桥梁健康监测系统设计

桥梁健康监测系统设计《物联网》课程设计班级：成员：指导老师：1摘要桥梁因造价昂贵，服役时间长且维系人们的生命安全而倍受关注。为了避免因难于察觉结构和系统损伤引发灾难性的突发事故，桥梁结构健康监测受到了全世界的广泛关注。为保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，减少或避免人民生命和国家财产的重大损失，保障公路交通运输网络的安全畅通，为这些大跨径桥梁构建健康与安全监测系统，加强对桥梁健康状况的监测和评估，促进国民经济繁荣和发展具有重要意义。本文设计了一种包括嵌入式处理中心，Zigbee传感器网络，GPRS数据传输系统和信号处理及分析系统的智能桥梁健康监测数据采集系统。2目录摘要.........................................................................................................1一、研究意义.........................................................................................3二、总体设计方案.................................................................................42.1桥梁健康监测的基本内涵......................................................42.2桥梁健康监测系统的监测内容..............................................42.3桥梁健康监测选用方法..........................................................52.4总体设计流程图.......................................................................6三、硬件电路.........................................................................................73.1器件选用...................................................................................73.1.1传感器选择...................................................................73.1.2无线传感器网络节点选择...........................................73.1.3主控制器选择...............................................................93.2电路设计................................................................................103.2.1Zigbee网络架构选择.................................................103.2.2数据远程传输............................................................12四、软件流程图..................................................................................134.1协调器的软件设计................................................................144.2路由节点软件设计................................................................154.3终端节点的软件设计............................................................164.4主控制器软件设计................................................................174.5上位机程序结构及界面........................................................184.6振动分析性能........................................................................18五、总结..............................................................................................193一、研究意义交通是经济的命脉，而桥梁则是交通工程的枢纽。然而桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。为保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，减少或避免人民生命和国家财产的重大损失，保障公路交通运输网络的安全畅通，为这些大跨径桥梁构建健康与安全监测系统，加强对桥梁健康状况的监测和评估，促进国民经济繁荣和发展具有重要意义。4二、总体设计方案2.1桥梁健康监测的基本内涵桥梁健康监测的基本内涵即是运用现代的传感技术，实时地对桥梁结构及部件的材料质量和工作性能方面所存在的缺损状况进行详细检测、试验、判断和评价的过程，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。2.2桥梁健康监测系统的监测内容1，结构的固定模态及其相对应的结构阻尼；2，桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态；3，桥梁在突发事件（如强烈地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况；4，桥梁结构构件的真实疲劳状况；5，桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施的工作状态；6，大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。52.3桥梁健康监测选用方法监测方法大体可分为基于动力和联合静动力的健康监测方法，基于动力学的方法又可以分为如下四类：①空间域方法，②模态域方法，③时域方法，④频域方法。各种方法各有优缺点，将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的发展趋势。考虑到结构固有频率是最容易和最能准确测量的动力参数，且测试简单，精度高，受测量噪声影响小，所以本系统设计采用结构参数识别技术中的基于结构测试固有频率的损伤识别方法。该方法是以结构试验为基础，将测取的结构某些部位的反应与原先的模型，分析结果进行综合比较，通过某种条件优化约束，不断地修正模型的刚度参数，使理论值与相应的试验值最大程度地达到吻合，从而得到结构刚度变化的信息，实现结构的损伤判别与定位。62.4总体设计流程图20个振动加速度传感器到达警戒值？传感器节点进行AD采集数据预处理传送至上位机显示数据处理图像分析报警传感器节点将数据通过Zigbee网络传至主控制器主控制器通过GPRS将数据发回工控机7三、硬件电路3.1器件选用3.1.1传感器选择振动传感器按所测机械量可分为加速度、速度和位移传感器。桥梁的振动是非常微小的，桥梁振动都是超低频，于是我们需要的是一种高灵敏度传感器。如今有许多桥梁工程用到了加速度传感器，为了使得桥梁得到更高的稳定性，我们最好是能及时的检测到桥梁的振动源在什么地方，并且能够及时的得到振动源的频率。跨度桥梁的动力特性是研究桥梁振动的基础。车速对桥梁的振动影响比较小，而平整度对桥梁的振动影响很大，路面等级越低，桥梁振动越剧烈。于是桥梁上的振动检测加速度传感器是相当的重要。综合考虑我们选择加速度传感器。3.1.2无线传感器网络节点选择传感器节点是的网络组成的重要部分，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都在这个模块的支持下完成。传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。如图3.1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传8感器节点的操作，存储和处理本身的数据及其它节点发送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量模块为传感器节点提供运行所需的能量。图3.1无线传感器体节点系结构无线传感网络的无线通信技术可以采用ZigBee技术、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。基于ZigBee技术是一种具有功耗低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等特性的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，具有在固定的时间间隔传输数据的低速率特性，满足健康监测中，以一定的采集频率，将各个传感器节点周期性采集到监测数据，传送至监控中心进行分析和处理。相比其他无线网络技术，ZigBee技术更适合在桥梁健康监测中应用。考虑到项目以下几个特点：⑴需要进行数据采集和控制的节点较多；⑵应用对数据传输速率和成本要求不高；⑶野外布传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器传感器模块处理器模块无线通信模块能量供应模块9置网络节点，进行简单的数据传输。我们决定采用TI公司的CC2530模块。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee应用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM等强大的功能。3.1.3主控制器选择出于对stm32的以下优越性能的考虑，采用stm32模块做主控制器。1、搭载ARM公司最新的、具有先进架构的Cortex-M3内核2、出色的实时性能3、优越的功效4、高级的、创新型外设5、最大的集成性6、易于开发，加速了面市时间7、性价比高8、稳定性强103.2电路设计3.2.1Zigbee网络架构选择ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状三种拓扑结构。1)星型网络：由一个协调器和多个终端设备组成的单跳网络，只存在协调器与各个终端设备之间的通信，而各终端设备间的通信由协调器进行转发。2)树型网络：由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除能与父节点或子节点进行点对点直接通信外，其他只能通过树状路由完成消息传递。3)网状网络：基于树状网络，区别在于网状网络中允许所有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表配合实现消息的网状路由，以更多的存储空间开销为代价减少了消息延时，增强可靠性。依据实际需要我们选择树型网络。树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的Router（路由器）和EndDevice（终端）节点。其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。Co-ordinator连接一系列的Router和EndDevice，他的子节点的Router也可以连接一系列Router和EndDevice。这样可以重复多个层级。树形拓