CN202907207U

CN202907207U - 用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点

Info

Publication number: CN202907207U
Application number: CN2012205422186U
Authority: CN
Inventors: 牛荻涛; 高攀祥; 于军琪; 王瑜莹; 董振平; 代闻多
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2022-10-22

Abstract

本实用新型公开了一种用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，包括在桥体各关键部位装设的传感器，无线处理器和太阳能供电模块；不同类型的传感器接口采集耐久性信息，进而通过基于ZigBee的MESH网络以无线通信的方式发送给汇聚节点，进行上位机的显示。而内嵌的TinyOS操作系统通过休眠机制实现节能控制，节点顶部的太阳能电池板对节点内部的锂电池充电，为整个节点及其他器件提供稳定的能量供应。实现了对野外环境中的钢筋混凝土桥梁大范围、多目标、多参数、远距离、长时间的无线监测，对保障钢筋混凝土桥梁安全正常运营和及时采取维护措施有着重要意义，符合经济建设的可持续发展需求，具有重要的社会意义和经济价值。

Description

用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点

技术领域

本实用新型涉及钢筋混凝土桥梁耐久性监测领域,尤其涉及一种用于组建面向钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络的网络节点。

背景技术

钢筋混凝土桥梁是线路的咽喉要道和交通枢纽,在国民经济建设中起着举足重轻的作用。长期以来，我国在桥梁工程建设中，偏重考虑结构的安全性和使用性能，对复杂多变的环境作用造成的材料和结构耐久性损伤认识不足，造成许多桥梁结构性能提前劣化以及使用功能和承载能力下降,尽管在设计和建造阶段采用了各种措施保证工程质量,但随着时间推移,桥梁结构在自然环境作用（大气腐蚀、温度、湿度变化）和使用环境作用（荷载作用大小和频率的增加,材料与结构的疲劳）下,逐渐发生损伤和缺陷,导致结构承载能力和耐久性的降低。忽视钢筋混凝土的耐久性问题，造成在老化阶段的维修加固中付出超出人们想象的高昂费用。美国标准局1998年调查表明，美国全年钢筋混凝土桥梁修复费用为1550亿美元，占全年各种腐蚀损失费用的62%。我国地域辽阔,气候环境复杂，各地区都存在对混凝土结构有腐蚀作用的因素，钢筋混凝土桥梁结构耐久性破环已经逐渐显现。如果能较早地对钢筋混凝土桥梁进行耐久性监测评估，并及时采取相应的措施，不仅会大大地减少安全事故的发生，以及挽救经济损失，而且还能降低正常使用的维护费用。

传统的桥梁健康检测采用人工巡视分析桥梁整体状况，采用相应设备对桥梁关键部位检测的方法，耗费了大量人力物力且往往带有强烈的主观性，监测精度不高，监测实时性差，对桥梁运行状况评价十分粗略，无法对桥梁结构作出相应的、切实可行的处理措施。随后产生的有线布网方式桥梁监测系统则存在着成本高，对已建成桥梁改造困难等诸多问题。而且监测系统主要是考虑荷载作用下结构承载力安全性与使用性的要求，对反映结构变化的参数的自动监测，较少考虑结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化对桥梁安全性与耐久性的影响。

无线传感器网络作为一项新型的技术，是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，凭借低功耗、自组织多跳、实时性、耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势已经逐步代替传统的人工、有线检测，广泛应用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测领域。

发明内容

针对传统桥梁监测技术手段落后、实时性较差、成本过高、监测范围有限、评价粗略，主要针对结构构件的内力和变形等参数进行监控，未考虑耐久性逐渐下降对桥梁安全性的影响这一情况，本实用新型的目的在于，提供一种用于组建面向钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络的网络节点。扩展不同类型的耐久性传感器接口，提高系统的通用性；在较大的区域内对分散的多个耐久性目标同时监测；采用嵌入式TinyOS操作系统并通过休眠机制实现节能控制；节点顶部的太阳能电池板可对节点内部的锂电池充电，解决了野外部署的供电问题。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种用于组建面向钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络的网络节点，其特征在于，包括在桥体各关键部位装设的传感器，无线处理器和太阳能供电模块；其中：

所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、中性化深度传感器、离子渗透传感器、pH值传感器和冻融损伤深度传感器，并在上述各传感器上配置有与无线处理器进行通讯的无线监测节点；

所述的无线处理器由内嵌的8051微处理器和2.4GHz直接序列扩频射频收发器的CC2430芯片和天线组成，无线处理器模块上连接有信号调理模块、时钟模块，并由太阳能供电模块供电，用于实现设备控制、任务调度和管理，同时运行传感器和MESH网络协议栈。

本实用新型的其它特点是：

所述各传感器的输出信号通过由LMV328组成的放大滤波单元连接到由ADC0832组成的A/D转换模块。

所述太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、节点电压检测电路、供电管理电路、开关电路、DC-DC转换电路、节点负载组成。

