地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速評(píng)定

施 毅， 張 巍， 孫 可， 丁華平， 孫 遜

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，蘇州 215004；3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046； 4. 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046)

地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速評(píng)定

施 毅1,2， 張 巍3， 孫 可3， 丁華平4， 孫 遜3

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，蘇州 215004；3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046； 4. 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046)

地鐵列車振動(dòng)環(huán)境微弱響應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試需要mg量級(jí)的加速度測(cè)試精度，常規(guī)板載MEMS加速度傳感器通常難以滿足。采用低噪聲運(yùn)算放大器OPA4344與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器QF4A512，將MEMS加速度傳感器SD1221L-002量程限定在±0.2 g，同時(shí)采用進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理，達(dá)到了0.043 mg的加速度測(cè)試分辨率，滿足了地鐵列車環(huán)境微振測(cè)試要求。基于英特爾Imote2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)與嵌入式軟件平臺(tái)ISHMP Services Toolsuite，實(shí)現(xiàn)了地鐵列車振動(dòng)環(huán)境加速度測(cè)試專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。基于TinyOS開源操作系統(tǒng)，采用組件式結(jié)構(gòu)程序語言nesC編寫了嵌入式應(yīng)用組件VibrationLevelCalculation，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境振級(jí)的嵌入式計(jì)算。應(yīng)用該系統(tǒng)，對(duì)一地鐵緊鄰地下空間內(nèi)地鐵列車環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。通過傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境加速度信號(hào)，在傳感節(jié)點(diǎn)Imote2主板內(nèi)嵌入式計(jì)算振級(jí)，通過無線傳輸數(shù)據(jù)，在終端直接顯示出測(cè)試環(huán)境振級(jí)分布。通過回溯存儲(chǔ)于傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)三分之一倍頻程中心頻率上的振級(jí)數(shù)據(jù)，獲得了各測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)的快速評(píng)定。

地鐵列車；環(huán)境振動(dòng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；微機(jī)電系統(tǒng)；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器；嵌入式計(jì)算

地鐵列車運(yùn)行會(huì)誘發(fā)周邊自由場(chǎng)地振動(dòng)與結(jié)構(gòu)物的二次振動(dòng)，對(duì)人體舒適度乃至健康造成不利影響[1-2]。對(duì)地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，是定量評(píng)價(jià)振動(dòng)效應(yīng)的有效手段[3]，同時(shí)也是驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)公式的基本方法[4]。現(xiàn)有地鐵環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)普遍采用有線連接的方式[5]，它存在現(xiàn)場(chǎng)布線繁復(fù)、成本高、布置不夠靈活等缺點(diǎn)；同時(shí)，所采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)需要離線集中處理，往往需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能獲得對(duì)于環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用板載微機(jī)電(MEMS)傳感器，具有尺寸小、費(fèi)用低、無線通訊、易于布置等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，由于自帶微控制器(MCU)與存儲(chǔ)器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的嵌入式計(jì)算與分布式存儲(chǔ)，用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已被應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[6-7]。近年來，地鐵隧道等地下空間健康監(jiān)測(cè)也開始應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但主要局限于變形與受力狀態(tài)等靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試[8-9]，而加速度等動(dòng)力參數(shù)測(cè)試的研究成果較少。因此，研究開發(fā)一種適用于地鐵列車振動(dòng)環(huán)境加速度響應(yīng)測(cè)試的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有望在一定程度上替代有線測(cè)試系統(tǒng)，提高測(cè)試效率。

本文基于地鐵振動(dòng)環(huán)境加速度響應(yīng)特征，選擇英特爾Imote2平臺(tái)開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，采用美國伊利諾伊大學(xué)專為環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試所開發(fā)的加速度傳感器板SHM-H及其配套的嵌入式軟件平臺(tái)ISHMP Services Toolsuite，實(shí)現(xiàn)了地鐵列車振動(dòng)環(huán)境加速度信號(hào)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試；同時(shí)，還采用了南京大學(xué)編寫的嵌入式應(yīng)用組件VibrationLevelCalculation，對(duì)存儲(chǔ)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的加速度信號(hào)進(jìn)行了嵌入式計(jì)算，并將計(jì)權(quán)振級(jí)與1/3倍頻程譜等分析結(jié)果直接發(fā)送至終端顯示，實(shí)現(xiàn)了地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)的快速評(píng)定。

