應(yīng)力，以及溫度等橋梁關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測[7?8]。

目前，大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)均采用有線傳輸?shù)膯我恍切蜆?gòu)架，這種構(gòu)架普遍存在工程造價高，保養(yǎng)維護(hù)難，數(shù)據(jù)傳輸量大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等一系列弊端。針對以上現(xiàn)象，有學(xué)者提出了將無線通信和傳感器集成于一體的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的概念，并將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[9?10]。

但是，在將無線傳感器節(jié)點(diǎn)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究以及應(yīng)用過程中，學(xué)者以及工程人員普遍發(fā)現(xiàn)這種新興的技術(shù)雖然解決了有線網(wǎng)絡(luò)的諸多弊端，但仍然存在一系列問題[11?13]，如大部分以單片機(jī)為核心硬件，資源過少；缺乏電源管理，功耗過大，網(wǎng)絡(luò)生命周期過短；數(shù)據(jù)傳輸量大，無預(yù)處理機(jī)制等等。

本文針對傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的一系列問題，以其中的振動監(jiān)測為突破點(diǎn)，設(shè)計了一款高性能無線加速度節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)建了無線加速度系統(tǒng)，目的在于解決傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的諸多問題，并以現(xiàn)有橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的有線加速度節(jié)點(diǎn)為比較對象，驗證無線加速度節(jié)點(diǎn)在橋梁振動監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性。

1 無線加速度系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，系統(tǒng)由若干無線加速度節(jié)點(diǎn)群、基站以及監(jiān)控中心構(gòu)成。其中每個無線加速度節(jié)點(diǎn)群由若干無線加速度節(jié)點(diǎn)組成，基站由無線接收設(shè)備（不含傳感器單元的無線加速度節(jié)點(diǎn)）以及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備組成。監(jiān)控中心接收基站發(fā)過來的數(shù)據(jù)并根據(jù)結(jié)論發(fā)布預(yù)警信息。

圖1 無線加速度系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 無線加速度節(jié)點(diǎn)

針對傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的問題，通過對比研究，選取Imote2無線通信平臺（如圖2所示）為節(jié)點(diǎn)的核心硬件平臺。Imote2 是由Intel公司研發(fā)的一款高性能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺[14]。處理器采用的是Intel的低功耗X?scale PXA271，該處理器的主頻可在13 MHz （44 mW）到416 MHz （570 mW） 動態(tài)范圍內(nèi)變化。電源管理單元采用的是Dialog的電源管理集成芯片DA9030，可動態(tài)管理節(jié)點(diǎn)的休眠、工作等狀態(tài)，最大程度降低節(jié)點(diǎn)功耗。無線通信單元采用基于ZigBee協(xié)議的低功耗CC2420集成芯片，該芯片可工作在2.4 GHz頻段，無線傳輸速度可達(dá)250 Kb/s。另外一個比較突出的優(yōu)勢是Imote2自帶了32 MB FLASH 和 32 MB的SDRAM，大容量的存儲設(shè)計為信號預(yù)處理提供了必備條件。

圖2 Imote2頂部與底部

無線加速度節(jié)點(diǎn)實物如圖3所示，采用堆疊式連接方式將傳感器接口板、Imote2以及供電模塊連接成一個整體。

無線加速度節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖4所示，包括模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)以及電源管理單元。模擬系統(tǒng)由加速度傳感器、放大單元以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成。數(shù)字部分由中央處理器、信號預(yù)處理單元以及無線通信單元組成。電源管理單元一方面給模擬系統(tǒng)以及數(shù)字系統(tǒng)供電；另一方面可配合Linux[15]或者TinyOS操作系統(tǒng)提供動態(tài)電源管理機(jī)制，用于節(jié)省系統(tǒng)能耗。

