(楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

路橋隧道作為橋梁重要承壓基座，其需要承受的壓力也是相當大的，由于橋梁在人們日常出行中扮演著重要的角色，其安全承壓對于改善我國道路交通和促進社會經濟發(fā)展等方面起著重要作用[1]。21世紀以來，承壓技術被廣泛應用到橋梁建設當中，隧道承壓能力越來越強大，路橋建設工程也取得了較大突破。隨著國內外許多大型路橋建設成功，其隧道承壓時間逐漸增加，在長期承受負荷作用和遭受自然環(huán)境影響的條件下，路橋結構會受到一定破壞，其危險性也隨之增加[2]。近幾年，橋梁隧道坍塌事故造成了很多的人員傷亡以及財產大量損失，也抑制了經濟發(fā)展和交通運行。為此，在長期監(jiān)測路橋隧道承壓過程中，應及時對危險情況進行報警，以此保證人們生命以及財產安全。傳統(tǒng)方法采用對中繼節(jié)點均勻部署，傳感節(jié)點不參與所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ù嬖趫缶瘦^低，能量消耗大等問題，無法實現(xiàn)路橋隧道承壓高效報警功能[3]。

為了解決上述問題，提出了路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點的設計。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取效率評價無線傳感節(jié)點部署的優(yōu)劣，研究基于無線傳感節(jié)點能量消耗問題是延長傳感網絡使用壽命的最佳途徑。通過實驗驗證該方法合理性，并得出結論。本文設計的傳感節(jié)點報警效率高且能量消耗較小，可保證人們生命以及財產安全。

1 報警傳感節(jié)點整體設計

路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點設計就是利用無線傳感通信技術和計算機技術對作用于路橋隧道外部環(huán)境進行監(jiān)測并響應，通過評估承壓能力和損傷程度進行報警，以此來保證路橋隧道的安全運營。基本設計原理為：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，利用無線傳輸技術將所有采集到數(shù)據(jù)通過無線傳感方式發(fā)送到監(jiān)測報警中心進行存儲，其次對存儲的數(shù)據(jù)進行處理與分析，根據(jù)分析結果判斷是否需要報警。以該設計原理為基礎，對路橋隧道進行實時監(jiān)測，針對傳感節(jié)點整體架構的設計如圖1所示。

圖1 傳感節(jié)點整體架構圖

傳感節(jié)點是以樹狀結構組成的網絡節(jié)點，對采集到的信息數(shù)據(jù)通過無線傳輸，任何一個節(jié)點都是采用低功耗局域網協(xié)議(ZIGBEE)進行通信的[4]，在監(jiān)測中心主要通過連接數(shù)據(jù)線進行命令根節(jié)點的實時發(fā)送。根節(jié)點作為整個數(shù)據(jù)網絡的核心部分，其收到來自監(jiān)測中心的控制命令后，再將自己的操作信息發(fā)送給子節(jié)點，子節(jié)點不斷重復該過程，直到網絡內部所有傳感節(jié)點和中繼節(jié)點都收到命令。收到命令的節(jié)點通過外部傳感器或者內置集成電路對傳感結構相關信息進行采集，并通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到父節(jié)點，經過統(tǒng)一整理，再將父節(jié)點所有數(shù)據(jù)傳送到根節(jié)點，根節(jié)點再經過統(tǒng)一整理，將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測報警中心。

監(jiān)測報警中心是由PC主機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的，采集系統(tǒng)連接著大型數(shù)據(jù)庫，通過界面顯示可對數(shù)據(jù)庫中的全部信息進行實時操作，通過采集系統(tǒng)下達采集命令，無線傳感節(jié)點接收到命令后，對路橋隧道結構關鍵信息進行采集，并及時傳回。采集系統(tǒng)通過對PC主機串口數(shù)據(jù)的采集，能夠利用軟件功能界面顯示出數(shù)據(jù)波形，同時被插入到實時數(shù)據(jù)庫中，將采集到的數(shù)據(jù)全部儲存到數(shù)據(jù)中進行簡單數(shù)據(jù)分析，并以此為基礎展開傳感節(jié)點硬件和軟件部分的設計。

1.1 硬件設計

根據(jù)圖1傳感節(jié)點整體架構圖，設計傳感節(jié)點硬件。路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點主要是由承壓報警傳感、無線單片機和傳感單元及接口電路三部分組成的。

