橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計《物聯(lián)網(wǎng)》課程設(shè)計班級：成員：指導(dǎo)老師：

摘要橋梁因造價昂貴，服役時間長且維系人們的生命安全而倍受關(guān)注。為了避免因難于察覺結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)損傷引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測受到了全世界的廣泛關(guān)注。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，減少或避免人民生命和國家財產(chǎn)的重大損失，保障公路交通運輸網(wǎng)絡(luò)的安全暢通，為這些大跨徑橋梁構(gòu)建健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，加強對橋梁健康狀況的監(jiān)測和評估，促進國民經(jīng)濟繁榮和發(fā)展具有重要意義。本文設(shè)計了一種包括嵌入式處理中心，Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和信號處理及分析系統(tǒng)的智能橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目錄HYPERLINK摘要 1HYPERLINK一、研究意義 3HYPERLINK二、總體設(shè)計方案 4HYPERLINK2.1橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵 4HYPERLINK2.2橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容 4HYPERLINK2.3橋梁健康監(jiān)測選用方法 5HYPERLINK2.4總體設(shè)計流程圖 6HYPERLINK三、硬件電路 7HYPERLINK3.1器件選用 7HYPERLINK3.1.1傳感器選擇 7HYPERLINK3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇 7HYPERLINK3.1.3主控制器選擇 9HYPERLINK3.2電路設(shè)計 10HYPERLINK3.2.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇 10HYPERLINK3.2.2數(shù)據(jù)遠程傳輸 12HYPERLINK四、軟件流程圖 13HYPERLINK4.1協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計 14HYPERLINK4.2路由節(jié)點軟件設(shè)計 15HYPERLINK4.3終端節(jié)點的軟件設(shè)計 16HYPERLINK4.4主控制器軟件設(shè)計 17HYPERLINK4.5上位機程序結(jié)構(gòu)及界面 18HYPERLINK4.6振動分析性能 18HYPERLINK五、總結(jié) 19一、研究意義交通是經(jīng)濟的命脈，而橋梁則是交通工程的樞紐。然而橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在遠沒有達到設(shè)計年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修，輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，減少或避免人民生命和國家財產(chǎn)的重大損失，保障公路交通運輸網(wǎng)絡(luò)的安全暢通，為這些大跨徑橋梁構(gòu)建健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，加強對橋梁健康狀況的監(jiān)測和評估，促進國民經(jīng)濟繁榮和發(fā)展具有重要意義。二、總體設(shè)計方案2.1橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是運用現(xiàn)代的傳感技術(shù)，實時地對橋梁結(jié)構(gòu)及部件的材料質(zhì)量和工作性能方面所存在的缺損狀況進行詳細檢測、試驗、判斷和評價的過程，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。2.2橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容1，結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼；2，橋梁在正常車輛荷載及風載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài)；3，橋梁在突發(fā)事件（如強烈地震、意外大風或其它嚴重事故等）之后的損傷情況；4，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實疲勞狀況；5，橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如支座）和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；6，大橋所處的環(huán)境條件，如風速、溫度、地面運動等。2.3橋梁健康監(jiān)測選用方法監(jiān)測方法大體可分為基于動力和聯(lián)合靜動力的健康監(jiān)測方法，基于動力學(xué)的方法又可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時域方法，④頻域方法。各種方法各有優(yōu)缺點，將兩三種方法結(jié)合起來檢測和評估結(jié)構(gòu)的損傷具有很強的發(fā)展趨勢?？紤]到結(jié)構(gòu)固有頻率是最容易和最能準確測量的動力參數(shù)，且測試簡單，精度高，受測量噪聲影響小，所以本系統(tǒng)設(shè)計采用結(jié)構(gòu)參數(shù)識別技術(shù)中的基于結(jié)構(gòu)測試固有頻率的損傷識別方法。該方法是以結(jié)構(gòu)試驗為基礎(chǔ)，將測取的結(jié)構(gòu)某些部位的反應(yīng)與原先的模型，分析結(jié)果進行綜合比較，通過某種條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型的剛度參數(shù)，使理論值與相應(yīng)的試驗值最大程度地達到吻合，從而得到結(jié)構(gòu)剛度變化的信息，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。2.4總體設(shè)計流程圖三、硬件電路3.1器件選用3.1.1傳感器選擇振動傳感器按所測機械量可分為加速度、速度和位移傳感器。橋梁的振動是非常微小的，橋梁振動都是超低頻，于是我們需要的是一種高靈敏度傳感器。如今有許多橋梁工程用到了加速度傳感器，為了使得橋梁得到更高的穩(wěn)定性，我們最好是能及時的檢測到橋梁的振動源在什么地方，并且能夠及時的得到振動源的頻率?？缍葮蛄旱膭恿μ匦允茄芯繕蛄赫駝拥幕A(chǔ)。車速對橋梁的振動影響比較小，而平整度對橋梁的振動影響很大，路面等級越低，橋梁振動越劇烈。于是橋梁上的振動檢測加速度傳感器是相當?shù)闹匾?/p>

