CN102255959A - 基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统，包括若干温度传感器和若干应变传感器、若干无线传感节点、若干基站和远程监测中心；所述温度传感器、应变传感器预埋在混凝土内部，以测量混凝土温度、应变的变化，所述无线传感节点采集、处理各测量点的数据，通过无线网络发送给基站，所述基站收集各区域无线传感节点的数据，并进行进一步的加工处理，在远程监测中心即上位机显示相关结果，所述基站和所述无线传感节点之间基于移动agent技术进行数据处理和信息传输。可实现对监测对象的长期在线监测。

Description

基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统，属于建筑施工技术领域。

背景技术

各类大型工程的安全施工及监控是建筑设计及施工单位长期关注的问题。大体积混凝土的浇灌有比较成熟的理论，但在大体积混凝土浇灌过程中，存在很多因素，包括混凝土结构的几何形状、约束条件以及混凝土硬化过程中的弹性模量、水化热、热膨胀系数等参数的变化，将导致浇灌完的大体积混凝土产生一些温度裂缝，这在一定程度上影响工程的质量。大体积混凝土产生裂缝的主要原因是由于混凝土在硬化期间，水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在当其内外温差较大时会引起温度应力的变化，当这种由于温差引起的温度应力超过混凝土的抗拉强度时就产生了裂缝。

为了提高大体积混凝土浇灌的施工质量，必须要实时监测并控制混凝土的温度，将由于温差引起的温度应力降低到混凝土的抗拉强度范围，避免或减小裂缝的产生。

现有的测量系统大多采用传统的测量方法，用温度计或在各监测点位布置温度、应力测试探头，由专人每天定时采集各点的温度、应力数据，每天输入计算机生成温度、应力的变化曲线和报告，这样的测量需要监测人员频繁来往于施工现场，劳动强度大，数据采集和传输不方便。本发明针对传统的温度和应力监测方法的不足，提出一种新型的基于无线传感网络的分布式远程温度和应力监测系统。无线传感网络由大量体积小、成本低，且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式自组成监测网络，通过各传感器的相互协作，实时监测各分布区域的各种环境信息，并对这些信息进行处理和传送。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统。

一种基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统，包括若干温度传感器和若干应变传感器、若干无线传感节点、若干基站和远程监测中心；所述温度传感器、应变传感器预埋在混凝土内部，以测量混凝土温度、应变的变化，所述无线传感节点采集、处理各测量点的数据，通过无线网络发送给基站，所述基站收集各区域无线传感节点的数据，并进行进一步的加工处理，在远程监测中心即上位机显示相关结果，所述基站和所述无线传感节点之间基于移动agent技术进行数据处理和信息传输。

所述的信息监测系统，所述温度传感器为铂电阻Pt100。

所述的信息监测系统，所述应变传感器为电阻应变片传感器，将电阻应变片埋入混凝土中。

所述的信息监测系统，所述无线传感节点包括多路开关、AD转换模块、微处理器、无线收发芯片和存储器。

所述的信息监测系统，所述无线收发芯片采用CC2420。

所述的信息监测系统，所述微处理器包括：(1)温度数据处理模块，对采集的温度数据进行5点滑动平均；(2)应变数据处理模块，对采集应变数据进行数字滤波；(3)取平均模块，将经过上述温度数据处理模块和应变数据处理模块处理过的数据，取平均将结果作为某一时刻的测量值传输给上位机；(4)休眠处理模块：按照设计的休眠算法，每隔5分钟进行一次测量与数据处理、数据传送，其余时间进入休眠状态；(5)最佳路径确定模块，选择距离最短的一条路径进行数据传输；(6)移动agent模块：采用移动agent技术用于节点的数据处理与信息的传输。

所述的信息监测系统，所述若干温度传感器和若干应变传感器，采用基于有限元仿真技术和生物进化的原理相结合的应变传感器优化配置准则，初步利用有限元分析软件给出一小组传感器位置，然后采用改进遗传算法对剩余的传感器的位置进行组合优化。

本发明使用的无线传感节点可方便地安装于监测对象比较复杂或不便于引线的部位，大大减少器件引线数量；无线传感网络节点具有局部信号处理的功能，很多信号处理工作可在传感节点完成，因而可以显著减少所需传输的信息量，并将原来传统的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，从而在很大程度上提高了监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性；另外无线传感网络在设计时所着重考虑的低功耗特点也可减少能源供给装置的重量并可实现对监测对象的长期在线监测。