所述无线监测节点采用嵌入式TinyOS操作系统调用休眠机制实现节能控制。

本实用新型的用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，带来的技术效果体现在：

1、TinyOS嵌入式系统实现节点能量管理

通过采用定时器服务的休眠机制控制监测节点的能量消耗，大型混凝土桥梁耐久性监测系统监测区域较大，并不需要所有节点在任何时刻都处于工作状态，TinyOS嵌入式操作系统通过关闭没有传感任务不需要转发节点传感数据节点的无线通信模块、数据采集模块和计算模块达到节能目的。当一个传感任务发生时，TinyOS操作系统激活与之相邻领域内传感器节点工作，这些节点形成一个活动区域，随着数据向汇聚节点的流动，系统的活动区域也不停地向汇聚节点移动，离开活动区域的节点依次进入休眠模式，以此达到节能的目的。

2、适应野外监测作业能力强

各器件均符合工业级标准，在特外恶劣的环境下具有较强的适应能力。应用太阳能供电模块、TinyOS嵌入式系统休眠机制、低功耗传输模式（基于ZigBee的MESH网络），提高节点野外生存能力。

3、采用模块化设计，便于升级维护

采用模块化设计，由无线处理器板和太阳能供电板组成小型无线测量节点。电路结构简单清晰，便于产品的维护升级。

4、易于架设维护

最大程度上避免了传统有线布设方式安装成本高、设备成本高、维护成本高的问题，有效降低了成本，使系统易于架设与维护，特别适用于对新建钢筋混凝土桥梁耐久性的监测管理和对现有钢筋混凝土桥梁耐久性监测系统的升级改造。

5、具有高可扩展性

采用具有自组织、自愈合能力的ZigBee无线Mesh网络拓扑结构，构建钢筋混凝土桥梁耐久性监测系统的无线局域网络。与传统的有线网络及基于其他拓扑型无线网络相比，系统的扩展性和安装随意性得到了增强。高可扩展能力和安装的随意性能够充分满足桥梁户外环境复杂多变的需求，具有很强的适应能力。

附图说明

图1为本实用新型的用于组建面向钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络的网络节点整体结构框图；

图2为太阳能电池板供电示意图；

图3为整体电路设计图；

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例给出一种用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点整体结构图，图3为其电路设计图，包括桥体各关键部位布设的各种传感器、信号调理模块、时钟模块、无线处理器模块、太阳能供电模块。

其中，各种传感器包括用于耐久性监测的温度传感器、湿度传感器、中性化深度传感器、pH值传感器、离子渗透传感器和冻融损伤深度传感器。并在上述各传感器上配置有与无线处理器进行通讯的无线监测节点；

信号调理模块由LMV328为核心搭建而成的放大滤波电路组成。耐久性模拟传感器输出毫伏级微弱电压信号，通过由放大滤波电路送入无线处理器CC2430自带的A/D转换I/O口,将模拟量转换为数字量后由无线处理器CC2430进一步对监测数据进行处理，最终完成耐久性信息的采集；耐久性数字传感器的输出信号则直接连接到无线处理器CC2430自带的A/D转换I/O口。

时钟模块采用DS1302时钟芯片向MCU和其他功能芯片发送时钟信号，使这些芯片在时钟信号的控制下协调工作。DS1302芯片是美国DALLA公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压在为2.5~5.5V。采用三线接口与CPU进行通信，并可以采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

无线处理器模块主要由CC2430芯片、晶振电路、巴伦电路和复位电路组成。CC2430是Texas Instrument（德州仪器）旗下的Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括调谐器路由器和终端设备。它延用了CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频( RF) 前端内存和微控制器。它使用1个具有128kB可编程闪存和8kB RAM的8位 ( MCU)，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程引脚。芯片采用0.18um工艺生产，工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。而CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，也特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。这里由内部电路提供，需外加晶体振荡器和2个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。R₃和R₄为偏置电阻,电阻R₄主要用来为32MHz的晶振提供合适的工作电流。用1个32MHz的石英谐振器（XTAL2）和2只电容（C₆和C₇）构成1个32MHz的晶振电路。用1个32.768MHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C₁和C₂）构成1个32.768MHz的晶振电路。CC2430射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+j180u，阻抗匹配电路应根据该数值进行调整。设计采用采用巴伦电路（平衡非平衡转换电路）完成CC2430差分射频双端口到50u单极子天线单端口的转换。巴伦电路由电感（L₁、L₂、L₃）、电容（C₄）和电阻（R₁、R₂）组成。C₃、C₅等为去耦电容主要用于电源滤波以提高器件的工作稳定性。

无线处理器芯片CC2430能够以较低功耗执行监测任务，并通过休眠机制实现节能控制，为了有效延长整个无线传感网络的寿命，无线传感器节点采用嵌入式TinyOS操作系统。TinyOS是一个开源的专属嵌入式无线传感器网络的操作系统，基于组件的架构方式，结构高度模块化，具有良好的可扩展性和足够小的代码尺寸，能够突破传感器节点的各种限制，非常适合无线传感器网络的特点和应用需求，在无线远程监测系统中有重要作用。