圖3 無線加速度節(jié)點(diǎn)實物圖

圖4 無線加速度節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

2 本地數(shù)據(jù)處理

無線加速度節(jié)點(diǎn)可提供節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，一方面可減少數(shù)據(jù)通信量，以便最大程度節(jié)省節(jié)點(diǎn)功耗；另一方面，可提供精簡的數(shù)據(jù)給監(jiān)測中心，確保其信息發(fā)布準(zhǔn)確。以在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)濾波處理為例，設(shè)計一款低通濾波器（低通截止頻率為10 Hz），其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別如圖5，圖6所示。

圖5 低通濾波器幅頻響應(yīng)

根據(jù)濾波器的參數(shù)，得出該濾波器的沖激響應(yīng)，如圖7所示。利用濾波器的沖激響應(yīng)，根據(jù)公式（1），得出系統(tǒng)濾波后的輸出信號：

[f（n）=x（n）*y（n）=m=-∝x（m）y（n-m）] （1）

式中：[f（n）]為濾波后的輸出信號；[x（n）]為原始信號；[y（n）]為濾波器的沖激響應(yīng)。

圖6 低通濾波器相頻響應(yīng)

圖7 低通濾波器沖激響應(yīng)

3 實驗分析

3.1 實驗搭建

實驗選取潤揚(yáng)大橋斜拉橋的鋼箱梁為測試對象，為了驗證無線加速度系統(tǒng)的性能，將無線加速度節(jié)點(diǎn)（包含信號調(diào)理單元）安裝在原有有線加速度節(jié)點(diǎn)（不含信號放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等信號調(diào)理單元）的附近，如圖8所示。有線加速度系統(tǒng)的信號調(diào)理單元如圖9所示。

圖8 實驗搭建環(huán)境

3.2 數(shù)據(jù)分析

實驗通過研究對比無線加速度系統(tǒng)與有線加速度系統(tǒng)性能，驗證無線加速度系統(tǒng)的測量可靠性與準(zhǔn)確度。無線加速度節(jié)點(diǎn)可測量三維加速度數(shù)據(jù)，有線加速度節(jié)點(diǎn)只提供垂直于橋面的加速度數(shù)據(jù)。

圖9 有線加速度系統(tǒng)的信號調(diào)理單元

（1） 振動數(shù)據(jù)

選取無線加速度系統(tǒng)測量的垂直于橋面的加速度數(shù)據(jù)與原有有線加速度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者振動數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 振動數(shù)據(jù)對比

（2）功率譜密度

為了得出箱梁的振動模態(tài)，對測量的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度分析，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 功率譜密度對比

將圖11局部放大，使頻域集中于1.5 Hz之內(nèi)，如圖12所示，可以確定箱梁前5階結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分別對應(yīng)為0.273 Hz， 0.625 Hz， 0.820 Hz， 1.016 Hz， 1.328 Hz，并且兩者測量的結(jié)果非常接近。

（3） 無線三維數(shù)據(jù)

相對于有線加速度節(jié)點(diǎn)只提供單一測量方向，無線加速度節(jié)點(diǎn)提供三維的加速度數(shù)據(jù)，可用于全面的橋梁振動分析，圖13顯示了垂直于橋面的[Z]方向振動數(shù)據(jù)，以及平行于橋面的[X]和[Y]方向振動數(shù)據(jù)。圖14分別顯示了三個方向的振動功率譜密度，可以看出，橋梁振動的主要能量集中于[Z]方向，[X]和[Y]振動幅度較小，振動模態(tài)沒有完全激發(fā)出來。

圖12 前五階振動模態(tài)對比

圖13 橋梁振動三維數(shù)據(jù)

圖14 三維功率譜密度

4 結(jié) 論

通過潤揚(yáng)大橋鋼箱梁的振動對比實驗，可以看出，無線加速度系統(tǒng)相對于有線加速度系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)架精簡，造價低，無需鋪設(shè)電纜等一系列優(yōu)勢；更重要的是，在數(shù)據(jù)可靠性及準(zhǔn)確度方面，無線系統(tǒng)較好的與有線系統(tǒng)保持了一致；并且無線系統(tǒng)可在不增加系統(tǒng)開銷的前提下，提供完善的數(shù)據(jù)測量。另外，無線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面也有著較為明顯的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫莉，劉釗.2000—2008年美國橋梁倒塌案例分析與啟示[J].世界橋梁，2009（3）：46?49.

