CN203243364U

CN203243364U - 基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统

Info

Publication number: CN203243364U
Application number: CN 201320053977
Authority: CN
Inventors: 尤婷; 李培江; 吕梅蕾; 周晖; 江鸿; 陈育民
Original assignee: Quzhou University
Current assignee: Quzhou University
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-01-31

Abstract

一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，包括传感器终端节点、中继节点、双汇集节点的3G网关与远程监控平台；传感器终端节点包括应变传感器、倾角传感器、加速度传感器和第一微控制器单元；中继节点包括：第一供电单元和第二微控制器单元；双汇集节点的3G网关包括2个汇集节点，汇集节点包括：第二供电单元，第三供电单元，3G电路单元；用于接收汇集节点无线传送的数据，并通过3G网络发送到远程监控平台的第三微控制器单元；传感器终端节点、中继节点、汇集节点之间无线通信连接。本实用新型能够在不影响桥梁结构正常使用状态下，实现长期实时观测累积损伤状态，可对服役期间的桥梁安全状况进行长期远程、实时、在线监测。

Description

基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种远程桥梁结构监测预警系统。

背景技术

桥梁建设和维护是一个国家基础设施的重要组成部分，在国家建设和人民生活中发挥着重要作用，桥梁结构的安全性与耐久性受到人们的高度重视，在现代桥梁工程领域中有关大型桥梁的健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界和民用公益工程领域的一个新的热点技术。

由于桥梁工程结构的特殊性，其一旦建成投入使用后，除了材料自身性能会不断退化、老化外，还会受到车辆、风、地震、疲劳、超载、人为等因素作用，从而导致结构或构件有不同程度的自然损伤和突然损伤。在美国，至少两年要对约57.5万座桥梁进行一次检测，据FHA（Federal Highway Administration）统计约40%的桥梁存在缺陷；1990年英国运输部抽样调查过200座混凝土公路桥，调查结果表明大约30%的桥梁运营条件不良；至2006年末，我国已经拥有公路桥梁53.36万座，但是我国公路桥梁安全隐患问题尤为突出。在2007年至2011年5年间，全国已经有至少17座大桥发生垮塌事故，共造成200余人伤亡。仅2011年出现的大桥垮塌事故就有9起之多。

一系列令人触目惊心的桥梁坍塌事故，提醒我们必须要高度重视桥梁的健康检测与安全评估，及危桥的损伤检测和监控，争取消除隐患。所以对桥梁健康状况进行监测和评价，掌握其健康状况是有非常重要的意义。桥梁结构的监测也就成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。

传统的桥梁结构检测主要存在如下问题：

⑴只能做定期检测，只能确定桥梁当时的健康状态，不能够保证在有效保障期间内的桥梁安全使用。例如：美国密西西比河大桥虽然于2005和2006年分别进行过检查，当时并没有发现任何结构性的安全隐患，但还是在2007年发生了垮塌。因此，需要对桥梁做出实时数据监测。

⑵数据传输均采用有线电缆方式完成，线路布设复杂，接线繁琐，安装造价高，后期的线缆维护所耗的时间和精力巨大，应用上有较大局限性；监测传输距离太远，对桥梁监测中的很多传感器微弱信号造成数据失真；采集速度慢，数据接口和系统整合能力差；这种串行集中式监测系统很大程度上影响系统的处理速度、系统的可靠性和灵活性，不能做到实时监测，数据缺乏真实性。因此，需要对桥梁做出无线的数据监测。

⑶只能进行现场荷载试验检测，同时需要封闭交通，影响正常的交通运行。因此，需要安装具有无线、远程传输的传感器节点，将现场应变、挠度等值进行远程、无线、实时的传输，传输给监控中心。发明内容

基于以上传统桥梁结构检测系统出现的各个问题，本实用新型提供一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，其能够在不影响桥梁结构正常使用状态下，实现长期实时观测累积损伤状态，可对服役期间的桥梁安全状况进行长期远程、实时、在线监测。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，所述监测系统包括传感器终端节点、中继节点、双汇集节点的3G网关与远程监控平台；其中，