附图说明

图1为本发明监测系统框图；

图2分压电路原理；

图3电阻应变传感器信号调理电路；

图4移动agent移动过程；

图5大体积混凝土应变监测传感器最优数量及最佳布置点计算方法框图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，为本发明基于WSN(wireless sensor network，无线传感器网络)及移动agent的混凝土施工信息监测系统的原理框图，包括若干温度传感器和若干应变传感器(传感器1-传感器n)、若干无线传感节点(下位机)、若干基站和远程监测中心(上位机)。所述温度传感器、应变传感器预埋在混凝土内部，以测量混凝土温度、应变的变化，所述无线传感节点采集、处理各测量点的数据，通过无线网络发送给基站，所述基站收集各区域无线传感节点的数据，并进行进一步的加工处理，在远程监测中心即上位机显示相关结果。

该测试系统使用的无线传感节点可方便地安装于监测对象比较复杂或不便于引线

该测试系统使用的无线传感节点可方便地安装于监测对象比较复杂或不便于引线的部位，大大减少器件引线数量；无线传感网络节点具有局部信号处理的功能，很多信号处理工作可在传感节点完成，因而可以显著减少所需传输的信息量，并将原来传统的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，从而在很大程度上提高了监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性；

本系统设计的传感节点采用MSP430单片机，具有强大的运算能力，具体执行的功能如下：(1)温度数据处理模块，对采集的温度数据进行5点滑动平均，以减少外界噪声的干扰；(2)应变数据处理模块，对采集应变数据进行数字滤波，以减少外界噪声的干扰；(3)取平均模块，由于本系统的温度、应变等信息变化速度不快，为提高测量精度，可先经过上述内容(1)、(2)的处理，再将其处理结果取平均，从而将结果作为某一时刻的测量值传输给上位机，有效减少了冗余数据的传输；(4)各监测点都采用智能无线传感节点，在工作时序上是并行的，监测的最终结果送给上位机进行集中决策，既有效提高系统运行效率，又提高了决策的准确度；(5)休眠处理模块：按照设计的休眠算法，每隔5分钟进行一次测量与数据处理、数据传送，其余时间进入休眠状态，以有效节约能量；(6)最佳路径确定模块，节点在进行无线传输时，路径选择直接关系到数据传送中继次数，也直接影响系统的能量消耗。为此设计时根据每个节点的具体位置，进行了路径优化，具体做法是选择距离最短的一条路径进行数据传输，以有效降低系统能耗；

无线传感网络中的每个节点都知道自己的位置信息和剩余能量，并且可以通过查询机制获取邻居节点的位置信息和剩余能量。为提高网络寿命，某节点在将数据传送给目标节点时，需要根据各节点的剩余能量及目标节点的位置，采用基于剩余能量和最小路径相结合的路由算法，通过查询并登记各节点的剩余能量，结合目标节点的位置，在传输路径相差小于80％的情况下，在选择下一跳转的节点时尽可能选择能量高的节点以承担更多的通信任务，即用调节传输能耗的方法节约剩余能量低的节点能耗，从而达到提高网络寿命的目的。

(7)移动agent模块：节点在采集数据时会产生大量原始数据，如果将这些大量节点的数据处理与信息的传输。

移动agent移动过程如图4所示。首先中央控制机根据需求向各传感器节点发送某种功能的移动agent(一段可执行的代码，也可携带数据)，各节点接收移动agent后，就会在该节点运行该移动agent，进行各种处理工作，如对采集的原始数据进行滤波、平均等，也可和其他节点进行协作以完成各种任务。任务完成后该移动agent将处理结果按最佳路径发送给基站，由基站收集各节点数据并传送给中央控制机，由其做综合决策。

这样的测试系统可实现对大型施工现场混凝土试件的温度及应力进行监控，实时了解温度及应力的变化，进而采取相关措施以预防混凝土裂缝的产生。

整个测量系统采用下位机实现温度和应力参数的测量和存储，用上位机实现温度和应力数据的转换和智能化管理，并通过网络接口完成温度和应力数据的远程监测。

实施例2

①传感器及信号调理电路

系统包括两类传感器：温度传感器和应变传感器。温度传感器选用铂电阻Pt100，由于节点输出的温度是用二进制电压值表示的，所以要将电压值转换为相应的温度值。对于无线传感器节点，温度监测值的变化是通过传感节点I/O端口的分压电路来实现的，分压电路原理如图2所示，R_B为铂热敏电阻(P_t100)，其温度与电阻存在如下关系：

