（测试计量技术及仪器专业论文）桥梁结构健康无线传感网络监测系统设计与优化.pdf

摘要 摘要 桥梁建筑在使用运行时，由于材料性能随着时间推移而老化，以及 外界自然因素和人为因素影响，导致桥梁结构安全性能下降，使得桥梁 结构健康状态的监测成为一项重要而紧迫的工作。随着集成电路、无线 通信、传感器以及m e m s 系统等技术飞速发展，无线传感网络( w s n ) 技 术已得到包括土木工程领域科研人员的广泛关注。如何将无线传感网络 应用于桥梁结构健康监测己成为国内外工程和学术界的研究热点。针对 实际工程需要，本文采用无线传感网络用于桥梁结构健康监测系统，对 系统进行设计，提出相应的算法，并进行了优化。本文的主要研究内容 如下： 1 讨论了桥梁结构健康监测的特殊性以及无线传感网络在桥梁结 构健康监测中的应用优势和存在的问题。 2 提出了一种基于m i c a 系列的无线传感器网络的新型桥梁结构健 康监测系统设计方案。系统由本地无线传感器网络和远程监控系统构成， 具有无线通信、分布式数据采集与处理能力。无线传感器网络的自组织 与协作能力，使整个系统在部分网络失效时仍能克服这部分损失，保障 网络其他节点信息采集与传输，不至于因某部分失效而使系统整体瘫痪。 3 对m i c a 系统无线传感网络节点中所采用的t in y o s 分布式无线传 感网络操作系统特性以及该系统链路质量评估算法进行了分析，并针对 工程实际应用中大规模无线传感网络链路质量易受环境干扰导致链路质 量波动频繁、当前链路评估器无法合理评估链路质量的问题，提出链路 质量评估改进算法，最后建立链路质量仿真模型，并对改进算法进行仿 真分析。仿真结果分析表明，改进算法取得了更好的平衡。 关键词：桥梁结构健康监测；无线传感网络；链路质量评估； 广东工业火学硕十学位论文 a bs t r a c t t h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fi t so w na g i n go v e rt i m ed e c r e a s e d ，a n d o u t s i d et h en a t u r a lf a c t o r sa n dh u m a nf a c t o r s ，l e a dt ot h eb r i d g es t r u c t u r a l l y s a f ep e r f o r m a n c er e d u c t i o n t h e r e f o r e ，b r i d g es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g i sa ni m p o r t a n ta n du r g e n tw o r k a tp r e s e n t ，t h a n k st oi n t e g r a t e dc i r c u i t s ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s e n s o ra n dm e m st e c h n o l o g ys y s t e m ss u c ha s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) h a sb e e nt h ef i e l d o fs c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l ，a c c t r a c t i n gc i v i le n g i n e e r i n go fs p e c i a l a t t e n t i o n h o wt oa p p l yt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st e c h n o l o g yi nb r i d g e s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gh a sb e c o m et h ee n g i n e e r i n ga n da c a d e m i c a t t e n t i o na th o m ea n da b r o a d a sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st e c h n o l o g yf o r b r i d g es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n ga c t u a lp r o j e c tn e e d s ，i nt h i sp a p e r ，w e d e s i g nab r i d g e ss t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gb