所述传感器终端节点包括应变传感器、倾角传感器、加速度传感器和用于依照感知层的网络通信协议，处理采集应变与加速度参数并发送信息至汇集节点或中继节点的第一微控制器单元；

所述中继节点包括：用于为节点的正常工作及射频电路工作提供所需电源的第一供电单元；用于依照感知层的网络通信协议，接收传感器终端节点无线方式发送来的应变与加速度信息，然后再以无线通讯的方式转发至汇集节点的第二微控制器单元；

所述双汇集节点的3G网关包括2个汇集节点，所述汇集节点包括：用于为节点的正常工作及射频电路工作提供所需电源的第二供电单元；用于提供3G网关与第三微控制器单元正常工作提供所需电源的第三供电单元；用于通过3G网络接入Internet并为数据传输到远程监测中心提供通路的3G电路单元；用于接收汇集节点无线传送的数据，并通过3G网络发送到远程监控平台的第三微控制器单元；

所述传感器终端节点、中继节点、汇集节点之间无线通信连接。

进一步，所述传感器终端节点还包括用于为节点的正常工作及射频电路工作提供所需电源的第四供电单元；用于为应变传感器输出的微弱电压提供放大与降噪处理的第一调理单元；用于为调理单元正常工作提供所需电源第五供电单元；用于依照感知层的网络通信协议，处理采集应变与加速度参数并发送信息至汇集节点或中继节点的第四微控制器单元。

再进一步，所述第一供电单元、第二供电单元、第三供电单元、第四供电单元、第五供电单元均与光伏供电系统连接，所述光伏供电系统包括：太阳能电池板、锂电池、超级电容和用以控制太阳能电池板对锂电池充电并根据电池与太阳能电池板电量情况决定节点供电的光伏供电控制器单元。

本实用新型的有益效果主要表现在：其能够在不影响桥梁结构正常使用状态下，可长期实时观测累积损伤状态，可对服役期间的桥梁安全状况进行长期远程、实时、在线监测，为进一步的维护管理提供正确的决策，为桥梁结构健康监测提供了新的解决方案。

附图说明

图1是基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统结构图；

图2是本实用新型的网络拓扑结构图；

图3是本实用新型的传感器终端节点结构图；

图4是本实用新型的中继节点结构图；

图5是本实用新型的双汇集节点的3G网关结构图；

图6是本实用新型的光伏供电系统结构图；

图7是本实用新型的下位机软件体系结构图；

图8是本实用新型的建立网络、加入网络与绑定流程图，其中（a）是汇集节点，（b）是传感器终端节点；

图9是本实用新型的数据包发送子模块流程图；

图10是本实用新型的脉搏机制流程图；

图11是本实用新型的远程监控平台数据接收与显示流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式并参照附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1，一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，包括若干个传感器终端节点、中继节点、双汇集节点的3G网关、光伏供电系统与远程监控平台。

所述传感器终端节点被部署在桥梁的关键位置，用来采集桥梁每一跨的L/2处（跨中位置，L为跨长）、L/4处、3L/4处的应变、倾角、加速度等信息，应变传感器安装在L/4、2L/4、3L/4处，倾角传感器安装在L/4、3L/4处，加速度传感器安装在2L/4处，桥梁的每一跨有若干个所述传感器终端节点，对应多个传感器，具体数量根据桥的宽度和箱梁的根数确定；桥梁一般有多跨则有多个所述传感器终端节点。

首先为建立与组网过程，参照图1、图2、图5、图7和图8，本申请中双汇集节点上电后，初始化板上硬件、软件，扫描空中信道能量，分别按照不同的网络ID号与信道号建立各自的传感器网络，然后进入网络监听等待状态，当收到子节点（传感器终端节点或中继节点）入网请求后，汇集节点发出确认信息，为子节点分配网络地址，并建立邻居列表将子节点加入至邻居列表中，之后向子节点发送绑定确认信息，建立连接，程序流程参照图8所示。