1 微振信號(hào)采集

1.1 響應(yīng)特征分析

對(duì)地鐵列車環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)注頻率范圍一般為1～80 Hz[10]，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，測(cè)試采樣頻率應(yīng)大于160 Hz；此外，文獻(xiàn)還表明[11]，地鐵振動(dòng)環(huán)境加速度響應(yīng)幅值通常在mg量級(jí)，為采集到這種低幅值微弱振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，儀器的測(cè)試分辨率應(yīng)大于0.05 mg，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的MEMS加速度傳感器需要滿足該指標(biāo)要求。

1.2 信號(hào)調(diào)理

采用QF4A512實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理，QF4A512是一款可編程4通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)及信號(hào)調(diào)節(jié)器，各通道具有信號(hào)放大、抗混疊濾波、16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及512階高精度濾波等功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在線軟件編程來設(shè)定系統(tǒng)采樣率和截止頻率等參數(shù)。QF4A512的信噪比(SNR)為81 dB，SNR與有效位數(shù)(ENOB)與之對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(1)

則SD1221采集信號(hào)所能達(dá)到的最大分辨率僅為

4 000mg/(213.2-1)=0.43mg

(2)

該分辨率無法滿足測(cè)試要求。為此，采用低噪聲運(yùn)算放大器(OP-Amp)OPA4344[12]，如圖1所示，將SD1221L-002的量程限定在±0.2g，則最大分辨率被提高至

400mg/(213.2-1)=0.043mg

(3)

滿足了測(cè)試分辨率的要求。

圖1 OPA4344運(yùn)算放大器電路Fig.1 OP-Amp circuit for signal amplification

經(jīng)信號(hào)調(diào)理后的SD1221典型性能指標(biāo)見表1。

表1 SD1221L-002 加速度傳感器參數(shù)指標(biāo)

1.3 加速度傳感器板

地鐵環(huán)境振動(dòng)加速度信號(hào)采集采用加速度傳感器板SHM-H實(shí)現(xiàn)，該傳感器板由美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校Spencer教授課題組開發(fā)[13]，如圖2(a)所示，板上集成了SD1221加速度傳感器與OPA 4344運(yùn)算放大器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集；由圖2(b)中可知，板上還集成了快速濾波器ADC QF4A512及其電路，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理與模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3 SHM-H工作框圖Fig.3 Block diagram of sensor node

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

2.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)選用英特爾公司開發(fā)的Imote2，它源自加州大學(xué)伯克利分校的Mote系列商業(yè)化平臺(tái)。Imote2采用三層堆疊結(jié)構(gòu)布置，如圖4(a)所示，最底部為IIB2400CA電源板，使用3節(jié)1.5 V電池供電；其上部嵌套堆疊Imote2主板，其頂端嵌套堆疊加速度傳感器板SHM-H。接收端基站節(jié)點(diǎn)采用雙層堆疊結(jié)構(gòu)布置，如圖4(b)所示，其底端為Imote2主板，上層嵌套堆疊著IIB2400接口板，通過線纜接入電腦USB接口。

圖4 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Node configurations

2.2 Imote2主板

如圖5所示，Imote2主板集成了英特爾低功耗32位XScale處理器PXA271(可變主頻13～416 MHz)、MMX DSP 協(xié)處理器、256 KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、32 MB同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)、32 MB閃存，并集成了射頻收發(fā)器CC2420(250 kbps、2.4 GHz IEEE 802.15.4、16信道)。PXA271與DSP協(xié)處理器為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了較強(qiáng)的嵌入式計(jì)算能力；數(shù)字存儲(chǔ)器為動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)提供了物理空間；CC2420集成了無線射頻調(diào)制器與天線，可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的無線通訊。

圖5 Imote2主板Fig.5 Imote2 main board

3 嵌入式軟件平臺(tái)