a s e do nw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r ko fw i t ha l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i s a r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 d i s c u s s e dt h es p e c i f i c i t yo fb r i d g e ss t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n ga n d a p p l i c a t i o na d v a n t a g e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h eb r i d g es t r u c t u r a l h e a l t hm o n i t o r i n ga sw e l la sp r o b l e m se x i s t i n g 2 w ep r e s e n tab r i d g es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g nb a s e d o nt h em i c aan e wt y p eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h ew h o l es y s t e mb y al o c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m sa n dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m c o n s i s t so faw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，d i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gc a p a b i l i t ie s w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ks e l f - o r g a n i z a t i o na n d c o l l a b o r a t i o ns ot h a tt h ew h o l es y s t e mn e t w o r km a n a g e dt oo v e r c o m et h i s l o s s ，t op r o t e c to t h e rn e t w o r kn o d ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ， n o tb e c a u s eo fac e r t a i np a r to fo v e r a l ls y s t e mf a i l u r ea n dp a r a l y s i s 3 a n a l y s i so ft i n y o su s e di n d i s t r i b u t e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k o p e r a t i n gs y s t e mf e a t u r e sa sw e l la st h el i n kq u a l i t ya s s e s s m e n ta l g o r i t h m n a b s t r a c t u s e db yt h et i n y o s ，f o rt h ep r o b l e mt h a tl i n kq u a l i t ya s s e s s m e n tc a nn o t g i v e r e a s o n a b l er e s u l tb e c a u s et h el i n k q u a l i t y i sv u l n e r a b l et o e n v i r o n m e n t a li n t e r f e r e n c ew i t hl a r g e s c a l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki n p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gw ep r o p o s et oi m p r o v et h el i n kq u a l i t y a s s e s s m e n ta l g o