不同的传感器终端节点加入不同的网络，对应的网络ID号与信道号也是不同，汇集节点有两个，因此传感器终端节点分别属于两个网络，在实际应用时，参照图8，终端节点初始化硬件和软件完毕后，会进行一个“绑定”的操作，其目的是使传感器节点的地址信息出现在汇集节点的绑定表中，从而使传感器节点与汇集节点关联起来，在布置节点之前就设定好了绑定目的地址，终端节点首先搜索要加入的网络ID号，当搜索到目的网络后，向汇集节点发出入网加入申请，汇集节点收到信号，确认是自己的节点后，发出同意确认信息，终端节点收到确认信息后，表明入网成功，然后才发出“绑定”的申请，汇集节点接收后，发出绑定确认信息，终端节点收到后，就可以执行发送数据流程。

传感器终端节点加入网络后，就要开始发送传感器的测量数据，参照图9所描述流程，节点加入网络成功加入自己的网络ID后，进入事件轮询进行事件处理，轮询的事件包括：硬件层、网络层、媒体接入层、应用层、脉搏包等等事件。如果产生了发送数据请求的事件，节点首先判断数据信息类型，如果为控制命令，则进行控制处理，若为查询信息，则启动A/D转换，从传感器中读取应变、加速度、倾角等信息量值，如果为加速度则对其进行5/3整数小波的数据压缩处理，以减少数据量，减少网络堵塞，如果为其它量则直接发送。

本实施例利用加速度传感器所获取的加速度量二次积分处理以获得振动信息的，因此要求加速度信号量的采样率较高，加速度采样率为500Hz，这样，传感器终端节点会连续不断地传送数据，这些数据既庞大又复杂，汇聚节点接受的这些数据，形成一个树型分簇网络结构，因而信息量巨大，中继节点和汇集节点最有可能会出现传输瓶颈、信息拥塞、甚至丢包的现象、延时严重、网络不稳定等问题。然而，这些数据在时间和空间上面都具有很大的冗余性。

因此，本实施例采用了基于5/3整数小波的时空数据压缩算法，来减少数据冗余以及错误的发生。其技术原理如下：传感器网络中某个簇内的n个节点为S0，S1，…，Sn，其中，第i个传感器节点收到的随时间到达的数据序列为C_i,col，它的矩阵列的形式C_i,col＝(C_0j+C_1j+…+C_N-1j)^T，这里每个传感器读取N个数据，其中C_i,j表示第i个传感器节点的第j个数据。这样，所有的n个传感器节点的数据就构成了一个n×N的矩阵：

C^{0} = (C_{0 col}, C_{1 col}, \cdot \cdot \cdot, C_{(n - 1) col}) = (\begin{matrix} C_{0, 0} & C_{0,1} & \cdot \cdot \cdot & C_{0, n - 1} \\ C_{1,0} & C_{1,1} & \cdot \cdot \cdot & C_{1, n - 1} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ C_{N, 0} & C_{N, 1} & \cdot \cdot \cdot & C_{N, n} \end{matrix}) - - - (1)

小波变换式为：

\{\begin{matrix} d_{n}^{(1)} = S_{2 n + 1}^{(0)} - [\frac{S_{2 n}^{(0)} + S_{2 n + 2}^{(0)}}{2}] \\ S_{n}^{(1)} = S_{2 n}^{(0)} - [\frac{d_{n - 1}^{(1)} + d_{n}^{(1)}}{4} + \frac{1}{2}] \end{matrix} - - - (2)

矩阵（1）的行表示多个传感器终端节点在某个时刻的N个数据，其列为各传感器节点收到的按时间序列到达的第N个数据，利用小波变换式（2）对（1）式进行相应的列变换与行变换（即时间变换与空间变换），得下式：