3.1 嵌入式工具箱

傳感節(jié)點(diǎn)自身具有電源控制與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ埽鼈兪峭ㄟ^安裝在存儲(chǔ)器內(nèi)的嵌入式開源工具箱ISHMP實(shí)現(xiàn)，具體可參見文獻(xiàn)[14]。所有工具箱組件均基于MOTE平臺(tái)下開源操作系統(tǒng)TinyOS V2.1.2，并采用開發(fā)組件式結(jié)構(gòu)程序語言nesC實(shí)現(xiàn)。主要組件如：RemoteSensing，控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；Imote2comm與autocomm，控制基站節(jié)點(diǎn)與電腦之間的通訊；Vbat，檢查傳感節(jié)點(diǎn)電池容量；TestRadio，評(píng)價(jià)無線通訊質(zhì)量；TimeSychronization，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各傳感器時(shí)間同步。此外，工具箱內(nèi)還包含了數(shù)值算法庫，可實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換FFT、功率譜密度函數(shù)PSD等嵌入式計(jì)算功能。

3.2 嵌入式振級(jí)計(jì)算

為了在傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)的快速評(píng)價(jià)，南京大學(xué)在ISHMP原有基礎(chǔ)上，采用nesC語言新編寫了嵌入式振級(jí)計(jì)算組件VibrationLevelCalculation，計(jì)算原理如下：

振級(jí)計(jì)算公式為

(4)

式中，a0為基準(zhǔn)加速度，值為10-6m/s2；為計(jì)權(quán)加速度均方根，由式(5)計(jì)算：

(5)

式中，wi為各三分之一倍頻程中心頻率的計(jì)權(quán)因子[14]，針對(duì)地鐵環(huán)境振動(dòng)取0～ 80 Hz區(qū)間；ai為各三分之一倍頻程中心頻率上的加速度均方根，通過式(6)得到：

(6)

式中，f1和f2分別對(duì)應(yīng)各三分之一倍頻程區(qū)間的上下限截止頻率；G(f)為頻譜密度函數(shù)，可通過傅里葉變換獲取。

4 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖6為該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，由傳感節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)、中心服務(wù)器(PC端)等三部分組成；系統(tǒng)采用Zigbee通信協(xié)議，僅實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)之間的獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸，各傳感節(jié)點(diǎn)中間不存在數(shù)據(jù)傳輸；節(jié)點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)振級(jí)計(jì)算、PSD和FFT等嵌入式計(jì)算功能；服務(wù)器通過基站實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置、時(shí)間同步及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖6 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.6 Schematic of the whole system

不同于傳統(tǒng)測(cè)試方法所采用的離線集中數(shù)據(jù)處理方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在各傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，只將最終計(jì)算結(jié)果通過基站節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街行姆?wù)器顯示，因此具有較高的工作效率，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)的快速評(píng)定[15]。整體系統(tǒng)具體工作流程如圖7所示，在數(shù)據(jù)采集開始前，先操作服務(wù)器通過基站節(jié)點(diǎn)激活各傳感節(jié)點(diǎn)，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。隨后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置，包括采樣時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率及內(nèi)部時(shí)鐘同步等；各節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH內(nèi)部并消除溫漂和進(jìn)行抗混疊濾波處理；根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)計(jì)算計(jì)權(quán)振級(jí)；完成一個(gè)測(cè)試周期后，各節(jié)點(diǎn)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)及處理結(jié)果傳至基站，并最終存儲(chǔ)在服務(wù)器內(nèi)。后期如有需要，還可回溯傳感節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)的原始數(shù)據(jù)。

圖7 工作流程圖Fig. 7 Work flow chart

5 實(shí)測(cè)應(yīng)用

5.1 測(cè)試環(huán)境

蘇州星海生活廣場(chǎng)為一大型地下空間商業(yè)綜合體，總建筑面積54 511 m2，最大埋深為地下13.7 m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，負(fù)一層為地下商場(chǎng)，負(fù)二層為地下車庫。該地下建筑與蘇州軌道交通1號(hào)線星海街車站無縫對(duì)接，如圖8所示，地鐵軌道中心與該地下建筑側(cè)墻的邊距僅3.2 m，所在場(chǎng)地的土層分布均在圖中繪出。

地鐵列車為南京浦鎮(zhèn)車輛廠所生產(chǎn)的B型車，采用4節(jié)編組形式(Tc+Mp+Mp+Tc)，其中，Tc為拖車，長(zhǎng)22 m；Mp為動(dòng)車，長(zhǎng)19 m；兩類車廂皆寬2.8 m，高3.8 m；輪距1.5 m，車距0.8 m；列車整體編組重量為127.6 t；列車最大行駛速度為80 km/h，在區(qū)間隧道內(nèi)行駛的平均速度約為50 km/h，進(jìn)出站加速度約為1 m/s2，持續(xù)時(shí)間均約20 s左右。線路鋪設(shè)無砟整體道床。

