一種新型的高速鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

  摘要：為了降低傳統(tǒng)鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)功耗高，擴展性差的問題，設(shè)計了基于Imote2和IRIS無線傳感器節(jié)點平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。利用Imote2強大的數(shù)據(jù)處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠距離無線收發(fā)的特點，控制由Imote2組成的無線自組織傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集時間，實現(xiàn)超低功耗的目的，并且應(yīng)用CDMA無線通信技術(shù)，完成了橋梁的遠距離監(jiān)測。實驗表明，在功耗方面比傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)降低了35%以上。

　　引 言

　　鐵路橋梁在營運過程中不可難免會出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)承受力與安全性降低。如今隨著高速鐵路在我國逐步普及，對高速鐵路橋梁健康的在線監(jiān)測提出了更為嚴格的要求。

　　高速鐵路速度快，絕大多數(shù)鐵路橋又都在野外，環(huán)境相對比較惡劣，因此，在線監(jiān)測系統(tǒng)必須做到精度高、穩(wěn)定性好，另外在惡劣的環(huán)境中，頻繁地為數(shù)量巨大的節(jié)點更換電池不現(xiàn)實也不可能， 因而節(jié)點的能源供給都是一次性電池。這樣，為了提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，高效能、低成本同樣理所當(dāng)然地成為節(jié)點設(shè)計的基本原則。

　　為了實現(xiàn)以上目標，通過對所用于該設(shè)計的硬件進行嚴格的挑選，最后采用了目前在國際上先進的MOTE(塵埃)技術(shù)，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無線傳感器節(jié)點平臺，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，對加速度、動振幅、撓度等參量進行在線監(jiān)測。其最大特點就是節(jié)能，即使在沒有交流電源的環(huán)境下，僅僅利用電池就可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)采集與傳輸，能夠滿足對野外橋梁狀態(tài)的實時監(jiān)測需求。

　　橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

　　橋梁在線監(jiān)測，即通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與*估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，分析*估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護、維修與管理決策、驗證橋梁設(shè)計理論、改進橋梁設(shè)計方法和相應(yīng)的規(guī)范標準提供科學(xué)的依據(jù)。

　　橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容。

　　● 傳感系統(tǒng)。用于將待測物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而在選擇傳感器及二次儀表的類型和數(shù)量時，應(yīng)根據(jù)建立橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)的目的和投資規(guī)模來確定。

　　● 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。實現(xiàn)對多種信息源、不同物理信號的采集與預(yù)處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對各種原始數(shù)據(jù)進行分解、變換以獲取系統(tǒng)所需要的參數(shù)，并以一定的形式存儲起來。

　　● 通信系統(tǒng)。將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

　　● 監(jiān)控中心和報警設(shè)備。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出*估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信息。

　　基于WSN的鐵路橋監(jiān)測系統(tǒng)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。

　　鐵路橋梁與一般橋梁的最大區(qū)別在于鐵路橋在大部分時間是沒有列車通過的，因此為了鐵路橋梁在線監(jiān)測過程中盡可能地降低功耗，在沒列車通過時，系統(tǒng)是不進行數(shù)據(jù)采集的。為此我們在鐵路橋梁兩端分別布置了一個IRIS傳感器節(jié)點平臺，當(dāng)鐵路橋梁一端有列車過來時，該節(jié)點平臺發(fā)射信號給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，進而通知Imote2節(jié)點開始數(shù)據(jù)采集，當(dāng)列車經(jīng)過鐵路橋梁另一端時，此處的節(jié)點平臺又發(fā)送信號給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，控制Imote2節(jié)點停止數(shù)據(jù)采集，充分達到減少能耗的目的。

　　本文設(shè)計的鐵路橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示：包括若干個Imote2傳感節(jié)點，它們被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對橋梁的撓度、應(yīng)變等主要結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，傳感器單元將采集到的數(shù)據(jù)傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數(shù)據(jù)處理和存儲后，通過無線通信技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點， 網(wǎng)關(guān)節(jié)點可通過CDMA等方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心，并且系統(tǒng)可在異常情況下進行報警，監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到健康監(jiān)測的目的。

圖1 鐵路橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)

　　系統(tǒng)硬件電路

　　Imote2

　　Imote2搭載了一個強大的Marvell公司PXA271處理器芯片，并集成了德州儀器CC2420射頻芯片。與以往無線傳感器網(wǎng)路的平臺相比，Imote2提供了更多存儲資源，包括256kB的SRAM、32MB的SDRAM和32MB的Flash。Imote2從真正意義上打破了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺在計算能力和內(nèi)存方面的局限性，可以在數(shù)字圖像傳輸和工業(yè)震動監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。圖2為Imote2的系統(tǒng)組成。

圖2 Imote2的系統(tǒng)組成

　　Imote2包含處理器PXA271，該處理器可工作在低電壓(0.85V)和低頻(13MHz)模式，可進行低功耗操作。PXA271是多芯片模塊，即在一個封裝內(nèi)集成3個芯片：處理器、32MB FLASH以及32MB SDRAM。處理器提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器、A/D、射頻器等。處理器還包括多個定時器和一個時鐘。另外，PXA271處理器板還包含了一個無線MMX協(xié)處理器。增加了30條媒體處理器指令，支持隊列及視頻操作，并兼容Intel MMX和SSE integer指令。