1.1.1 承壓報警傳感模塊

承壓報警傳感模塊主要由報警傳感器和壓力比較器組成的，具體傳感設計如圖2所示。

圖2 承壓報警傳感模塊

報警傳感器工作電壓為10 V的直流電壓，為了方便報警處理，將路橋隧道承壓最大范圍對應的模擬電壓值與最小范圍模擬電壓值進行比較分析，并輸出二值數(shù)字信號，如果該值大于電壓閾值，那么說明需觸動報警裝置，指示燈閃爍；如果該值小于電壓閾值，那么說明無危險情況發(fā)生。

1.1.2 無線單片機模塊

為了使傳感節(jié)點硬件部分的設計更加簡單，采用微控制器和無線通信方式對無線單片機類型進行選擇。通常情況下，選擇具有集成能力強、小巧靈活的控制器，內部具有8位MCU和128位的可編程內存，并具有8 kb的隨機存取存儲器和具有獨立通道的14位數(shù)字信號轉換器，具有21個可編程的引腳，為此，單片機只需較少的外圍器件就能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效處理與存儲。單片機兼容了2.5 GHz的協(xié)議無線射頻芯片，僅僅需要少數(shù)的外部元件就能組成具有多個節(jié)點的無線傳感網絡[5]。報警傳感節(jié)點通過單片機內部的MCU通用引腳接收來自報警傳感器輸出信號，引用內部射頻模塊，將報警信息發(fā)送至監(jiān)測中心。

1.1.3 傳感單元及接口電路模塊

傳感單元既包含加速度計、傾角計，又包含溫度傳感器，其中加速度計和傾角計為信號傳輸?shù)闹饕M變量，溫度傳感器將輸出的信號轉變?yōu)閿?shù)字形式。在傳感器單元中，加速度計主要作用是記錄路橋隧道振動的加速度信號[6]。該記錄方式有兩種，分別是力平衡式和三軸傳感器式，其中力平衡式記錄方法具有高分辨率、靈敏度強的優(yōu)勢，可用于對橋梁進行常規(guī)監(jiān)測，而三軸傳感器式記錄方法雖然靈敏度稍差一些，但是其體積小，攜帶方便，而且采用無線連接方式，可提高監(jiān)測報警精準度。傾角計是對路橋隧道局部傾斜程度進行測量，由于模擬的傳感器采用的是將最終數(shù)據(jù)轉換為模擬信號的方式，無法將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，為此需進行模數(shù)轉換。進行模數(shù)轉換的模擬傳感器有多個，因此在進行轉換前可采用模擬電路的方式來模擬多個通道，此時應用的通道接口電路設計如圖3所示。

圖3 路橋隧道電路

由圖3可知通道接口電路連接方式，以該電路為整個傳感節(jié)點設計的核心電路連接狀態(tài)，完成硬件部分的設計。

1.2 軟件設計

報警傳感節(jié)點軟件設計部分數(shù)據(jù)的采集和管理需要與嵌入式底層驅動進行信息交互，整個過程為無線傳感數(shù)據(jù)的采集提供了更加準確的數(shù)據(jù)。信息交互整個過程是將采集到的數(shù)據(jù)通過硬件相關程序完成發(fā)送，進而控制硬件完成相應軟件部分的設計。

1.2.1 通信協(xié)議

在傳感網絡組網時，需構建具有層次的網絡結構，由上層節(jié)點向下層節(jié)點傳輸信息時，分組信息需按照一定格式才能發(fā)送，為此在節(jié)點間定義無線通信協(xié)議。傳感節(jié)點需根據(jù)監(jiān)測中心所下達的指令來執(zhí)行相應操作[7]，因此定義通信協(xié)議確保傳感節(jié)點受到監(jiān)測中心可靠控制。由于數(shù)據(jù)采集的可靠性直接關系著對數(shù)據(jù)的下一步分析，需保證無線傳感與數(shù)據(jù)采集中心數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕残瓒x無線通信協(xié)議，實際上也是最底層軟件與最高層軟件之間的信息傳輸。分別定義3種協(xié)議來規(guī)范傳感節(jié)點組網構成模式、執(zhí)行動作和數(shù)據(jù)格式化打包。

1)分組協(xié)議定義：分組協(xié)議負責規(guī)范傳感節(jié)點組網構成模式，該模式包括幀信息、節(jié)點編號、父節(jié)點編號和字節(jié)等。

