應用于橋梁檢測的分布式傳感網設計

張其然 林梓櫟 張瀛文

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

關鍵詞：橋梁檢測；應變式傳感器；傳感器網絡

1 概述

橋梁作為交通運輸的重要組成部分具有較為關鍵的作用。因此，對于橋梁的檢測具有實際的應用價值并且具有廣闊的發展空間。最初，橋梁的檢測采取人工形式，但是隨著傳感器網絡技術的發展，原先的人工方式漸漸被摒棄。傳感器網絡技術在廣闊應用需求的背景下，從簡單的點對點的連接發展成為現場的總線通信模式，再漸漸地演變為無線自組網絡模式。由此可以看出傳感器網絡技術的發展是一個由有線到無線，由單一化再到網絡化的過程。

如今已有的橋梁檢測數據傳輸基本采取有線方式，大多采取有線傳感器節點，控制系統和有線通信等模塊來實現。有線傳感網絡通過其配備的傳感器設備來采集橋梁的相關特性與數據信息后，控制系統為節點提供采集數據的通信驅動，并通過通信模塊實現數據到數據中心的傳送，以實現節點的組網。有線傳感網絡能夠在一定程度上保證數據的準確傳輸，但是其應用效果具有如下幾個弊端：

（1）對于大型復雜橋梁結構來說，有線傳感器節點很難安置，造成人力和財力的消耗。

（2）復雜的有線布局使設備的現場安裝和維護不便，檢測費用高。

（3）系統本身的使用時間有限，外部環境可能會造成電路的老化。

無線傳感網絡具有MAC層和網絡層的組合結構。它不需要利用數據線和電源線，因此使得大規模節點傳感網絡能夠進行快速安裝調試，從而長期穩定地運行。相比于傳統的有線傳感網絡，其優勢在于：

（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的系統不穩定。

（2）節省了布線的成本消耗，并且傳感器節點的單價也日漸下降。

（3）某個監測點失效時，附近的節點可代替完成任務。

無線傳感器網絡將傳感器檢測，無線通信以及網絡技術集合到一起，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。而分布式傳感網絡綜合了微傳感器技術、分布式信息處理技術、弱能源依賴技術、嵌入式計算技術和現代網絡及無線通信技術等多種先進技術，構成由大量密集分布在監控區域的智能傳感器節點組成的網絡應用系統。所以本文采用分布式傳感網絡實現橋梁檢測具有一定的應用前景。

2 系統模型

設計所采用的是無線傳感器網絡系統結構。其中包括分布式傳感器節點、接收發送器、互聯網和用戶界面等。設計采用分布式傳感器節點采集所需要的信息數據，如橋梁振動信息以及壓力參數；之后系統將采集得到的數據進行處理以得到有效數據，并將其送入信息整合點，通過網絡轉換設備，將所得到的數據信息發送到數據中心。在這個過程中無線傳感器網絡和網絡可以進行互聯，從而實現大規模無線傳感器網絡在橋梁檢測系統中的組網與應用。

信息的采集是無線傳感網絡的核心部分，其中傳感器網絡節點是傳感器網絡基本的構成單位， ，其設計的使用性能將直接影響到整個檢測系統的性能。包括如下4個基本模塊：數據采集模塊（包括采集振動，壓力等基本信息）、數據處理模塊（采用處理器對采集得到的原始數據進行預處理以得到有效信息）、數據傳輸模塊（由無線通信模塊組成，傳輸信息）以及電源（供應基本能量）。總之，節點能夠放大所采集的微弱信號，并進行濾波和信號處理從而轉化為所需要的信號范圍，隨后進行A/D轉換，存儲處理后數據，最后進行數據收發。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊顧名思義，主要完成的是橋梁信息的采集。橋梁信息的采集優劣決定了設計后處理部分電路的復雜度和數據的可靠性。因此，此模塊是設計的重點。鑒于橋梁的振動信息大部分都處于低頻的環境下，加速度傳感器性能的優劣在采集橋梁振動信息的過程中顯得至關重要。因此，在傳感器節點的設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到1Hz以下。

只要測出彈性體的應變就可以計算出作用在彈性元件上的力F的大小，而應變大小可以通過在彈性體外壁上粘貼應變片的方法來測量。當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 數據處理模塊

在采集橋梁振動信息數據的過程中，其所處的環境相當復雜，對于采集具有相當大的難度。特別是在處于低頻環境下時，環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，在信息傳輸的過程中，可能會夾雜引入一定的無效信息，在這種情況下，最終所傳輸送達的信號將無法提取有效的信息，從而導致信號失效。因此，在考慮到過程中所可能引入的噪聲的情況下，在數據采集完成后，設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行預先處理，以提高信號的精度。而應變傳感器所產生的微小電阻變化可以通過應變測試來進行轉化，此部分可采取惠斯通電橋來實現。

2.3 數據傳輸模塊

數據的傳輸主要通過無線方式傳輸，而數據傳輸的效果取決于數據傳輸的質量，此部分便依賴于網絡通信協議的設計。其主要包括物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層，會話層，表示層和應用層。

3 結論

本文設計了一種應用于橋梁檢測的分布式傳感網設計，利用加速度傳感器和壓變式力傳感器，采用具有穩定輸出效果，受外界干擾小的無線傳感網絡，使得系統具有廣闊的傳輸距離，較大的工作量程和較長時間持續工作環境。

參考文獻：

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

作者簡介：張其然（2000-），男，江蘇南通人，職務：學生。