[2] 丁華平，馮兆祥，沈慶宏，等.基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，45（4）：488?493.

[3] 余波，邱洪興，王浩，等.蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].地震工程與工程振動，2009，29（4）：170?177.

[4] WONG K Y. Instrumentation and health monitoring of cable?supported bridges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11（2）： 91?124.

[5] CHO S. Structural health monitoring of cable?stayed bridge using wireless smart sensors [D]. Daejeon， Korea： KAIST， 2004.

[6] WONG K Y， NI Y Q. Modular architecture of structural health monitoring system for cable?supported bridges [J]. Encyclopedia of Structural Health Monitoring， 2009， 5： 2089?2105.

[7] 李愛群，繆長青，李兆霞，等.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，33（5）：544?548.

[8] 丁幼亮，李愛群.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，38（4）：704?708.

[9] LYNCH J P， LOH K J. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. The Shock and Vibration Digest， 2006， 38（2）： 91?128.

[10] SPENCER J， RUIZ S M， KURATA N. Smart sensing technology： opportunities and challenges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11： 349?368.

[11] LYNCH J P， SUNDARARAJAN A， LAW K H， et al. Embedding damage detection algorithms in a wireless sensing unit for operational power efficiency [J]. Smart Materials & Structures， 2004， 13（4）： 800?810.

[12] NAGAYAMA T， SPENCER J. Sensor development using berkeley mote platform [J]. Journal of Earthquake Engineering， 2006， 10（2）： 289?309.

[13] NI Y Q， LI B， LAM K H， et al. In?construction vibration monitoring of a super?tall structure using a long?range wireless sensing system [J]. Smart Structures and Systems. 2010， 7（2）： 83?102.

[14] Intel Corporation Research. Intel Mote2 Overview [R]. Santa Clara， CA ： [s.n.]， 2005.

[15] DENG R L， CHEN J M， FAN J L， et al. A general approach for building Linux on sensor node Imote2 [J]. Computer Standards & Interfaces， 2012， 34： 101?108.

圖13 橋梁振動三維數(shù)據(jù)

圖14 三維功率譜密度

4 結(jié) 論

通過潤揚(yáng)大橋鋼箱梁的振動對比實驗，可以看出，無線加速度系統(tǒng)相對于有線加速度系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)架精簡，造價低，無需鋪設(shè)電纜等一系列優(yōu)勢；更重要的是，在數(shù)據(jù)可靠性及準(zhǔn)確度方面，無線系統(tǒng)較好的與有線系統(tǒng)保持了一致；并且無線系統(tǒng)可在不增加系統(tǒng)開銷的前提下，提供完善的數(shù)據(jù)測量。另外，無線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面也有著較為明顯的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫莉，劉釗.2000—2008年美國橋梁倒塌案例分析與啟示[J].世界橋梁，2009（3）：46?49.

[2] 丁華平，馮兆祥，沈慶宏，等.基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，45（4）：488?493.

[3] 余波，邱洪興，王浩，等.蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].地震工程與工程振動，2009，29（4）：170?177.

[4] WONG K Y. Instrumentation and health monitoring of cable?supported bridges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11（2）： 91?124.

[5] CHO S. Structural health monitoring of cable?stayed bridge using wireless smart sensors [D]. Daejeon， Korea： KAIST， 2004.

[6] WONG K Y， NI Y Q. Modular architecture of structural health monitoring system for cable?supported bridges [J]. Encyclopedia of Structural Health Monitoring， 2009， 5： 2089?2105.

[7] 李愛群，繆長青，李兆霞，等.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，33（5）：544?548.

[8] 丁幼亮，李愛群.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，38（4）：704?708.

[9] LYNCH J P， LOH K J. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. The Shock and Vibration Digest， 2006， 38（2）： 91?128.