TinyOS设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用。TinyOS的组件库包括网络协议、分布式服务、传感器驱动以及数据获取工具等，不用的组件不会引入进来，从而达到减少内存需求的目的。TinyOS采用了事件驱动模型，这样可以在很小的空间中处理高并发事件，并且能够达到节能的目的。完整的TinyOS系统由一个调度器和若干组件组成，应用程序与组件一起编译成系统。组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件组件和高层软件组件，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报告事件。调度器具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二层维护着任务，只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度。TinyOS底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据。

如图2所示，太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、节点电压检测电路、供电管理电路、开关电路、DC-DC转换电路、节点负载组成。

充电控制电路采用凌力尔特公司推出面向锂离子电池得智能充电控制芯片LTC4071。LTC4071 实现了从非常低电流、断续或连续充电电源对锂离子/锂聚合物电池的简单充电。该器件拥有一种接近于零电流的低电池电量闭锁断接功能，甚至可避免容量极低的电池发生深度放电及遭受潜在无法修复的损坏。550nA至50mA的工作电流使得能够采用以前不能用的电源来充电。凭借其低工作电流，LTC4071很适合于对能量收集应用中的低容量锂离子电池或薄膜电池进行充电。LTC4071提供了一个可通过引脚来选择的浮置电压，该浮置电压的准确度达±1%。通过在NTC热敏电阻温度高于40°C时自动降低电池浮置电压，该器件的集成化电池热量查验器延长了电池的使用寿命并改善了可靠性。另外，LTC4071还提供了两种可通过引脚来选择的低电池电量断接电平和一个高电池电量状态输出。

供电管理电路是为避免锂电池因过度充电、过度放电、电流过大导致电池寿命或电池而设计的。当过放电检测电压大于工作电压，并且CSI输入管脚电压小于过电流检测电压，那么M1和M2都开启，此时充电和放电均可以正常进行。当从正常状态进入充电状态时，可以通过工作电压检测到电池电压。当电池电压进入到这充电状态时，迟延时间超过过充电检测迟延时间，M2关闭。当由正常状态进入放电状态时，可以通过VDD检测到电池电压。当电池电压进入过放电状态时，VDD电压小于过放电检测电压，迟延时间超过TOD，则M1关闭。此时CSI管脚通过内部电阻RCSID拉到VDD。如果CSI输入管脚电压大于短路电流检测电压，则电路进入断电模式（电流小于0.3uA）。在正常模式下，当放电电流太大时，由CSI管脚检测到电压大于过电流检测电压则代表过电流（短路）状态，M1关闭，CSI通过内部电阻RCSIS拉到VSS。当保护电路保持在过电流/短路电流状态时，移去负载或介于VBAT+和VBAT-之间的阻抗大于500KΩ，并且CSI输入管脚电压<过电流检测电压，那么M1开启，并返回到正常条件。

节点电压检测电路采用LM4041电压基准芯片，处理器采样其端电压并计算电池的实际电压以供程序处理。LM4041无需滤波电容即可输出高精度的参考电压，而且可以方便的用来直接驱动任何容性负载。

DC-DC转换电路满足了各个器件工作电压不一致的需求，为节点和节点上的负载提供稳定的电压。LTC3537把一个高效率、2.2MHz升压型 DC/DC转换器与一个独立的100mA低压差稳压器(LDO)组合在一起。升压转换器从一个低至0.68V的输入电压起动，并包含一个内部0.4Ω开关和一个0.6Ω同步整流器(当在停机模式中被停用时，它将与输出断接)。 2.2MHz 的开关频率允许使用纤巧、扁平的电感器和陶瓷电容器，因而最大限度地缩小了解决方案的占板面积。电流模式PWM设计在内部进行补偿，从而减少了外部组件的数目。在检测到轻负载电流之前，该器件将保持固定频率开关操作，随后即执行突发模式操作以实现效率的最大化。如欲执行低噪声操作，则可停用突发模式操作。抗振铃电路通过在断续操作模式中对电感器进行阻尼来降低EMI。其他的特点包括低停机电流(低于1μA)和热过载保护。

Claims

1.一种用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，其特征在于，包括在桥体各关键部位装设的传感器，无线处理器和太阳能供电模块；其中：

2.如权利要求1所述的用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，其特征在于，所述各传感器的输出信号通过由LMV328组成的放大滤波单元连接到由ADC0832组成的A/D转换模块。

3.如权利要求1所述的用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，其特征在于，所述太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、节点电压检测电路、供电管理电路、开关电路、DC-DC转换电路、节点负载组成。

4.如权利要求1所述的用于钢筋混凝土桥梁耐久性监测的无线传感器网络节点，其特征在于，所述无线监测节点采用嵌入式TinyOS操作系统调用休眠机制实现节能控制。