摘要：介绍了一种根据3G无线传感的桥梁集群健康实时监测体系。体系将3G无线模块与ZIGBEE无线传感网络模块一致于AT91SAM9G20 ARM微处理器芯片，嵌入LINUX操作体系，规划了桥梁健康监测体系下位机体系。选用VC6．0软件，规划了桥梁健康监测中心上位机体系。在桥梁集群上80个收集点实践使用标明，该体系运转安稳，数据存储和无线传输安稳牢靠，可满意桥梁集群无线健康监测的需求。
关键词：3G；桥梁集群；健康监测；无线传感
桥梁是公路的咽喉，其安全问题是国内外极大重视的严重社会问题。长期以来，大跨度桥梁的安全检测一向以人工办法为主，传统人工检测办法存在主观性强、整体性差、时效性差等许多问题。根据有线网络的桥梁健康监测技能具有测验精度高、协议老练、实时性好等许多长处，但装置保护本钱高，布线困难，传输间隔受布线长度的约束。现有体系均针对单桥建造，难以完成多座桥梁之间的信息互通，各座桥梁之间表现为“信息孤岛”，不利于区域内多座桥梁结构监测的集中一致保护办理。
无线传感器网络是当时国内外科技领域的研讨热门，节点具有功耗低、体积小、智能化程度高级特色。将无线传感技能使用于桥梁健康监测，有利于整个监测体系的小型化、低本钱和智能化开展。现在，无线传感器针对桥梁健康监测方面的使用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人规划了根据TinyOS的无线传感器网络体系，并完成了对金门大桥结构健康的监测。Stanford的Jerome P．Lynch等人规划了一种无线组块监测体系(Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS)，并在美国Alamosa峡谷的大桥进行了实验。在上述使用中都组建了具有多跳路由的无线传感器网络，使用加速度传感器检测桥梁振荡数据，经过数据处理终究得到桥梁振荡的固有频率来判别桥梁的健康情况。
文中使用3G无线传感器网络技能，研讨并开发了根据无线传感器网络的集群式桥梁健康监测体系，可完成区域内多座桥粱的集中一致健康监测，为区域内多座桥梁的一致保护和办理决策供给根据和辅导。
1 体系结构
体系结构如图1所示。整个体系由无线传感层、TD网关层和中心操控层3层组成。其间，无线传感层为根据IEEE802．15．4协议的ZIGBEE无线传感网络，用以在被测区域内收集传感数据，并进行开始滤波处理。无线传感层收集的数据会聚到TD网关层，完成监测数据的本地短时存储和3G无线传输。该层的3G无线处理单元为根据ARM9的32位嵌入式体系，经过SPI总线和RS232总线别离衔接ZIGBEE模块和根据TD-SCDMA的3G无线模块，然后完成无线传感网络与3G无线网络的无缝对接。一起，在每个3G无线处理单元中，规划了2G的TIF卡存储空间，可完成收集数据的本地短期保存。中心操控层(桥梁集群健康实时监测中心)为根据TCP／IP协议，选用SOCKET服务器形式的中心机房，可完成对分布在较大区域内的多个桥梁健康状况数据收集子体系收集数据的接纳，长期存储、桥梁监测数据剖析、桥梁状况评价及寿数猜测等一系列杂乱功用。
2．1 3G无线模块相关电路规划
3G模块选用华为em560、em200、em770w模块系列、带TPC／IP协议的无线模块。该无线模块系列的3种产品，别离支撑TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G无线通讯技能，经过简略的模块替换，即可兼容不同格局的3G网络。体系支撑AT指令及增强AT指令，供给丰厚的语音和数据业务等功用。
ZIGBEE模块选用TI公司的CC2530模块。CC2530是用于2．4-GHz IEEE 802．15．4、ZigBee使用的片上体系(SoC)解决方案。它能够以十分低的总的资料本钱树立强壮的网络节点。CC2530结合了抢先的RF收发器的优秀功用，业界规范的增强型8051 CPU，体系内可编程闪存，8KB RAM等强壮的功用。
因为两种无线模块均经过RS232接口完成与主机的通讯，因而选用了SP3243E作为232电平的转化芯片。其接口电路如图3所示。图中左边所接电路为无线通讯模块的RS232接口，右侧电路接入AT91SAM9G20微处理器芯片串口1相关管脚。
2．2 体系通用IO接口电路规划
AT91SAM9G20接口功用丰厚，具有8路12位ADC、PWM输出以及多达9个外部中止。经过制造总线，最多可供给76个通用IO接口。
因为3G和ZIGBEE无线串口占用了16个通用IO接口，以及其它体系占用了部分接口，因而将P2口的P2．0到P2．31接口规划为32个通用数字I／O接口，经过简略的寄存器规划设置为16人、16出；将P3口的P3．0到P3．9接口设置为10路模仿输入接口。该种规划使得体系具有16路数字输入、16路数字输出和10路模仿信号输入的才能，成为一台具有丰厚I／O接口的通用测控渠道。通用IO接口框图如图4所示，在无线传感网络中，只要担任主节点的收集单元需求经过串口2以3G通讯的方法将数据发送到监控主机，担任从节点的收集单元只需求经过串口1将主节点数据发送到从节点。
3 体系软件构成
3．1下位机数据收集及通讯程序流程
下位机数据收集及通讯主要由两个部分构成：CC2530的间歇式收集和3G数据通讯。选用间歇式收集，一方面是因为CC2530在休眠时段的作业电流在微安级，可大大下降体系功耗，另一方面，桥梁健康监测数据大都为慢呼应，收集频率下降，可有用削减冗余数据。间歇式数据收集程序流程如图5(a)所示，3G通讯流程如图5(b)所示。
3．2 上位机程序结构及界面
在桥梁集群健康实时监测中心的上位PC机要具有数据的存储与处理、数据的可视化、物联网的办理功用。以Microsoft VC++6．0，sql Server 2000数据库为开发工具。整个体系选用C／S架构，普通用户能够进行数据的查询与可视化，权限用户能够进行传感器网络的办理。软件结构如图6所示。
监测中心软件主菜单界面、实时数据接纳与操控界面和参数剖析界面别离如图7、图8所示。
4 体系使用
该体系已成功使用于珠江水系上两座特大桥梁。在两座桥梁上总共装置了78个数据收集单元，经过无线网络完成各收集单元的数据互联。从使用成果看，体系运转安稳，数据存储和无线传输安稳牢靠。
图9为桥梁索力实时收集界面，图10为80个无线收集单元15天(21 600 mln)实践运转在线率计算成果。从图中可看出，除56号机因为装置在主梁邻近，经实践测验无线信号很弱的设备掉线时刻较长外，90％的无线数据收集单元在线率达90％以上，体系运转安稳牢靠。
5 定论
将3G无线模块与Z%&&&&&%BEE无线传感网络模块一致于AT91SAM9G20 ARM微处理器芯片，嵌入LINUX操作体系，规划了桥梁健康监测体系下位机体系。选用VC6．0软件，规划了桥梁健康监测中心上位机体系。在特大桥梁上80个收集点实践使用标明，该体系运转安稳，数据存储和无线传输安稳牢靠，可满意桥梁结构无线监测的需求。