r i t h ma n de s t a b l i s hl i n kq u a l i t ys i m u l a t i o nm o d e lf o rl i n k q u a l i t ya s s e s s m e n ta l g o r i t h ma n a l y s i s a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w s t h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h ma c h i e v e dab e t t e rb a l a n c e k e y w o r d s ：b r i d g es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， l i n kq u a l i t ya s s e s s m e n t i i i 广东t 业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并 表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 物乡 磊诺 艰缚 2 d 口c 7 年，月午日 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 随着经济建设和我国工程建设的迅猛发展，在桥梁工程建设中，新 结构、新材料、新工艺不断涌现，是桥梁设计施工技术得到了长足的发 展，大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化，同时， 桥梁荷载也在不断的加大。桥梁在使用运行阶段，自身结构材料自身性 能会随着时间推移而老化下降，同时也经受着外界的自然因素和人为因 素的影响而使其结构安全性能下降，如：强风、地震、车辆超载等。据 相关资料显示，在英国调查的2 0 0 座混凝土公路桥中，大约3 0 的桥梁运 营条件不良；美国的6 0 万座桥梁中，约有3 3 的桥梁不符合要求，2 5 的 桥梁有结构缺陷，美国每年桥梁投资约9 0 用于更新维修旧桥，只有1o 用于新建桥梁；在印度，大约1o 的公路桥梁需要替换，还有10 的桥梁 有损伤迹象【l 】。我国各式桥梁中，不少桥梁由于使用年限较长，设计承 载标准偏低，超载车辆现象突出，导致主要承重结构发生位移、沉降、 裂缝、混凝土菠萝、钢筋锈蚀、屈服和断裂等病害，已经难以适应当前 交通运输需求，抵抗自然灾害以及人为损害的能力显著降低，安全问题 突出。桥梁建筑是国家重要的基础设施，桥梁的健康状态涉及到人民群 众的生命财产安全，桥梁倒塌恶性事故发生将造成人民生命财产的重大 损失和不良社会影响。当前对于桥梁结构的检查主要还是采用传统的定 位检查方式，这种方式的检查间隔时间往往是一年以上。这样的检查方 式无法做到对桥梁结构健康状况的实时监测，不能在桥梁发生异常情况 时及时准确的报警。因此，对于桥梁结构健康状态的监测是一项重要而 紧迫的工作，这就要求必须桥梁监测系统能够提供及时而准确的信息。 无线传感器网络强调无线通信、分布式数据采集与处理的传感器网络， 在结构健康监测应用能够利用大量的传感器节点，增强系统的容错性， 并且各个无线传感器节点集成了多种类型的传感器，增强了系统整体的 检测能力，通过分布式数据处理，即传感器节点在局部进行协同计算， 广东工业人学硕上学位论文 并只将用户需求和部分处理过的数据进行传送，减少了数据传送量，提 高了系统数据传输的实时性和准确。由于去掉了原有连接设备，有效的 降低了安装和维护费用。本文对无线传感网络技术在桥梁结构健康监测 中的应用进行了详细的研究，分析了目前无线传感网络在桥梁结构健康 监测应用中的不足。 1 。2 桥梁结构健康监测系统发展概况 目前，对于结构的实时监测正在国内外兴起，成为土木工程领域的 一大研究热点，对于桥梁结构健康监测，国外发展较早，目前已经在世 界各地的桥梁上建立的桥梁结构健康监测系统，并取得了_ 一定成果。 在国外，英国比较早的开展了这方面的工作，8 0 年代后期，北爱尔 兰的新f o y l e 桥安装了长期监测仪器和自动数据采集系统，用来校验大 桥的设计、测量和研究车辆、风和温度荷载对大桥结构的影响。其他国 家相继在一些新建或改建桥梁和既有大型桥梁建立了结构健康监测系 统。其中比较有代表性的有： 韩国在s e o h a e 桥、y o u n 自o n g 桥建成后分别安装了结构健康监测系 统，s e o h a e 桥安装的各类传感器数量达到12 0 个，而y o u n 西o n g 桥安装 数量达到3 8 0 个【2 1 。 19 9 8 年建成与英国的f l i n t s h i r e 桥，在施工和运营过程中的安全， 工程技术人员在该桥上部署了一套长期结构健康监测系统【3 】。 在丹麦，c o w l 公司为g r e a tb e l te a s t 桥上设计了一套多达10 0 0 个 传感器的监测系统。