[10] SPENCER J， RUIZ S M， KURATA N. Smart sensing technology： opportunities and challenges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11： 349?368.

[11] LYNCH J P， SUNDARARAJAN A， LAW K H， et al. Embedding damage detection algorithms in a wireless sensing unit for operational power efficiency [J]. Smart Materials & Structures， 2004， 13（4）： 800?810.

[12] NAGAYAMA T， SPENCER J. Sensor development using berkeley mote platform [J]. Journal of Earthquake Engineering， 2006， 10（2）： 289?309.

[13] NI Y Q， LI B， LAM K H， et al. In?construction vibration monitoring of a super?tall structure using a long?range wireless sensing system [J]. Smart Structures and Systems. 2010， 7（2）： 83?102.

[14] Intel Corporation Research. Intel Mote2 Overview [R]. Santa Clara， CA ： [s.n.]， 2005.

[15] DENG R L， CHEN J M， FAN J L， et al. A general approach for building Linux on sensor node Imote2 [J]. Computer Standards & Interfaces， 2012， 34： 101?108.

圖13 橋梁振動三維數(shù)據(jù)

圖14 三維功率譜密度

4 結(jié) 論

通過潤揚(yáng)大橋鋼箱梁的振動對比實驗，可以看出，無線加速度系統(tǒng)相對于有線加速度系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)架精簡，造價低，無需鋪設(shè)電纜等一系列優(yōu)勢；更重要的是，在數(shù)據(jù)可靠性及準(zhǔn)確度方面，無線系統(tǒng)較好的與有線系統(tǒng)保持了一致；并且無線系統(tǒng)可在不增加系統(tǒng)開銷的前提下，提供完善的數(shù)據(jù)測量。另外，無線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面也有著較為明顯的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫莉，劉釗.2000—2008年美國橋梁倒塌案例分析與啟示[J].世界橋梁，2009（3）：46?49.

[2] 丁華平，馮兆祥，沈慶宏，等.基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，45（4）：488?493.

[3] 余波，邱洪興，王浩，等.蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].地震工程與工程振動，2009，29（4）：170?177.

[4] WONG K Y. Instrumentation and health monitoring of cable?supported bridges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11（2）： 91?124.

[5] CHO S. Structural health monitoring of cable?stayed bridge using wireless smart sensors [D]. Daejeon， Korea： KAIST， 2004.

[6] WONG K Y， NI Y Q. Modular architecture of structural health monitoring system for cable?supported bridges [J]. Encyclopedia of Structural Health Monitoring， 2009， 5： 2089?2105.

[7] 李愛群，繆長青，李兆霞，等.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，33（5）：544?548.

[8] 丁幼亮，李愛群.潤揚(yáng)長江大橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，38（4）：704?708.

[9] LYNCH J P， LOH K J. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. The Shock and Vibration Digest， 2006， 38（2）： 91?128.

[10] SPENCER J， RUIZ S M， KURATA N. Smart sensing technology： opportunities and challenges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11： 349?368.

[11] LYNCH J P， SUNDARARAJAN A， LAW K H， et al. Embedding damage detection algorithms in a wireless sensing unit for operational power efficiency [J]. Smart Materials & Structures， 2004， 13（4）： 800?810.

[12] NAGAYAMA T， SPENCER J. Sensor development using berkeley mote platform [J]. Journal of Earthquake Engineering， 2006， 10（2）： 289?309.

[13] NI Y Q， LI B， LAM K H， et al. In?construction vibration monitoring of a super?tall structure using a long?range wireless sensing system [J]. Smart Structures and Systems. 2010， 7（2）： 83?102.

[14] Intel Corporation Research. Intel Mote2 Overview [R]. Santa Clara， CA ： [s.n.]， 2005.

[15] DENG R L， CHEN J M， FAN J L， et al. A general approach for building Linux on sensor node Imote2 [J]. Computer Standards & Interfaces， 2012， 34： 101?108.