張其然 林梓櫟 張瀛文

摘 要： 本文設(shè)計了一種分布式傳感網(wǎng)，能夠應(yīng)用于橋梁檢測，對橋梁的振動和壓力進(jìn)行測量，相比于傳統(tǒng)的檢測方式，本文所采用的方法具有一定的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測；應(yīng)變式傳感器；傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 概述

橋梁作為交通運輸?shù)闹匾M成部分具有較為關(guān)鍵的作用。因此，對于橋梁的檢測具有實際的應(yīng)用價值并且具有廣闊的發(fā)展空間。最初，橋梁的檢測采取人工形式，但是隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，原先的人工方式漸漸被摒棄。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣闊應(yīng)用需求的背景下，從簡單的點對點的連接發(fā)展成為現(xiàn)場的總線通信模式，再漸漸地演變?yōu)闊o線自組網(wǎng)絡(luò)模式。由此可以看出傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展是一個由有線到無線，由單一化再到網(wǎng)絡(luò)化的過程。

如今已有的橋梁檢測數(shù)據(jù)傳輸基本采取有線方式，大多采取有線傳感器節(jié)點，控制系統(tǒng)和有線通信等模塊來實現(xiàn)。有線傳感網(wǎng)絡(luò)通過其配備的傳感器設(shè)備來采集橋梁的相關(guān)特性與數(shù)據(jù)信息后，控制系統(tǒng)為節(jié)點提供采集數(shù)據(jù)的通信驅(qū)動，并通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心的傳送，以實現(xiàn)節(jié)點的組網(wǎng)。有線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠在一定程度上保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，但是其應(yīng)用效果具有如下幾個弊端：

（1）對于大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)來說，有線傳感器節(jié)點很難安置，造成人力和財力的消耗。

（2）復(fù)雜的有線布局使設(shè)備的現(xiàn)場安裝和維護(hù)不便，檢測費用高。

（3）系統(tǒng)本身的使用時間有限，外部環(huán)境可能會造成電路的老化。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的組合結(jié)構(gòu)。它不需要利用數(shù)據(jù)線和電源線，因此使得大規(guī)模節(jié)點傳感網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行快速安裝調(diào)試，從而長期穩(wěn)定地運行。相比于傳統(tǒng)的有線傳感網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢在于：

（1）無需大量傳輸線，可以隨意安置，有效避免大量接線所引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（2）節(jié)省了布線的成本消耗，并且傳感器節(jié)點的單價也日漸下降。

（3）某個監(jiān)測點失效時，附近的節(jié)點可代替完成任務(wù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器檢測，無線通信以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集合到一起，對目前工程實踐中的具體問題提供了一個很好的解決方案。而分布式傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了微傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、弱能源依賴技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)成由大量密集分布在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。所以本文采用分布式傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)橋梁檢測具有一定的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)模型

設(shè)計所采用的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中包括分布式傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。設(shè)計采用分布式傳感器節(jié)點采集所需要的信息數(shù)據(jù)，如橋梁振動信息以及壓力參數(shù)；之后系統(tǒng)將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得到有效數(shù)據(jù)，并將其送入信息整合點，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備，將所得到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。在這個過程中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行互聯(lián)，從而實現(xiàn)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在橋梁檢測系統(tǒng)中的組網(wǎng)與應(yīng)用。

信息的采集是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分，其中傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡(luò)基本的構(gòu)成單位， ，其設(shè)計的使用性能將直接影響到整個檢測系統(tǒng)的性能。包括如下4個基本模塊：數(shù)據(jù)采集模塊（包括采集振動，壓力等基本信息）、數(shù)據(jù)處理模塊（采用處理器對采集得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以得到有效信息）、數(shù)據(jù)傳輸模塊（由無線通信模塊組成，傳輸信息）以及電源（供應(yīng)基本能量）?？傊?，節(jié)點能夠放大所采集的微弱信號，并進(jìn)行濾波和信號處理從而轉(zhuǎn)化為所需要的信號范圍，隨后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，存儲處理后數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊顧名思義，主要完成的是橋梁信息的采集。橋梁信息的采集優(yōu)劣決定了設(shè)計后處理部分電路的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)的可靠性。因此，此模塊是設(shè)計的重點。鑒于橋梁的振動信息大部分都處于低頻的環(huán)境下，加速度傳感器性能的優(yōu)劣在采集橋梁振動信息的過程中顯得至關(guān)重要。因此，在傳感器節(jié)點的設(shè)計中所采用的加速度傳感器在保證測量精度滿足低于1mg以下的同時，使得測量頻率的下限達(dá)到1Hz以下。

只要測出彈性體的應(yīng)變就可以計算出作用在彈性元件上的力F的大小，而應(yīng)變大小可以通過在彈性體外壁上粘貼應(yīng)變片的方法來測量。當(dāng)柱體在軸向上受到壓力或者拉力時，還受到由于載荷偏心帶來的彎矩影響。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

在采集橋梁振動信息數(shù)據(jù)的過程中，其所處的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，對于采集具有相當(dāng)大的難度。特別是在處于低頻環(huán)境下時，環(huán)境中的干擾噪聲很可能會完全掩蓋所需要的有用信息；再者，在信息傳輸?shù)倪^程中，可能會夾雜引入一定的無效信息，在這種情況下，最終所傳輸送達(dá)的信號將無法提取有效的信息，從而導(dǎo)致信號失效。因此，在考慮到過程中所可能引入的噪聲的情況下，在數(shù)據(jù)采集完成后，設(shè)計選取抗混疊濾波器濾波來濾除干擾噪聲，從而對采樣所得到的信號進(jìn)行預(yù)先處理，以提高信號的精度。而應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的微小電阻變化可以通過應(yīng)變測試來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，此部分可采取惠斯通電橋來實現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)的傳輸主要通過無線方式傳輸，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ЧQ于數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，此部分便依賴于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。其主要包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會話層，表示層和應(yīng)用層。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于橋梁檢測的分布式傳感網(wǎng)設(shè)計，利用加速度傳感器和壓變式力傳感器，采用具有穩(wěn)定輸出效果，受外界干擾小的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)具有廣闊的傳輸距離，較大的工作量程和較長時間持續(xù)工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳鵬.現(xiàn)有傳感器的橋梁無線檢測技術(shù)初探[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2016，（03）：140+144.

作者簡介：張其然（2000-），男，江蘇南通人，職務(wù)：學(xué)生。