该系统能够监测桥梁各结构的振动加速度、应力、 位移以及环境相关参数【4 ，5 1 。 加拿大在全长12 9 k m 、建于海上的4 5 跨预应力混凝土箱梁 c o n f e d e r a t i o n 桥上实施的一套综合监测系统，以便对桥梁在冰荷载作用 下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷载组合、风和地 震荷载作用下的动力响应和环境对桥。该系统所用各类传感器总数达到 7 4 0 个【6 ，7 1 。 美国加州大学伯克利分校的s u k u nk i m 等人将最新的无线传感网络 技术应用到桥梁结构健康监测系统中，并在美国金门大桥上部署了一套 2 第一章绪论 由6 4 个无线传感网络节点构成的健康监测系统，成功地获取了丰富的监 测数据，对无线传感网络在桥梁结构健康监测应用进行了有益的探索 s l 。 国内，对于桥梁结构健康监测的研究起步较晚，但经过不断发展， 国内先后已有4 0 座桥梁安装或即将安装结构健康监测系统1 9 】。其实比较 具有代表性的有： 中南大学与上海铁路局合作在南京长江大桥建成了健康监测系统， 应用了15 0 多个各类传感器，在健康监测中首次提出监测系统本身维护的 重要性，并根据南京桥实际情况进行了有益探索，其经验对其它大型桥 梁结构健康监测系统具有重要的参考价值1 0 】。 19 9 8 年，香港路政署在香港青马桥、汲水门桥和汀沈桥“风和结构 健康监测系统，( w a s h m s ) 。并在2 0 0 1 年1 月建成g p s 桥梁变形监测 系统，该系统拥有g p s 监测站，风速计、气象传感器、动力测量系统、 加速度计、位移传感器、应变标尺和水平仪等传感器共7 9 0 个左右【1 0 1 1 】。 黄尚廉院士团队与2 0 0 3 年4 月在大佛寺长江大桥建立了结构健康监测系 统。该系统成功的融合了多参数测量系统，实现了大型桥梁的静力学、 动力学参数的远程在线自动监测，实现了大型桥梁的静力学、动力学参 数的远程在线自动监测；系统经历了一年的运行考验，工作正常；收集 到了大量的测量数据【12 1 。 另外，为了提高天津永和大桥的安全性和可靠性，延长桥梁的使用 寿命，殴进萍院士以及王江、李宏伟等人在该桥建立了健康监测系统。 这套系统包括：环境监测子模块、变形监测子模块、应变( 应力) 监测 子模块、斜拉索力监测子模块、结构整体性能监测子模块和动态车辆荷 载监测子模块。并且采用了b s 3 层分布式体系结构，实现了桥梁结构健 康远程监控【13 1 。 1 3 无线传感网络研究和应用概况 2 0 0 3 年，美国技术评论杂志曾评出对人类未来生活产生深远影 响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。在不久的将来，无线 传感器网络的发展和广泛应用将对人们的生产生活带来深远的影响。 无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) n 最初来源 广东t 业大学硕 学位论文 于美国先进国防研究项目，研究主要来自美国军方和国家自然科学基金 资助的一些项目。经过这些年的不断研究发展，无线传感网络已经得到 世界各国包括军事、工业、工程等社会各界的普遍关注。其中，比较有 代表性的研究有： 19 9 3 年开始的w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r ) 无线集 成网络传感器项目，由美国加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 和罗克韦尔 自动化中心( r o c k w e l ls c i e n c ec e n t e r ) 工程承担开发工作，项目资助来 自美国国防高级研究计划局和美国陆军研究实验室。该项目研究了无线 传感网络设计的各个方面包括：m e m s ( m ic r o e 1e c t r o m e c h a n is m s y s t e m ) 技术、通信芯片电路设计、信号处理，组网协议以及传感检测 的基础理论研究。 19 9 6 年开始的由m i t 承担的肛a m p s ( m i c r o a d a p t i v em u l t i d o m a i n p o w e ra w a r es e n s o r s ) 项目，旨在针对商业和军事领域都开发出一套完整 的面向低功耗需求的无线传感器网络系统。目前，已经开发出p a m p s i i 。 能应用在安全设备、医疗监控到机器诊断和生化检测各个方面。 1 9 9 8 年，在美国国防部高级研究计划局的资助下，美国加州大学伯 克利分校开始了智能微尘( s m a r td u s t ) 项目研究，智能微尘作为以无 线方式通信的超微型传感器，具有低成本、低功率的特点n6 1 6 3 。