　　Imote2接口板包含2個USB串口和1個JTAG接口，可通過高級接口連接到Imote2上。接口板可以通過mini–B USB接口連接到PC機上的USB口。JTAG接口是標準20針接口，兼容標準適配器。因此，可使用Marvell軟件開發(fā)工具套件及類似工具，為Imote2的閃存進行軟件開發(fā)、調(diào)試和重新編程。

　　Imote2節(jié)點平臺

　　由圖3可知，一個Imote2節(jié)點平臺包括應(yīng)變、加速度等各類傳感器、ADS1256、電源管理單元和Imote2節(jié)點。它們被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用Imote2強大的處理器對橋梁的撓度、應(yīng)變等主要結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，是整個系統(tǒng)的核心部分。

圖3 Imote2節(jié)點平臺硬件結(jié)構(gòu)

　　ADS1256與電容傳感器相連，Imote2分別與存儲器、電源模塊和ADS1256相連。電容傳感器和ADS1256是由電源管理單元供電的。對于電容加速度傳感器與ADS1256的連接，采用了單極輸入方式進行通信，將多個傳感器分別接于ADS1256的輸入端。ADS1256通過采用四線制(時鐘信號線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和偏片選線CS)SPI通信方式與Imote2連接進行通信。這里低噪聲、高精度的24位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和SPI接口技術(shù)以及電容傳感器的使用，使在數(shù)據(jù)采集過程中做到了精度高，測量范圍大，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

　　IRIS

　　在鐵路橋梁兩端的無線傳感器節(jié)點不需要強大的計算能力，但必須保持低功耗和以及足夠的無線傳輸距離。一直以來測量多個數(shù)據(jù)并且保持低功耗和以及足夠的傳輸距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩大軟肋，但可借助Crossbow最新推出的另外一款I(lǐng)RIS節(jié)點平臺，能夠提供低功耗和遠距離無線傳輸?shù)碾p重優(yōu)勢，無需煩惱于如何取舍功率和作用距離。

　　IRIS工作在2.4GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高三倍。在處理器和射頻平臺方面，XM2110基于ATmega1281處理芯片。ATmega1281是一款低功耗的處理器。在傳感器板方面，Crossbow為IRIS提供多種傳感器板和數(shù)據(jù)獲取板，并且都能夠通過標準51針擴展接口與其連接。

　　IRIS節(jié)點平臺

　　由圖4可知，一個IRIS節(jié)點平臺包括磁鋼傳感器，MDA300數(shù)據(jù)采集板，IRIS節(jié)點。傳感器通過IRIS提供的MDA300數(shù)據(jù)采集板與IRIS連接，MDA300提供8個ADC通道、8個數(shù)字通道以及I2C接口用于外接各類傳感器。

圖4 　IRIS節(jié)點平臺硬件結(jié)構(gòu)

　　它位于鐵路橋梁的兩端，當(dāng)有列車通過時，磁鋼傳感器就會自動采集和處理數(shù)據(jù)，處理完的數(shù)據(jù)由IRIS的射頻模塊進行無線傳輸，IRIS足夠的無線傳輸距離可以將開始或停止數(shù)據(jù)采集的信號發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終控制分散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域的Imote2節(jié)點平臺的數(shù)據(jù)采集時間。

　　軟件結(jié)構(gòu)

　　雖然多個操作系統(tǒng)支持Imote2，如TinyOS、Linux和SOS，但在Imote2傳感器節(jié)點上部署嵌入式Linux 既能體現(xiàn)通用操作系統(tǒng)的易于開發(fā)和移植的特性，又可以展示Linux自身對外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)支持良好的優(yōu)勢，有利于應(yīng)對不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，因此，選用Linux對Imote2進行應(yīng)用開發(fā)[9]。在對IRIS節(jié)點的操作系統(tǒng)支持方面，可運行TinyOS1.1.7或更高版本。

　　Imote2節(jié)點軟件

　　為了支持對Imote2進行應(yīng)用開發(fā)，必須建立相應(yīng)的交叉編譯環(huán)境，對于Imote2，為構(gòu)建交叉編譯環(huán)境所使用交叉編譯工具鏈，可以從handhelds.org 所提供的 arm-linux-gcc-3.4.1獲得。解壓并將其工具目錄bin添加到PATH環(huán)境變量之后，工具鏈就可以使用了。

　　Imote2并沒有可用的模擬器，因此，要將文件下載至目標板才能進行調(diào)試。不同于安裝Linux的過程，這里的下載由Imote2-Linux控制，下載的內(nèi)容保存于文件系統(tǒng)。

　　Marvell支持的開源項目PlatformX旨在為Imote2構(gòu)建Linux系統(tǒng)，最新發(fā)布版本包括二進制blob、zlmage、filesystem及源碼和補丁，安裝這些二進制文件便可在 Imote2上運行Linux操作系統(tǒng)。

　　IRIS節(jié)點軟件

　　TinyOS是美國的伯克利大學(xué)開發(fā)的，為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的源碼開放的操作系統(tǒng)，它運行在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，是其他上層應(yīng)用和協(xié)議運行的前提，TinyOS采用事件驅(qū)動的執(zhí)行機制，很好地滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的大量的并發(fā)操作;基于組件的架構(gòu)方式更加適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣性[10]。

　　結(jié)語

　　本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)，配合運用了Imote2和IRIS這兩款先進的無線傳感器節(jié)點平臺，在低功耗的前提下Imote2強大的處理功能和IRIS較遠的傳輸距離的優(yōu)勢，使整個系統(tǒng)具有功耗低、精度高等優(yōu)點。實驗數(shù)據(jù)表明，與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)相比，在功耗方面講降低35%以上。