C_{1}^{0} = (\begin{matrix} S_{0,0}^{1} & S_{0,0}^{1} & \cdot \cdot \cdot & S_{0, n - 1}^{1} & S_{0, n - 1}^{1} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ S_{N - 1,0}^{1} & S_{N - 1,0}^{1} & \cdot \cdot \cdot & S_{N - 1, n - 1}^{1} & S_{N - 1, n - 1}^{1} \\ d_{0,0}^{1} & d_{0,0}^{1} & \cdot \cdot \cdot & d_{0, n - 1}^{1} & d_{0, n - 1}^{1} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N - 1,0}^{1} & d_{N - 1,0}^{1} & \cdot \cdot \cdot & d_{N - 1}^{1} & d_{N - 1, n - 1}^{1} \end{matrix}) - - - (3)

接着再利用小波变换式（2）对式（3）进行行变换，得下式（4）：

C_{2}^{0} = (\begin{matrix} S_{0,0}^{1 s} & S_{0,0}^{1 d} & \cdot \cdot \cdot & S_{0, n - 1}^{1 s} & S_{0, n - 1}^{1 d} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ S_{N - 1,0}^{1 s} & S_{N - 1,0}^{1 d} & \cdot \cdot \cdot & S_{N - 1, n - 1}^{1 s} & S_{N - 1, n - 1}^{1 d} \\ d_{0,0}^{1 s} & d_{0,0}^{1 d} & \cdot \cdot \cdot & d_{0, n - 1}^{1 s} & d_{0, n - 1}^{1 s} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N - 1,0}^{1 s} & d_{N - 1,0}^{1 d} & \cdot \cdot \cdot & d_{N - 1, n - 1}^{1 s} & d_{N - 1, n - 1}^{1 d} \end{matrix}) - - - (4)

经过行变换后的小波系数相比原始数据少了很多信息，则在网络传输上减少了一部分信息传递花销。从式（4）中可以提取式（5）：

C^{1} = (\begin{matrix} S_{0,0}^{1 s} & S_{0,1}^{1 s} & \cdot \cdot \cdot & S_{0, n - 1}^{1 s} \\ S_{1,0}^{1 s} & S_{1,1}^{1 s} & \cdot \cdot \cdot & S_{1, n - 1}^{1 s} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ S_{N - 1, 0}^{1 s} & S_{N - 1,1}^{1 s} & \cdot \cdot \cdot & S_{N - 1, n - 1}^{1 s} \end{matrix}) - - - (5)

对式（5）依照上面同样的方法进行列变换与行变换，如此递归下去，最后得到各级小波系数。所得小波系数较传感器节点采集的原始数据数据量少了很多，很大程度上减少网络通信的数据量，减轻网络负担。

振动监测时，要求加速度数据是通过各个传感器节点同步采集得到的，然后通过无线网络以单跳或多跳方式传送至汇集节点，汇集节点再将把这些含有时间信息的数据送入计算机中进行后续的分析处理，单跳或多跳方式数据传送过程中数据流的路径不同，极有可能造成时间不同步，进行双积分处理时误差较大，因此测点信息保持时间同步非常关键，此外，如果数据与时间不匹配现象，则后续的时域分析将会产生相位偏移。

本申请的解决方法如下：当系统成功建立网络后，汇集节点首先通过广播方式通知各节点时间起始位置，各传感器节点开始采集和传输数据，数据在发送、传输直到接受的过程中存在多跳和延时现象，因此，计算机接收到数据包后，要根据各数据的时间同步信息进行时间同步排列操作。如果加速度数据传输过程中在第i跳节点所停留的时间为第i跳传输途中所消耗的时间为

则总延迟时间为

因此上位机在数据分析处理时，可以由汇集节点接受时刻T_S-T_A推算出A节点的数据包发送时间，这种方式可以实现全部数据的时间同步。

本申请中，当双汇集节点接收到传感器数据后，将数据发送至3G 网关中的ARM Crotex M3芯片LM3S8962中，参照图7所示，LM3S8962设置了数据缓存区，待发的数据先预存在这个区域，同时，LM3S8962对3G模块中兴ZTE-AC200进行设置，使其通过电信3G网络接入Internet，建立传感器网络与远程监控平台的物理连接，LM3S8962利用AT命令使模块接入、断开或与远程监控中心建立TCP连接，连接建立成功后，就可以将数据缓存区的数据发送至远程端。