同时， 加州大学伯克利分校还开发出了针对无线传感网络的操作系统t i n y o s 以及编程开发语言n e s c ，并推出了基于t i n y o s 的微尘( m o t e s ) 无线传 感网络节点，它是目前已经成功进入商业化的产品之一，t i n y o s 是一款 自由和开源的基于元件( c o m p o n e n t b a s e d ) 的操作系统和平台，它主要 针对无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 。t i n y o s 是用n e s c 程序编写的嵌入式操作系统，其作为一系列合作项目的结果，m o t e s 发 展到现在，已经通过c r o ss b o wt e c h n o lo g ie s 等公司推出了 m ic a ，m ic a 2 ，m jc a 2 d o t 三种商业产品。目前，关于无线传感网络的大部 分科研和演示系统都是以m ic a 为平台。 结构监测领域的无线传感技术研究始于l9 9 6 年，s t r a s e r 和 k i r e m i d j i a n 提出在结构健康监测系统的传感器上安装无线通讯元件，实 现无线数据传输。系统工作流程主要是由模拟传感器检测出信号，然后 4 第一章绪论 通过a d 转换器转换成数字信号，内部的8 位微控制器进行信号处理， 最后由无线发射模块将数据发送到接收端n 7 | 。 j p l y n c h 所在团队于2 0 0 1 年提出了一款概念性产品。该套产品最 大特点是利用了m e m s 技术，安装了a d x l 2 1o 加速度传感器，它可以提供 1 4 位的数字信号输出，处理器使用最大1k h z 的采用率对a d x l 2 1 0 进行 采样。2 0 0 4 年，j p l y n c h 等人提出在无线传感器内部增加产生激励作 用的单元，这种传感器可以发射激励信号，然后对激励产生的响应进行 接收n7 1 8 1 。 美国加州大学伯克利分校与c r o s s b o w 公司合作，在旧金山金门大 桥部署了基于m o t e 无线传感网络的健康监测系统。用来监测桥体在风力 作用下的各个关键受力点的振动状况，整体数据建模后就可以分析出桥 体受损老化严重的部分，从而进行有针对性的修补。 在国内一些大学和科研单位已经对无线传感技术用于土木结构健康 监测领域展开研究。欧进萍院士，已经将无线传感网络应用于结构健康 监测系统中，自主开发了无线应变采集传输系统，并且在渤海j z 2 0 - 2 m u q 平台的仿真模型上完成了无线传感实验n 们。 1 4 存在的问题 桥梁结构健康监测是一套综合系统，它涉及到传感器技术、网络数 据传输技术、信号处理技术以及结构分析与结构检测技术。，目前，桥梁 结构健康监测系统的应用还存在一些难点，如传感器精度、系统数据传 输实时性和准确性，以及对于数据的分析和压缩存储的问题还有待进一 步研究。目前世界上专门用于桥梁结构健康监测系统的无线传感网络整 体水平还处于实验室研究阶段。在我国，用于桥梁结构健康监测的无线 传感网络技术处于起步阶段。由于桥梁属于大型结构，无线传感网络部 署在这样大型结构上，将会造成无线传感器节点数量大大超过实验室内 的规模，并且由于节点暴露在恶劣环境中，节点间通信受到极大的干扰， 导致数据链路质量波动频繁，大量节点导致了巨大的通信量，而繁琐的 握手机制又产生了大量额外的通信，这些都会使链路质量评估器无法对 链路质量做出合理的评估，造成路由变动过于频繁，导致整个网络路由 广东丁业大学硕十学位论文 层的崩溃f 8 】。对于桥梁结构健康监测来说，传感网络的崩溃将是灾难性 的，整个监测系统将由于前段无法将传感数据有效的传送到监控端，而 无法正常工作，不能及时有效的对桥梁结构的健康状态进行监测。因此， 必须对链路质量评估算法进行改善，使之能适应桥梁结构这一特殊应用 环境，即温差大，湿度大，机械振动，自然和人为电磁干扰严重。链路 质量评估算法必须能及时反应出链路质量的重大变动，同时当链路质量 小幅波动时，又能做出稳定的评估。这样才能保证为路由层提供稳定而 可靠的链路质量评估值，帮助路由层选择一条高质量的通信链路，保证 网络的畅通。 1 。5 主要研究内容 1 本论文讨论了无线传感网络在桥梁结构健康监测中的应用优势 以及存在的问题。对t in y o s 分布式无线传感网络操作系统架构、内核任 务调度机制以及m o t e 系列无线传感网络节点硬件特性进行了深入研究， 并结合桥梁振动监测的实际应用需要设计了一套基于m o t e 无线传感网络 的桥梁结构健康监测系统，该系统以m o t e 无线传感网络作为目标检测和 数据无线传输的前端子系统，后台利用基于虚拟仪器开发平台l a b v i e w 自主开发监控终端程序进行监控，并利用b s 架构实验的远程桥梁监控。 2 对目前常用无线传感网络在桥梁这种特殊结构应用中出现的路 由层崩溃现象原因从实际应用外部环境以及传感器节点硬件特性进行了 讨论，针对当前链路质量算法无法适应大规模无线传感网的链路质量频 繁波动这一问题提出了改进算法，并对改进后的评估算法进行仿真分析。 