2)命令協(xié)議定義：命令協(xié)議負責規(guī)范執(zhí)行動作，其中幀信息執(zhí)行時需以“OXAA、OXSS”格式執(zhí)行，并只占用4個字節(jié)[8]。命令式標識符將所有傳感節(jié)點接收到的操作指令下達到最底層，并執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集的頻率也是傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)的頻率，為此在執(zhí)行命令時，需遵循頻率一致原則進行。

3)數(shù)據(jù)協(xié)議定義：數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括幀頭與幀尾數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)需求，數(shù)據(jù)幀可占用105個字節(jié)，經過自定義的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式也只占用了4個字節(jié)，經過采集中心獲取的數(shù)據(jù)包，需先判斷包頭格式是否標準，如果標準，則需保留；如果出現(xiàn)錯誤，則需丟棄。

針對數(shù)據(jù)包編號主要是為了方便記錄已經保存的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包共占用6個字節(jié)，采用傳感節(jié)點采集所需的數(shù)據(jù)，并利用模擬傳感器和數(shù)字傳感器傳輸方式將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲區(qū)域，該區(qū)域共占字節(jié)88個。實時記錄采集數(shù)據(jù)包的時間點，將采集到的時間準確記錄有助于對數(shù)據(jù)的處理與分析，為報警提供更加準確的信息，該部分共占字節(jié)6個，單位為分秒。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集管理是監(jiān)測中心的重要組成成分，具體設計如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集功能構成框圖

利用無線傳感方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機串口中，通過監(jiān)聽，可準確獲取串口數(shù)據(jù)，并將其插入數(shù)據(jù)庫當中。該部分是基于C/S架構設計的，結合.NET技術研發(fā)而成[9]。經過采集后的數(shù)據(jù)需分配到登錄的界面、在線監(jiān)測和定時數(shù)據(jù)包發(fā)射、界面操作、頻譜中依次進行分析與融合，為傳感節(jié)點部署提供可靠依據(jù)。

1.2.3 傳感節(jié)點部署的實現(xiàn)

結合路橋隧道特點，傳感節(jié)點數(shù)據(jù)是通過由遠及近進行傳輸?shù)?，并最終保留在基站中，通常情況下只在單側面部署傳感器，進而形成一條具有線性網絡結構的傳感形式，根據(jù)結構特性對傳感節(jié)點位置進行部署，由于位置都是相對固定的，假設網絡是由n個傳感節(jié)點和m各中繼節(jié)點組成的，如圖5所示。

圖5 報警傳感節(jié)點部署

路橋隧道結構報警傳感節(jié)點具有以下屬性：

1)傳感節(jié)點按照其工作性能可分為中繼節(jié)點和傳感節(jié)點兩種，其中中繼節(jié)點主要負責對數(shù)據(jù)采集，并存儲；傳感節(jié)點主要負責對數(shù)據(jù)傳輸。在網絡中，任何一個節(jié)點都是靜態(tài)的，不會發(fā)生變動，每個節(jié)點的能量都是有限的，如果節(jié)點能量消耗殆盡，那么該節(jié)點就不能繼續(xù)工作。

2)將n個傳感節(jié)點位置固定后，每一個節(jié)點都是具有唯一屬性編碼的ID，可表示為Ai(i=1,..,n)，傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)時是具有一定規(guī)律的，呈周期性采集方式。將采集后的數(shù)據(jù)采用多層跳躍方式傳輸?shù)交局?，任何一個節(jié)點進行采樣的數(shù)據(jù)都會產生獨特的頻率。

3)在Ai和Ai-1之間具有mi個中繼節(jié)點，編號依次為Bi,1，Bi,2，…，Bi,m。Ai和Ai-1之間距離為si,A。

4)任何節(jié)點初始能量是相同的，但是隨著數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)點能量肯定會消耗，該消耗主要是用在數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，路橋隧道報警中的傳感節(jié)點采樣頻率比正常頻率要高得多，相比于數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，采集時能量消耗可忽略不計。

5)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點接收距離的遠近可調整發(fā)射效率來節(jié)約能量消耗，比如在100個發(fā)射等級中，如果中間出現(xiàn)一個完美的數(shù)據(jù)鏈路，那么進行數(shù)據(jù)傳輸時是不需要考慮數(shù)據(jù)重傳問題的。