圖8 測(cè)區(qū)剖面圖(m)Fig.8 Sectional view of measuring site(m)

5.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

測(cè)試對(duì)象為地下商場(chǎng)和地下車庫兩層的樓層Z振級(jí)[16]，兩層測(cè)點(diǎn)的平面布置上下一致，如圖9所示，在靠近地鐵軌道一側(cè)40 m×40 m的測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，沿5條測(cè)線共布置了39個(gè)測(cè)點(diǎn)，5條測(cè)線的空間位置分別是：A測(cè)線靠近列車進(jìn)站口，C測(cè)線位于站臺(tái)中心，E測(cè)線靠近列車出站口，B測(cè)線與D測(cè)線分別位于A-C與C-D中心。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均安排在日間地鐵運(yùn)營(yíng)的客流低谷期進(jìn)行，列車滿載或空載所帶來的質(zhì)量差異影響被降低到最小程度。

圖9 測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.9 Measure points layout

5.3 振級(jí)測(cè)試結(jié)果

節(jié)點(diǎn)采集的加速度信號(hào)通過內(nèi)嵌程序進(jìn)行實(shí)時(shí)振級(jí)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過CC2420無線傳輸?shù)交竟?jié)點(diǎn)，輸入并存儲(chǔ)在服務(wù)器內(nèi)。以地下商場(chǎng)內(nèi)E0測(cè)點(diǎn)為例，提取該測(cè)點(diǎn)在列車進(jìn)出站100 s時(shí)間內(nèi)Z向振級(jí)數(shù)據(jù)，將其與原始振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)作為對(duì)比，共同繪于圖10。圖中兩段明顯的振幅波動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)列車的進(jìn)站減速和出站加速過程，持續(xù)時(shí)間在15 s左右；且進(jìn)站振幅略大于出站；兩段波動(dòng)的間隔對(duì)應(yīng)于列車在站臺(tái)的停靠時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)約30 s左右；最大振級(jí)為81 dB。

圖10 地下商場(chǎng)E0測(cè)點(diǎn)的加速度與振級(jí)測(cè)試結(jié)果Fig.10 Acceleration and vibration level of E0

測(cè)試獲取的振級(jí)數(shù)據(jù)較多，限于篇幅，此處僅提取兩測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)代表性的最大振級(jí)數(shù)據(jù)，通過插值繪出最大振級(jí)等值線，如圖11所示。

圖11 振級(jí)等值線圖Fig.11 Contour map of vibration level

由圖11中可知,地下商場(chǎng)和地下車庫兩測(cè)區(qū)內(nèi)的振級(jí)分布趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為：平行軌道等距處，E線測(cè)點(diǎn)振級(jí)最大，A線次之，C線最小；垂直軌道方向，各測(cè)線測(cè)點(diǎn)的振級(jí)隨距離的增加而衰減十分明顯，最大減幅約15 dB；A6、E6測(cè)點(diǎn)處均出現(xiàn)一定程度的振級(jí)放大現(xiàn)象；地下商場(chǎng)內(nèi)振級(jí)比地下車庫整體大6 dB左右。縱觀兩測(cè)區(qū)的振級(jí)分布，最大振級(jí)為81 dB，最小振級(jí)約60 dB，均遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)損壞所需的振動(dòng)強(qiáng)度[17]，可認(rèn)為該地下建筑結(jié)構(gòu)的安全性不會(huì)受到列車運(yùn)行影響。

5.4 三分之一倍頻程譜

考慮到人體對(duì)不同頻率振動(dòng)分量的感受有所差異[18]，此處使用三分之一倍頻程計(jì)權(quán)振級(jí)分析測(cè)區(qū)內(nèi)的振動(dòng)情況。