仿真结果证明改进后的算法有效的提高了评估结构的准确性，提高了数 据链路评估器在实际应用中抗干扰能力。最后讨论了今后的研究方向。 6 第二章传感网络桥梁躲测 第二章传感网络桥梁监测 本章首先介绍了无线传感网络技术体系结构组成；并详细介绍了 t i n y o s 这一开源的无线传感网络操作系统，分析了所采用的路由机制以 及数据链路质量评估算法。然后介绍了桥梁结构健康监测的基本概念， 系统构成，最后分析了无线传感网络在桥梁结构健康监测中的应用特点。 2 1 无线传感网络 2 1 1 传感网络分类 目前，作为研究热点的无线传感网络属于传统意义上的第四代传感 器网络。传感器网络经历了四个发展阶段： 第一代传感器网络兴起于2 0 世界7 0 年代，主要采用点对点的数据 传输方式，只具有简单的环境感知和信息获取能力，初步实现了信息的 单项传递，其缺点是布线复杂，而且由于传输的是模拟信号，抗干扰能 力差。 第二代传感器网络在第一代传感器网络的基础上提升了信息获取能 力，具有获取多种信息的综合能力，常采用串并接口与传感控制器连接。 第三代传感器网络发展于2 0 世纪9 0 年代后期，涌现出大量采用现 场总线连接控制器的智能传感器，并且能够组成现场局部网络，其局部 测控网络通过网管和路由器可以实现与i n t e r n e t i n t r a n e t 连接。 第四代传感器网络在显著的特点是以无线传感网络为标志，目前正 处于研究和开发阶段【2 0 1 。无线传感网络作为第四代传感网络发展的研究 热点得益于集成电路、传感器以及微机电系统 ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n is ms y s t e m ，简称m e m s ) 等技术的飞速发展。更 小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了传统台式计算 机和高性能服务器的设计模式心，使得大规模设计制造和部署低成本、 低功耗、多功能的微型无线传感器有了可能。无线传感网络的拓扑结构 可描述为：由基站( b a s es t a tio n ) 和大量的分布在被测区域的无线传感 7 广东工业人学硕士学位论文 器节点，透过星形或是树形结构组织起来的传感网络。传感网络中的每 个传感器节点都包括检测、数据预处理、能源管理和通信模块这四个基 本模块组成。根据检测目的的不同，传感器节点可装配一种或多种不同 的传感元件，达到同时检测不同物理量的目的。 2 1 2 无线传感网络体系结构 无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。一个典型的无线 传感器网络，通常包括传感器节点、网关和服务器。传感节点散布在观 察区域内可采集与观察对象相关的数据并将协同处理后的数据传送 到汇节点，汇节点将所有信息汇集并传送给信息终端瞳2 23 1 。如图2 1 所示 传感网络 传感 图2 1 无线传感网络系统 f i g2 - 1w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss y s t e m w s n 网络体系结构可以分为分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应 用支撑技术3 部分心引。与t c p i p 的协议体系结构类似，分层的网络通信协 议包含物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层。网络管理技术包括 能量管理、移动管理、拓扑管理、o o s 管理及网络管理等功能。应用支 撑技术包括定位和时间同步两个子层心引，如图2 2 。 8 第二章传感网络桥梁监测 上层应用 时 间 同 步 q o s 茬雨 i 扑l 能 量 安 全 移 动 物理层 网 络 管 理 图2 2 无线传感网络体系结构 f i g2 - 2w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 2 1 3tin y o s 以及n e s t 1 t i n y o s 特点和体系结构 t i n y o s 操作系统是美国加州大学伯克利分校专为嵌入式系统开发 的微型操作系统。t in y o s 是一个小型、开源、节能的软件操作系统，并 且提供了一系列获得和处理传感器数据和通过无线传输信息的服务程 序，支持大规模和白组织性传感器网络心6 l 。这个系统不同于传统意义上 的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一组必要的组件， 就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。由于这些特点，t i n y o s 在 世界范围内的无线传感网络领域被众多开发者研究应用，移植到多种平 台和传感器模块上。 