一种新型的高速铁路桥梁监测系统

  摘要：为了降低传统铁路桥梁监测系统功耗高，扩展性差的问题，设计了基于Imote2和IRIS无线传感器节点平台的桥梁监测系统。利用Imote2强大的数据处理功能和超低功耗特性，以及IRIS远距离无线收发的特点，控制由Imote2组成的无线自组织传感网络的数据采集时间，实现超低功耗的目的，并且应用CDMA无线通信技术，完成了桥梁的远距离监测。实验表明，在功耗方面比传统的监测系统降低了35%以上。

　　引 言

　　铁路桥梁在营运过程中不可难免会出现各种损伤现象，使得结构承受力与安全性降低。如今随着高速铁路在我国逐步普及，对高速铁路桥梁健康的在线监测提出了更为严格的要求。

　　高速铁路速度快，绝大多数铁路桥又都在野外，环境相对比较恶劣，因此，在线监测系统必须做到精度高、稳定性好，另外在恶劣的环境中，频繁地为数量巨大的节点更换电池不现实也不可能， 因而节点的能源供给都是一次性电池。这样，为了提高网络的使用寿命，高效能、低成本同样理所当然地成为节点设计的基本原则。

　　为了实现以上目标，通过对所用于该设计的硬件进行严格的挑选，最后采用了目前在国际上先进的MOTE(尘埃)技术，即Crossbow推出的Imote2和IRIS两款无线传感器节点平台，组成无线传感器网络(WSN)，对加速度、动振幅、挠度等参量进行在线监测。其最大特点就是节能，即使在没有交流电源的环境下，仅仅利用电池就可以实现长时间的数据采集与传输，能够满足对野外桥梁状态的实时监测需求。

　　桥梁监测系统

　　桥梁在线监测，即通过对桥梁结构状态的监测与*估，为桥梁在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号，分析*估桥梁使用寿命，并为桥梁的养护、维修与管理决策、验证桥梁设计理论、改进桥梁设计方法和相应的规范标准提供科学的依据。

　　桥梁在线监测系统一般应包括以下几部分内容。

　　● 传感系统。用于将待测物理量转变为电信号，而在选择传感器及二次仪表的类型和数量时，应根据建立桥梁在线监测系统的目的和投资规模来确定。

　　● 数据采集和处理系统。实现对多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对各种原始数据进行分解、变换以获取系统所需要的参数，并以一定的形式存储起来。

　　● 通信系统。将采集并处理过的数据传输到监控中心。

　　● 监控中心和报警设备。利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出*估，如发现异常，发出报警信息。

　　基于WSN的铁路桥监测系统

　　无线传感器网络(WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。

　　铁路桥梁与一般桥梁的最大区别在于铁路桥在大部分时间是没有列车通过的，因此为了铁路桥梁在线监测过程中尽可能地降低功耗，在没列车通过时，系统是不进行数据采集的。为此我们在铁路桥梁两端分别布置了一个IRIS传感器节点平台，当铁路桥梁一端有列车过来时，该节点平台发射信号给无线传感器网络网关节点，进而通知Imote2节点开始数据采集，当列车经过铁路桥梁另一端时，此处的节点平台又发送信号给无线传感器网络网关节点，控制Imote2节点停止数据采集，充分达到减少能耗的目的。

　　本文设计的铁路桥梁在线监测系统如图1所示：包括若干个Imote2传感节点，它们被大量布散在桥梁关键监测区域，它们通过无线信道相连，形成一个多跳的自组织网络系统，对桥梁的挠度、应变等主要结构的受力状态进行监测，传感器单元将采集到的数据传送给Imote2的处理单元，处理单元完成数据处理和存储后，通过无线通信技术转发给网关节点， 网关节点可通过CDMA等方式将监测数据送到监控中心，并且系统可在异常情况下进行报警，监测人员可随时了解桥梁运行情况，达到健康监测的目的。

图1 铁路桥梁在线监测系统[!--empirenews.page--]

　　系统硬件电路

　　Imote2

　　Imote2搭载了一个强大的Marvell公司PXA271处理器芯片，并集成了德州仪器CC2420射频芯片。与以往无线传感器网路的平台相比，Imote2提供了更多存储资源，包括256kB的SRAM、32MB的SDRAM和32MB的Flash。Imote2从真正意义上打破了无线传感器网络平台在计算能力和内存方面的局限性，可以在数字图像传输和工业震动监测等领域广泛应用。图2为Imote2的系统组成。

图2 Imote2的系统组成

　　Imote2包含处理器PXA271，该处理器可工作在低电压(0.85V)和低频(13MHz)模式，可进行低功耗操作。PXA271是多芯片模块，即在一个封装内集成3个芯片：处理器、32MB FLASH以及32MB SDRAM。处理器提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器、A/D、射频器等。处理器还包括多个定时器和一个时钟。另外，PXA271处理器板还包含了一个无线MMX协处理器。增加了30条媒体处理器指令，支持队列及视频操作，并兼容Intel MMX和SSE integer指令。