綜合考慮我們選擇加速度傳感器。3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇傳感器節(jié)點是的網(wǎng)絡(luò)組成的重要部分，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序都在這個模塊的支持下完成。傳感器節(jié)點通常是一個微型嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。如圖3.1所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身的數(shù)據(jù)及其它節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。圖3.1 無線傳感器體節(jié)點系結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)可以采用ZigBee技術(shù)、藍牙、Wi-Fi和紅外等技術(shù)?；赯igBee技術(shù)是一種具有功耗低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、低等待時間等特性的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，具有在固定的時間間隔傳輸數(shù)據(jù)的低速率特性，滿足健康監(jiān)測中，以一定的采集頻率，將各個傳感器節(jié)點周期性采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳送至監(jiān)控中心進行分析和處理。相比其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)更適合在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用?？紤]到項目以下幾個特點：=1\*GB2⑴需要進行數(shù)據(jù)采集和控制的節(jié)點較多；=2\*GB2⑵應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸速率和成本要求不高；=3\*GB2⑶野外布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，進行簡單的數(shù)據(jù)傳輸。我們決定采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM等強大的功能。3.1.3主控制器選擇出于對stm32的以下優(yōu)越性能的考慮，采用stm32模塊做主控制器。1、搭載ARM公司最新的、具有先進架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核

2、出色的實時性能

3、優(yōu)越的功效

4、高級的、創(chuàng)新型外設(shè)

5、最大的集成性

6、易于開發(fā)，加速了面市時間7、性價比高8、穩(wěn)定性強3.2電路設(shè)計3.2.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀三種拓撲結(jié)構(gòu)。1)星型網(wǎng)絡(luò)：由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成的單跳網(wǎng)絡(luò)，只存在協(xié)調(diào)器與各個終端設(shè)備之間的通信，而各終端設(shè)備間的通信由協(xié)調(diào)器進行轉(zhuǎn)發(fā)。2)樹型網(wǎng)絡(luò)：由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除能與父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳遞。3)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：基于樹狀網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別在于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中允許所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表配合實現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由，以更多的存儲空間開銷為代價減少了消息延時，增強可靠性。依據(jù)實際需要我們選擇樹型網(wǎng)絡(luò)。樹形拓撲包括一個Co-ordinator（協(xié)調(diào)者）以及一系列的Router（路由器）和EndDevice（終端）節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò);路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā);終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作。這就要求zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需扮演終端感知者、網(wǎng)絡(luò)支持者、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者3種角色。Co-ordinator