t in y o s 以通信为核心进行设计并采用模块式软件模型，引入事件 ( e v e n t ) 驱动执行模式和基于组件( c o m p o n e n t ) 的软件设计，即使使用少 量r o m 的情况下也能支持高度并发处理、复杂协议和算法，具有高效的 系统性能。这使得t in y o s 胄g 够在无线传感器网络资源受限、功耗低和操 作鲁棒性的要求下能很有效地运行。 整个t in y o s 操作系统由一个调度器和一些组件组成，编译时应用程 序与组件一同编译。在节点上运行的系统，连同硬件一起，由上向下可 分为m a in 组件，应用组件，系统组件，硬件抽象层，底层硬件实体，体 系结构图如下。高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报 告事件。调度器具有两层结构，第一层负责管理命令和事件，负责响应 硬件中断，对组件的状态进行处理；第二层负责管理任务，当组件状态 处理工作完成后，任务才允许任务被调度。t in y o s 的组件层次结构就 9 制一 一路控一由一链输一路一据 传一 一数 广东t 业大学硕十学位论文 如同一个网络协议栈心7 】，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位， 而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据 打包、路由和传输数据心8 1 ，如图2 - 3 。 图2 - 3t i n y o s 体系结构 f i g2 3t i n y o sa r c h i t e c t u r e 2 t i n y 0 s 内核任务调度机制 t in y o s 提供任务加事件的两级调度，如图2 4 所示。任务一般用于对 时间要求不高的应用中，它实际上是一种延迟运行机制。任务之间互相 平等，任务间互不抢占，即任务一旦运行不可中断，当任务主动放弃c p u 使用权时下一个任务才能获得运行，任务之间没有优先级之分，调度采 用简单的f i f o 。实际上t i n y o s 是属于不可剥夺型内核操作系统的一种 乜9 3 们。而事件( 一般由中断引起) 可抢占。t in y 0 s 把一些实时要求性不高 的代码，即不需要在中断服务程序中的，封装成任务函数，在中断服务 程序中将任务函数地址放入任务队列，退出中断服务程序后由内核调度 执行，这样降低了中断处理过程的复杂性，减少了中断服务程序的运行 时间，提高了系统中断响应速度。内核使用一个循环队列来维护任务列 表。在默认情况下，任务列表大小为8 。任务事件的调度过程如t i n y o s 任务调度过程图所示。当任务队列为空时，系统自行进入极低功耗的休 眠模式。当被事件触发后，在系统中所有与发出信号的事件有关的任务 被迅速处理。当这个事件和所有任务被处理完成，未被使用的c p u 再次被 置于睡眠状态而不主动等待下一个主动事件他8 | 。 1 0 # = # 感镕桥梁监剽 图2 - 4t i n y o s 任务调度过程 f i g2 - 4t i n y o st a s ks c h e d u l i n gp r o c e s s 3n e s c 语言 t in y o s 最初才用汇编和c 语言编写，由于c 语言不能方便、有效的支 持面向无线传感器网络应用的操作系统开发。为此科研人员经过研究对 c 语言进行了扩展并提出了支持组件化编程的n e s tr c l a n g u a g e f o r n e t w o r ke m b e d d e ds y s t e m s ) 语言。 s c 语言基本思想如下： 程序构造机制和组合机制的分离。整个程序由多个组件( c o m p o n e n t ) “组装”( w i r e d ) 而成。组件定义了两种范围，一个是用于接口定义的描 述( 包含它们的接口请求名称) ，另一个用于其实现定义的范围。组件可 广东工业大学硕十学位论文 以以任务( t a s k ) 形式存在，并且具有内在并发性。控制线程可以通过 它的接口进入个组件。这些线程产生于一个任务或硬件中断。根据接 口的设置说明组件功能。组件的行为规范由一组接口来定义。接口由组 件提供或被组件使用。组件提供给用户的功能由它所提供的接口体现， 而被组件使用的接口其实就是该组件完成特定任务所需要的由其他组件 提供的功能一2 | 。 2 1 4min t r o u t e 路由协议 m in t r o u t e 路由协议采用最短路径优先的原则，最短路径特指从源节 点到基站( s in k ) 节点方向上的数据链路，具有方向性。每一个节点都保 存有一张记录当前一个可达邻居节点的父节点信息、链路估价等信息的 邻居表，并且定期更新。父节点是通信代价最低的下跳节点，具有距离 基站路径最短以及链路质量好的特点。当节点需要转发一个报文时，只 要将报文发送给当前父节点即可，如此循环传递，报文最终到达基站。 m in t r o u t e 路由机制的核心是邻居表内信息的周期更新和父节点的 定期选举。主要有三个步骤： 1 更新邻居表：周期性触发做一次邻居表项的更新计算。