　　Imote2接口板包含2个USB串口和1个JTAG接口，可通过高级接口连接到Imote2上。接口板可以通过mini–B USB接口连接到PC机上的USB口。JTAG接口是标准20针接口，兼容标准适配器。因此，可使用Marvell软件开发工具套件及类似工具，为Imote2的闪存进行软件开发、调试和重新编程。

　　Imote2节点平台

　　由图3可知，一个Imote2节点平台包括应变、加速度等各类传感器、ADS1256、电源管理单元和Imote2节点。它们被大量布散在桥梁关键监测区域，它们通过无线信道相连，形成一个多跳的自组织网络系统，利用Imote2强大的处理器对桥梁的挠度、应变等主要结构的受力状态进行监测，是整个系统的核心部分。

图3 Imote2节点平台硬件结构[!--empirenews.page--]

　　ADS1256与电容传感器相连，Imote2分别与存储器、电源模块和ADS1256相连。电容传感器和ADS1256是由电源管理单元供电的。对于电容加速度传感器与ADS1256的连接，采用了单极输入方式进行通信，将多个传感器分别接于ADS1256的输入端。ADS1256通过采用四线制(时钟信号线SCLK、数据输入线DIN、数据输出线DOUT和偏片选线CS)SPI通信方式与Imote2连接进行通信。这里低噪声、高精度的24位模拟-数字转换器和SPI接口技术以及电容传感器的使用，使在数据采集过程中做到了精度高，测量范围大，灵敏度高，动态响应快，稳定性好等优点。

　　IRIS

　　在铁路桥梁两端的无线传感器节点不需要强大的计算能力，但必须保持低功耗和以及足够的无线传输距离。一直以来测量多个数据并且保持低功耗和以及足够的传输距离是无线传感器网络的两大软肋，但可借助Crossbow最新推出的另外一款IRIS节点平台，能够提供低功耗和远距离无线传输的双重优势，无需烦恼于如何取舍功率和作用距离。

　　IRIS工作在2.4GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议，具有更广的作用范围，传输距离较以往产品提高三倍。在处理器和射频平台方面，XM2110基于ATmega1281处理芯片。ATmega1281是一款低功耗的处理器。在传感器板方面，Crossbow为IRIS提供多种传感器板和数据获取板，并且都能够通过标准51针扩展接口与其连接。

　　IRIS节点平台

　　由图4可知，一个IRIS节点平台包括磁钢传感器，MDA300数据采集板，IRIS节点。传感器通过IRIS提供的MDA300数据采集板与IRIS连接，MDA300提供8个ADC通道、8个数字通道以及I2C接口用于外接各类传感器。

图4 　IRIS节点平台硬件结构

　　它位于铁路桥梁的两端，当有列车通过时，磁钢传感器就会自动采集和处理数据，处理完的数据由IRIS的射频模块进行无线传输，IRIS足够的无线传输距离可以将开始或停止数据采集的信号发送给无线传感器网络的网关节点，最终控制分散在桥梁关键监测区域的Imote2节点平台的数据采集时间。

　　软件结构

　　虽然多个操作系统支持Imote2，如TinyOS、Linux和SOS，但在Imote2传感器节点上部署嵌入式Linux 既能体现通用操作系统的易于开发和移植的特性，又可以展示Linux自身对外设和网络支持良好的优势，有利于应对不同无线传感器网络应用的需求，因此，选用Linux对Imote2进行应用开发[9]。在对IRIS节点的操作系统支持方面，可运行TinyOS1.1.7或更高版本。

　　Imote2节点软件

　　为了支持对Imote2进行应用开发，必须建立相应的交叉编译环境，对于Imote2，为构建交叉编译环境所使用交叉编译工具链，可以从handhelds.org 所提供的 arm-linux-gcc-3.4.1获得。解压并将其工具目录bin添加到PATH环境变量之后，工具链就可以使用了。

　　Imote2并没有可用的模拟器，因此，要将文件下载至目标板才能进行调试。不同于安装Linux的过程，这里的下载由Imote2-Linux控制，下载的内容保存于文件系统。

　　Marvell支持的开源项目PlatformX旨在为Imote2构建Linux系统，最新发布版本包括二进制blob、zlmage、filesystem及源码和补丁，安装这些二进制文件便可在 Imote2上运行Linux操作系统。

　　IRIS节点软件

　　TinyOS是美国的伯克利大学开发的，为嵌入式无线传感器网络而设计的源码开放的操作系统，它运行在每个网络节点上，是其他上层应用和协议运行的前提，TinyOS采用事件驱动的执行机制，很好地满足了无线传感器网络中存在的大量的并发操作;基于组件的架构方式更加适应无线传感器网络应用的多样性[10]。

　　结语

　　本文提出的基于无线传感器网络的铁路桥梁在线监测系统，配合运用了Imote2和IRIS这两款先进的无线传感器节点平台，在低功耗的前提下Imote2强大的处理功能和IRIS较远的传输距离的优势，使整个系统具有功耗低、精度高等优点。实验数据表明，与传统的桥梁监测系统相比，在功耗方面讲降低35%以上。