0.385t+100＝R_B

t为摄氏温度值，零度时热敏电阻对应的温度为100欧姆。

而V_CC与V_ADC之间满足：

$V_{\mathrm{ADC}}=\frac{R_B}{R+R_B}{V}_{\mathrm{CC}}=\frac{0.385t+100}{R+0.385t+100}{V}_{\mathrm{CC}}$

实验中，R值为120欧姆，因此，上式等价于：

$V_{\mathrm{ADC}}=\frac{R_B}{R+R_B}{V}_{\mathrm{CC}}=\frac{0.385t+100}{0.385t+220}{V}_{\mathrm{CC}}$

由于模数转换的精度为12位，所以，V_CC对于二进制值为4096，则相应于V_ADC的二进制输出值，满足关系：

$\frac{V_{\mathrm{ADC}}}{V_{\mathrm{CC}}}=\frac{0.385t+100}{0.385t+220}=\frac{V_{\mathrm{ADC}}}{4096}$

由上式，可获得相应的温度值：

$t=\frac{V_{\mathrm{ADC}}\×220-4096\×100}{(4096-V_{\mathrm{ADC}})\×0.385}$

所以，只要知道V_ADC二进制输出值，也就知道了传感器节点此时的温度监测值。

应变传感器采用电阻应变片传感器，设计的信号调理电路如图3所示。R₈、R₉为高精度金属膜电阻，标称阻值120欧姆；R_YB、R₁₀为电阻应变片，安装时埋入混凝土中；四个电阻组成电桥，既比单臂电桥的灵敏度提高一倍，又能够补偿环境温度变化带来的温度误差，能有效提高测量精度；A₁、A₂、A₃组成高输入阻抗差动输入放大器，可对电桥的输出信号进行有效的放大。

电阻应变传感器在埋入钢筋混凝土过程中，需要充分考虑传感器与混凝土变形的一致性，对传感器进行精确定位，并在混凝土浇注时充分振捣，保证混凝土密实。另外还需采取有效的措施对电阻应变传感器和传输线进行保护，以避免在施工过程中造成传感器损坏，为采集数据的准确性提供了可靠的保证。

②多路开关及AD转换器：实现多路传感器信号的切换。MSP单片机按照编写的程序轮流发出控制信号，以切换不同采集点的信号。这样做可以节省硬件开支，多路信号共用一个AD转换器。为了减小节点体积，节约节点设计成本，AD转换器使用MSP内部的AD转换模块。

③微处理器：无线传感节点作为一种微型化的嵌入式系统，微处理器芯片的选取对系统性能影响很大。在微处理器芯片中，ATMEL公司的AVR系列微处理器以及TI公司的MSP430系列处理器，不仅功耗低、功能完整、集成度高，而且存储容量大。同时还须考虑混凝土温度、应力参数监测系统特点以及对节点设计的要求，合理权衡各种因素，最终选择TI公司的16位低功耗、体积小巧、功能完整、集成度高的MSP430系列处理器，可以有效减小节点体积、降低系统功耗，延长节点的工作时间，延长系统寿命。

④无线收发芯片：该部分是无线传感节点耗能大户，必须采用低功耗、大距离的无线收发模块。在无线收发芯片中，RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000、CC2420等都是低功耗理想的选择，但考虑到频段的免冲突以及节点安全、性能等综合因素，Chipcon公司的CC2420由于工作在通用ISM频段、自带硬件加密机制并且符合专为无线传感网络设计的ZigBee技术，因此成为目前新型无线传感节点开发首要的选择。为此系统设计时采用CC2420作为无线收发芯片，实现和其他节点的无线通信，即可以将采集的数据向周围其他节点发送，也可以接收其他节点的数据和指令。

⑤存储器：用于保存监测的原始数据、指令以及接收的数据、移动agent代码等数据。

无线传感器节点安装调试完毕，装入事先设计好的不锈钢外壳内，以达到有效的电磁屏蔽；同时为了防水，整个节点以及与其相连接的温度、应变传感器引线等用防水性高、耐腐蚀的密封胶灌封、成型。