以地下商場(chǎng)內(nèi)四個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)為例，回溯傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)的中間步計(jì)算結(jié)果，即三分之一倍頻程中心頻率上的振級(jí)數(shù)據(jù)，將其繪制于圖12。由圖12可知，各示例測(cè)點(diǎn)0～ 40 Hz內(nèi)的振級(jí)基本都在55 dB以下， 低于人體的感知閾值[19]，可認(rèn)為不會(huì)對(duì)人造成影響；在40～80 Hz內(nèi)，振級(jí)明顯增大，尤其是中心頻率63 Hz處最大振級(jí)接近70 dB，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]，此頻段振動(dòng)響應(yīng)在一定程度上會(huì)降低人體舒適度，尤其是人體心臟等內(nèi)臟器官受該頻段的影響較為明顯。

圖12 示例測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程振級(jí)Fig.12 One-third octave band of example measure points

6 結(jié) 論

(1)本文開發(fā)了用于地鐵列車振動(dòng)環(huán)境加速度測(cè)試的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Imote2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，同時(shí)采用高精度加速度傳感器板SHM-H與嵌入式軟件平臺(tái)ISHMP Services Toolsuite。

(2)采用高精度MEMS加速度SD1221-002采集單向加速度信號(hào)，通過OP-Amp信號(hào)放大電路，將最小分辨率提高至0.043 mg，滿足了測(cè)試精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵列車環(huán)境振動(dòng)微弱加速度信號(hào)的板載傳感器采集。

(3)基于TinyOS開源操作系統(tǒng)，采用組件式結(jié)構(gòu)程序語言nesC編寫了嵌入式計(jì)算組件VibrationLevelCalculation,在傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境振級(jí)的嵌入式計(jì)算。

(4)采用本系統(tǒng)，對(duì)一地鐵緊鄰地下空間內(nèi)地鐵列車環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。通過傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境加速度信號(hào)，在傳感節(jié)點(diǎn)Imote2主板內(nèi)嵌入式計(jì)算獲得振級(jí)，通過無線傳輸，在終端直接顯示出測(cè)試環(huán)境振級(jí)分布；此外，通過回溯存儲(chǔ)于傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)三分之一倍頻程中心頻率上的振級(jí)數(shù)據(jù)，獲得了各測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程振級(jí)。至此，實(shí)現(xiàn)了地鐵列車振動(dòng)環(huán)境響應(yīng)的快速評(píng)定。

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Fast assessment of ambient responses induced by subway train vibration using wireless sensor networks

SHI Yi1,2, ZHANG Wei3, SUN Ke3, DING Huaping4, SUN Xun3

(1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. Suzhou Rail Transit Group Co. Ltd., Suzhou 215004, China；3. School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046, China；4. School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046, China)

The measurement of weak ambient acceleration responses, induced by subway train vibrations, needs an accuracy of mg scale, which could not be easily satisfied using ordinary on-board MEMS accelerometers. In the paper, by using the low-noise OP-Amp OPA4344 and ADC Q4FA512, the measurement range of the MEMS accelerometer SD1221L-002 was limited in ±0.2 g, so as to accomplish an acceleration resolution of 0.043 mg to satisfy the testing requirement of weak ambient vibrations. A specific wireless sensor network system was developed for the testing of subway train induced ambient accelerations. The system was based on Intel Imote2 wireless sensor network platform, combined with the embedded software platform ISHMP Services Toolsuite. Based on the open-source operation system TinyOS, the component structural programming language nesC was used to program the embedded application component VibrationLevelCalculation, so as to embeddedly compute the ambient vibration level. The system was used to measure the ambient vibration responses induced by subway train vibrations of an underground space adjoining the subway station. The ambient acceleration signals were acquired at the sensor nodes the vibration levels were embeddedly computed in the Imote2 main board of the sensor board, and the distribution of the ambient vibration level was directly displayed on the terminal. In addition, the one-third octave bands spectra at measuring points were obtained by retrieving the vibration level data at the center frequencies stored inside the sensor nodes. The developed system implements the fast assessment of the ambient responses induced by subway train vibrations.

subway train; ambient vibration; wireless sensor networks; micro-electro-mechanical system (MEMs); analog to digital converter (ADC); embedded computing; operational-amplifier (Op-Amp)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40902076);蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SYG201318)

2015-08-11 修改稿收到日期：2015-10-27

施毅 男，博士后，高級(jí)工程師，1978年生

張巍 男，副教授，1974年生 E-mail: wzhangnju@163.com

U211.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.037