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基于 ZigBee 和 GPRS 的桥梁结构健康监测系统
纪航宇,刘晓平
北京邮电大学自动化学院,北京(100876)
E-mail:jhybupt@yahoo.com.cn
摘 要:传感器是结构健康监测的基本组成部分,为了改进传感器布点的快捷性和数据传输
的准确性,采用了无线传感器网络来构建桥梁监测系统。避免了对以前没有建立监测系统的
桥梁建立有线监测系统时所要面对的铺设线缆的繁琐工作及其带来的高成本问题,解决了如
何低成本快捷的构建桥梁监测系统。本文论述了利用 ZigBee 技术组网并在基站端采用 GPRS
同上位机通信的桥梁监测系统,在实验室桥梁模型的试验下,证明完全可以在实际中应用。
关键词:无线传感器网络,ZigBee,GRPS,桥梁
中图分类号:TP393 文献标识码:A
1. 引言
结构健康监测系统来源于仿生,是多种
学科交叉作用的共同产物
[1]
。
传统的实现监测的方式是基于有线的
传感器数据采集,但这有许多重要缺陷
[2][3]
:
最主要的是传感器设备必须通过电缆连接
到中心数据采集单元,这样势必有大量的电
缆用来铺设、而这是昂贵和耗时的;另外一
点就是电缆要预先埋入结构层中以减少测
试成本,但这增加了承包商和工程设计师的
工作量,电缆损坏也是个大问题,那不是一
个最优解。所以无线形式是下一步的方向,
也是必然。故用无线传感器网络(WSN)实现
结构健康监测是激动人心的。
桥梁是我们日常生活中的重要组成部
分,它的健康状况直接关系到人民群众日常
生活的安危。桥梁健康检测的基本内涵是通
过对桥梁结构状态的监控与评估,在特殊气
候、交通条件下或运营状况严重异常时发出
预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提
供依据和指导。为此,监测系统通常对以下
几个方面进行监控
[4]
:
①桥梁结构在正常环境与交通条件下
运营的物理与力学状态;
②桥梁结构在非正常状况下的结构特
征和物理表现;
③工程所处环境条件,等等。
自20世纪50年代以来,桥梁健康监测的
重要性就逐渐被认识,但受检测、监测手段
比较落后的限制,在应用上一直未得到大面
积推广和重视。当今部分桥梁铺设了光纤传
感器等检测设备,但大部分桥梁依然在靠维
护人员的人工检测。如果能有一种技术把维
护人员从繁重的人工检测和大量的传感器
布线的工作中解脱出来,取而代之以无线自
组网的方式,那么既会减少桥梁维护的人工
成本,也会提高数据的实时全局性、提高传
输效率,使维护人员能够足不出户的监测和
评估桥梁的健康状况。随着无线传感器网络
技术的发展成熟,它正逐步适合这种需要。
无线传感器网络(WSN)是由散布在工
作区域中大量的体积小,成本低,具有无线
通信、传感和数据处理能力的传感器节点组
成的。每个节点可能具有不同的感知形态,
例如速度、加速度、温湿度等,节点可以完
成对目标信息的采集、传输、决策制定与实
施,实现区域监控、目标跟踪、定位和预测
等任务。每一个节点都具有存储、处理、传
输数据的能力。通过无线网络,传感器节点
之间可以相互交换信息,也可以把信息传送
到远程终端
[5]
。
在桥梁健康监测中应用无线传感器网
络,使对没有安装传感器的桥梁,网络布点
方便,组网自由,可以按照特定需求随时改
变布点方案。且无线传感器网络可以自动的
评估桥梁整体的健康性,精确的监测和定位
任何损坏处,并可预测的延长结构健康生命
期、减少维护成本、提高公众的整体安全。