实施例3

基站各功能模块组成及设计要点：

①基站的微处理器、无线收发模块等都与无线传感节点部分相同；

②与远程监测中心接口设计：USB通用串行总线是计算机外设接口的发展趋势，将逐渐取代PC机上的RS-232协议串口，目前大多数计算机特别是笔记本已没有RS232接口，因此很多传统的RS-232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题，为此在设计基站通信接口时，将传统的RS-232接口转化为USB接口后直接通过USB总线接入PC机，同时使基站设备增加了USB总线具有的热插拔、自动配置和智能电源管理等功能。

实施例4

大体积混凝土结构的可测自由度较多，而实践中所布置的测点数由于受成本等因素的限制要远小于结构的自由度数，需要对有限的传感器进行优化配置，确定合理的、能反映测试要求的传感器数量及配置位置。

常用的传感器优化配置准则，大多是以位移模态为目标对传感器的位置进行优化的配置准则，适用于位移传感器以及加速度传感器的位置优化。

而本监测系统所用的是由应变传感器测量得到的结构应变信息，由于应变(应变模态)与位移(位移模态)在空间坐标上不存在一致对应关系，为此需要研究应变传感器位置优化方法。目前国内混凝土结构应变监测传感器布设多采用传统的经验方法，效率比较低。遗传算法是基于概率的方法，不易陷入局部最优解。针对混凝土结构应变应力监测中的应变传感器优化配置问题，提出了基于有限元仿真技术和生物进化的原理相结合的应变传感器优化配置准则，初步利用有限元分析软件(例如MSC.PATRAN、MSC.NASTRON)给出一小组传感器位置，然后采用改进遗传算法对剩余的传感器的位置进行组合优化，具体做法如下：

参考图5，根据混凝土的受力特点，先利用有限元分析软件(例如MSC.PATRAN、MSC.NASTRON)对欲施工混凝土结构的应变、应力分布进行有限元分析，以应变模态为目标，找出各截面的应力、应变极值点，得到模态/应变最大值，把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位置，进而初步确定必须的应变传感器数量及最佳布置点，然后采用遗传算法对剩余的传感器的位置进行组合优化，最终给出大体积混凝土应变监测传感器的最优数量及最佳布置点。

在能够反映大体积混凝土结构特性的重要位置布置合理数量的传感器，不但可以有效地降低结构健康监测成本，还可以提高监测系统处理信息的效率。本发明设计的系统可以布置较少的节点而达到较高的监测效率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于WSN及移动agent的混凝土施工信息监测系统，其特征在于，包括若干温度传感器和若干应变传感器、若干无线传感节点、若干基站和远程监测中心；所述温度传感器、应变传感器预埋在混凝土内部，以测量混凝土温度、应变的变化，所述无线传感节点采集、处理各测量点的数据，通过无线网络发送给基站，所述基站收集各区域无线传感节点的数据，并进行进一步的加工处理，在远程监测中心即上位机显示相关结果，所述基站和所述无线传感节点之间基于移动agent技术进行数据处理和信息传输。

2.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述温度传感器为铂电阻Pt100。

3.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述应变传感器为电阻应变片传感器，将电阻应变片埋入混凝土中。

4.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述无线传感节点包括多路开关、AD转换模块、微处理器、无线收发芯片和存储器。

5.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述无线收发芯片采用CC2420。

6.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述微处理器包括：(1)温度数据处理模块，对采集的温度数据进行5点滑动平均；(2)应变数据处理模块，对采集应变数据进行数字滤波；(3)取平均模块，将经过上述温度数据处理模块和应变数据处理模块处理过的数据，取平均将结果作为某一时刻的测量值传输给上位机；(4)休眠处理模块：按照设计的休眠算法，每隔5分钟进行一次测量与数据处理、数据传送，其余时间进入休眠状态；(5)最佳路径确定模块，选择距离最短的一条路径进行数据传输；(6)移动agent模块：采用移动agent技术用于节点的数据处理与信息的传输。

7.根据权利要求1所述的信息监测系统，其特征在于，所述若干温度传感器和若干应变传感器，采用基于有限元仿真技术和生物进化的原理相结合的应变传感器优化配置准则，初步利用有限元分析软件给出一小组传感器位置，然后采用改进遗传算法对剩余的传感器的位置进行组合优化。

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