实践中，由于地理位置或其它原因，3G网络有可能与网关断开连接，本申请采用“脉搏”机制来检测断网情况，保证网络不中断。其技术原理为：参照图7，图10所示，每次3G网关发送数据后，会发送一个“脉搏”信号至远程监控平台，远程监控平台检测到这个“脉搏”信号后，会立刻发还给3G网关一个回应信号，如果LM3S8962接收到回应信号，则继续发送数据，否则，则认为网络已断开，需要重新进行Internet连接，LM3S8962利用AT命令对3G模块进行设定，重新与远程监控平台建立TCP连接。

本申请中，利用太阳能光伏系统来实现节点与第一供电单元、第二供电单元、第三供电单元、第四供电单元和第五供电单元的电力供应，参照图6，采用太阳能电池板，超级电容、可充电电池多重供电方式，为了能够充分利用太阳光能电池板的效益，桥梁每跨中安装了3块板太阳能电池板，能够为2个节点及其附属传感器电路提供正常工作的电力，它们安装朝向不同，分别是2个侧面，1个正面。对于节点数量增加则太阳能电池板数量也需成倍增加，在有太阳光光照充足情况下，经过稳压电路后，电池板一方面充电，另一方面给超级电容和可充锂电池充电，锂电池的充放电次数可达500次以上。光照不充足时，由超级电容和可充锂电池公共供电，整个供电系统由单片机软件检测不同供电端的电压情况，从而控制选择器接通不同的供电端，这样可以极大地延缓锂电池的充放电过程，提高系统的耐用性，经过第一供电单元、第二供电单元、第三供电单元、第四供电单元和第五供电单元的电压变换，再提供不同节点、传感器及其调理单元、微处理器的电力。

本申请所述远程监控系统使用所见即所得的LabVIEW集成开发环境开发，界面主要包括三个部分：数据接收与显示界面模块、数据库管理界面模块、分析与报警模块，软件流程图中还有脉搏回应部分。

参照图11，数据接收与显示模块中，采用TCP与3G网关建立连接，连接之前，3G网关首先访问远程监控中心的域名，获得监控中心的IP地址，进而可以建立连接。接收到数据后进行解压缩与时间同步处理，然后把实时数据以波形图和实时数据的方式显示出来，以满足实时观测数据要求。

参照图11，数据库管理模块，用于保存监控参数、查询特定时间范围桥梁的数据，为分析桥梁状态提供原始数据，数据库管理是通过在LabVIEW中调用Microsoft Access2003来实现的，保存监控参数有测量点的应变、倾角、加速度等信息。还可以查找被测量的最大值，查询特定时间范围内的曲线图。

Claims

1.一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，其特征在于：所述监测系统包括传感器终端节点、中继节点、双汇集节点的3G网关与远程监控平台；其中，

所述中继节点包括：用于为节点的正常工作及射频电路工作提供所需电源的第一供电单元：用于依照感知层的网络通信协议，接收传感器终端节点无线方式发送来的应变与加速度信息，然后再以无线通讯的方式转发至汇集节点的第二微控制器单元；

2.如权利要求1所述的基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，其特征在于：所述传感器终端节点还包括用于为节点的正常工作及射频电路工作提供所需电源的第四供电单元；用于为应变传感器输出的微弱电压提供放大与降噪处理的第一调理单元；用于为调理单元正常工作提供所需电源第五供电单元；用于依照感知层的网络通信协议，处理采集应变与加速度参数并发送信息至汇集节点或中继节点的第四微控制器单元。

3.如权利要求2所述的基于物联网技术的远程桥梁结构监测系统，其特征在于：所述第一供电单元、第二供电单元、第三供电单元、第四供电单元、第五供电单元均与光伏供电系统连接，所述光伏供电系统包括：太阳能电池板、锂电池、超级电容和用以控制太阳能电池板对锂电池充电并根据电池与太阳能电池板电量情况决定节点供电的光伏供电控制器单元。