連接一系列的Router和EndDevice，他的子節(jié)點的Router也可以連接一系列Router和EndDevice。這樣可以重復(fù)多個層級。樹形拓撲的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：圖3.2 樹形拓撲結(jié)構(gòu)圖樹形拓撲中的通訊規(guī)則：每一個節(jié)點都只能和他的父節(jié)點和子節(jié)點之間通訊。如果需要從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點然后再向下傳遞到目標節(jié)點。這種拓撲方式的缺點就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的，整個的路由過程對于應(yīng)用層是完全透明的。3.2.2數(shù)據(jù)遠程傳輸據(jù)遠程傳輸子系統(tǒng)是嵌入式橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，用它通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心的橋梁數(shù)據(jù)信息直接反饋給業(yè)主用戶或上傳遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器以便對橋梁進一步觀測與評估。現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)在設(shè)計中加入通用GPRS模塊，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸是遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵乃枷?。系統(tǒng)采用GPRS方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如下圖所示。四、軟件流程圖由上圖可見，本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括傳感器終端節(jié)點設(shè)計，路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點，主控制器和上位機五部分。終端節(jié)點和路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點軟件系統(tǒng)大致分為主程序處理模塊、初始化模塊、建立網(wǎng)絡(luò)及通信模塊、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊等。主程序處理模塊用來調(diào)用其他模塊完成應(yīng)該實現(xiàn)的功能；初始化模塊用來初始化RAM、硬件電路的LED、串口等并設(shè)置模塊參數(shù)，例如：內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置，工作模式的設(shè)置(波特率)等，完成后中斷，循環(huán)等待中斷；建立網(wǎng)絡(luò)及通信模塊用來建立網(wǎng)絡(luò)并建立節(jié)點間的聯(lián)系；數(shù)據(jù)采集模塊是采集并處理模數(shù)轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)。計算機程序是上位機程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和在SQLServer2000數(shù)據(jù)庫中的存儲、調(diào)用。4.1協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器子進程流程如下圖所示。協(xié)調(diào)器子進程首先進行初始化，然后打開協(xié)調(diào)器的電源，初始化Zigbee模塊并建立一個新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，接著系統(tǒng)進入無線監(jiān)控狀態(tài)，等待節(jié)點響應(yīng)。如果是傳感器返回監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)封包和串口發(fā)送；如果是節(jié)點入網(wǎng)請求，剛為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并向其廣播數(shù)據(jù)采集命令。4.2路由節(jié)點軟件設(shè)計在嵌入式橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，路由節(jié)點僅用作路由，其軟件設(shè)計比較簡單。路由節(jié)點軟件的程序流程如下圖所示，程序首先初始化Zigbee芯片CC2530，然后初始化協(xié)議棧，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號。這個信號將被前面的路由節(jié)點或直接被網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到，它們給出應(yīng)答并給路由分配地址。默認的地址編號序列為0x0001，0x0002依次進行。4.3終端節(jié)點的軟件設(shè)計與路由節(jié)點的軟件稍有區(qū)別，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點需要在檢測成功加入已存在的網(wǎng)絡(luò)后按照設(shè)定頻率進行。數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點軟件的程序流程如下圖所示，程序同樣先初始化CC2530，然后打開傳感器電源，然后初始化Zigbee協(xié)議棧。發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待協(xié)調(diào)器或者路由器給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。當加入網(wǎng)絡(luò)成功后，RFD數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點按照協(xié)調(diào)器設(shè)定的采集頻率進行傳感器數(shù)據(jù)采集并封包，然后將傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并接收應(yīng)答信號。如果協(xié)調(diào)器接收到有效的傳感器數(shù)據(jù)，終端節(jié)點便回到空閑狀態(tài)；如果接收到的數(shù)據(jù)有誤或者沒有收到數(shù)據(jù)，終端節(jié)點會立即重新采集一次數(shù)據(jù)發(fā)送給主機協(xié)調(diào)器，直到發(fā)送成功為止。4.4主控制器軟件設(shè)計現(xiàn)場預(yù)處理子系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如下圖所示。系統(tǒng)啟動后首先初始化數(shù)據(jù)庫，包括生成數(shù)據(jù)庫文件(首次運行)和建立數(shù)據(jù)表。然后設(shè)定網(wǎng)絡(luò)采集頻率，然后調(diào)用協(xié)調(diào)器子進程，并且主機進入串口數(shù)據(jù)監(jiān)控狀態(tài)，等待監(jiān)測數(shù)據(jù)信號。如果監(jiān)測到數(shù)據(jù)信號，則對數(shù)據(jù)進行解析、打包并進行數(shù)據(jù)庫存儲。通過GPRS傳送到計算機。計算對數(shù)據(jù)處理后顯示在計算機屏幕上。運行在PC機上的軟件主要由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，顯示模塊組成。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，同時將各種管理命令發(fā)布到指定節(jié)點。數(shù)據(jù)顯示模塊將各節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)以表格的形式顯示給當前用戶，用戶亦可根據(jù)實時數(shù)據(jù)選用曲線形式顯示，對健康狀況實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊主要完成串口數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，主要包括采集數(shù)據(jù)、查詢命令轉(zhuǎn)換。同時結(jié)合各種損傷算法，對各節(jié)點數(shù)據(jù)進行單獨處理和融合處理。數(shù)據(jù)存儲模塊，對數(shù)據(jù)進行高效管理，并為歷史查詢和計算分析服務(wù)，以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為后臺數(shù)據(jù)庫，方便用戶查詢實時和歷史數(shù)據(jù)。4.5上位機程序結(jié)構(gòu)及界面采用MicrosoftVisualStudio或Labview設(shè)計。4.6振動分析性能由于損傷使結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生改變，而結(jié)構(gòu)剛度的改變將