6)任何兩個傳感節(jié)點之間都會存在著一個最大數(shù)據(jù)傳輸距離。

2 實驗

為了驗證路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點設計的合理性進行了如下實驗。

2.1 實驗環(huán)境

假設利用無線加速傳感器對路橋隧道進行承壓報警測試，傳感器在橋面一側沿著隧道縱向設計，進而形成一個具有線性屬性的網絡結構，不同傳感節(jié)點布置如圖6所示。

圖6 傳感節(jié)點部署

為了使實驗環(huán)境變得更加普通，選取不同傳感節(jié)點的不同數(shù)據(jù)采樣頻率，具體采樣結果如表1所示。

表1 傳感節(jié)點采樣頻率結果

結合路橋隧道結構進行實驗的實際情況，無線傳感節(jié)點參數(shù)設置如表2所示。

表2 無線傳感實驗參數(shù)設置

2.2 實驗結果與分析

針對結果的測定，需將傳統(tǒng)設計方法與改進設計方法進行對比：

傳統(tǒng)方法：針對中繼節(jié)點采用均勻設計方式，傳感節(jié)點不參與所有數(shù)據(jù)傳輸時的節(jié)點布置；

改進方法：充分考慮數(shù)據(jù)獲取效率節(jié)點設計情況。

傳統(tǒng)方法中設計的中繼節(jié)點選取數(shù)量與改進設計的獲取效率所計算結果是一致的，方便實驗對比。即使在實驗過程中，節(jié)點都是均勻設計的，但是由于傳感節(jié)點位置是固定的，為此中繼節(jié)點的數(shù)量也是有限的，一定要按照不同傳感節(jié)點之間的中繼節(jié)點數(shù)量進行均勻部署。傳統(tǒng)設計方法使按照傳感節(jié)點中的A4位置以及A4和 A3之間的中繼節(jié)點能源消耗一致原則來確定兩個中繼節(jié)點之間的距離，剩下其它節(jié)點之間的距離都是按照數(shù)據(jù)轉發(fā)量成反比的原則進行部署的。將傳統(tǒng)設計效果與改進設計效果進行對比，結果如表3所示。

表3 兩種設計方法節(jié)點部署結果

由表3可知：采用傳統(tǒng)設計方法無論是部署時間還是數(shù)據(jù)獲取效率都不如改進設計方法，比較兩種設計方案，改進設計方法綜合考慮了無線傳感節(jié)點設計的成本和數(shù)據(jù)獲取效率，能夠獲得比較優(yōu)秀的無線傳感節(jié)點性能。

為了使實驗結果更加可靠，將傳統(tǒng)設計方法與改進設計方法對報警所耗費的能量進行對比，結果如圖7所示。

圖7 兩種方法報警耗費能量對比結果

由圖7可知：采用傳統(tǒng)方法對報警傳感節(jié)點進行設計時，消耗能量較大，而改進方法對報警傳感節(jié)點進行設計時，消耗能量較小。

2.3 實驗結論

根據(jù)實驗內容，將傳統(tǒng)設計方法與改進設計方法進行對比結果可知，采用傳統(tǒng)設計方法無論是部署時間還是數(shù)據(jù)獲取效率都不如改進設計方法，比較兩種設計方案，改進方法綜合考慮了無線傳感節(jié)點設計的成本和數(shù)據(jù)獲取效率，能夠獲得比較優(yōu)秀的無線傳感節(jié)點性能。相對于能量消耗情況，采用傳統(tǒng)方法的報警傳感節(jié)點設計消耗能量較大，而改進方法報警傳感節(jié)點設計消耗能量較小。由此可知，改進設計方法報警效率較高，且能量消耗較小。

3 結束語

對于路橋隧道承壓報警傳感節(jié)點的設計與實現(xiàn)進行了研究，通過整體設計和實驗結論可知：根據(jù)無線傳感器性能評價指標可提高數(shù)據(jù)獲取效率，充分考慮無線傳感成本，其節(jié)點能源消耗的均勻性以及獲取的網絡結構是具有合理性的，能夠有效評價傳感節(jié)點設計性能。通過詳細分析可計算出報警傳感節(jié)點設計所消耗的能量，并由此獲取傳感節(jié)點與中繼節(jié)點位置，通過實驗驗證，該設計方法是具有合理性的。