路由更新 报文发送时间由t im e r c 的时钟设定 2 父节点选举：算法在遍历邻居表项的过程中根据每个表项的发 送和接收代价计算出该表项的链路代价和总代价。通过遍历，找出邻居 表中具有最小总代价的表项。并将该表项所指向的邻居节点作为本地节 点新的父节点 3 发送邻居表更新报文：更新报文中存放了新父节点id 、总代价以 及所有有效邻居表项的id 、r e c eiv e e s t 的二元组信息。其中，id 是邻居 节点的标识符，r e c e i v e e s t 是对该邻居节点的接收估价。当一个节点收 到邻居的路由更新报文后即更新本地邻居表项中相应的父节点信息最 后用二元组中的接收估价更新邻居表中的发送估价【33 1 。 1 2 第二章传感网络桥梁监测 2 1 5 链路质量评估原理 在无线传感网络中，链路层的质量估计直接影响到拓扑控制和通信 协议的设计。随着传感器网络规模的增大，链路变化频繁导致连接失效。 低功率的无线射频通信由于信道噪声，多跳路由，环境变化，失效等因 素，有高度的不稳定性。从单个节点来看，它能听到的邻居节点数和它 与其他节点间链路的丢包率会随位置和时间明显变化。由于收包率在实 际应用中变化非常剧烈，导致这种变化很难预测。目前，公认的处理方 法是把无线连接质量看作一个统计量，并根据通信过程中链路收包成功 率作为质量评判标准，即a 节点接收到b 节点的数据包数量与b 节点发送给 a 节点数据包总数的比值4 l 。而链路质量评估器则是要根据这中比值对当 前链路质量做出合理的评估。链路评估器要足够灵敏，能及时检测出无 效链路，以便上层及时更新邻居表；但同时，链路变化过渡过程中，网 络重新稳定的时间要尽量短，这样要求链路估计器能迅速达到稳定。下 面详细说明这一过程。 首先，假设a 节点每次收到数据包时都会触发的事件为m 事件，同时 每当间隔一段固定的时间段t ，则触发t 事件，设置t 事件触发机制是为了 放置链路评估器无限时的等待m 事件。a 、b 节点约定包发送速率为r 。则 丢失的数据包数量可以根据前后两次数据包的所包含的序列号计算得 出，那么也就可得到这两侧m 事件之间的数据包接收成功率。而当t 事件 触发时，丢包数量n ，可以根据式( 2 1 ) 计算得到。链路质量评估器工作原 理见图2 5 。 n = r t s ( 2 1 ) 评估器输出 评估器输出 图2 5 链路质量评估器工作原理 f i g2 5l i n kq u a l i t ya s s e s s m e n tw o r k i n gp r i n c i p l e 通常，认为在某一理想环境状态下链路质量应该是相对稳定的，即 广东t 业大学硕一 学位论文 在不同的环境状态下，成功收包率应该是稳定在不同值。从而可以通过 成功收包率判断当前的链路质量是否达到通信要求。但成功收包率是个 统计值，这样会造成利用成功收包率来反映的链路质量要比实际情况缓 慢。举例来说，当链路中某个节点突然损坏或是人为的取走后，则实际 上该节点与其他节点之间的链路不存在了，而由于成功收包率统计量中 含有以前的收包率数据，所以此时，成功收包率并不会迅速降到0 。这样 迟钝的反映对上层路由选择合适的链路造成了严重的错误指导。为了对 链路质量评估器的性能进行定量研究，需要两个参数：稳定时间和突破 时间。稳定时间是指收包率发生跳变时，从跳变开始到收包率稳定在下 一个值的e 内且不再超出的这段时间。突破时间是指收包率跳变开 始到收包率首次突破当前稳定值的e 的这段时间。这里去= 10 。这 两个参数反映了链路评估器的稳定性和灵敏性。 经典的e w m a ( 指数加权滑动平均) 链路评估算法在稳定性和灵敏性 之间取得了较好的平衡，后来w m e w m a ( 窗口指数加权移动平均) 链路质 量评估算法等也都是在次基础上发展而来的。下面介绍e w m a 算法。 根据指数加权滑动平均算法思想，假设i 时刻链路质量评估值为 p e ( i ) ，则根据式( 2 2 ) 可得链路评估值。 p e ( 0 = a p e ( i 一1 ) + ( 1 一a ) p ( i ) ( 2 2 ) 其中，a ( 0 ，1 ) 为历史因素与当前因素的权值； p ( i ) 为当前成功收包率，成功是p ( i ) = 1 ，失败时p ( i ) = 0 ； 那么假设基于m 事件的序列号计算得到的丢包数为m ，k 为根据发包速率预 测的丢包数量，l 为综合预测丢包数量且l - m a x ( m k ，0 ) 。本文假设k = 0 ， 则连续丢失l 个数据包的话，即有l 个p ( i ) ：0 ，根据式( 2 2 ) 可知 p e ( i ) = a l p e ( i 一1 ) ( 2 3 ) 以上便是e w m a 算法。取消m 事件，只保留t 事件的话，则可得w m e w m a ( 窗口 指数加权移动平均) 链路评估算法。目前，w m e w m a 链路质量评估算法 已经应用在t i n y o s 的m i n t r o u t e 路由协议中5 1 。 1 4 第二审传感网络桥梁船测 2 2 桥梁结构健康监测 2 2 1 传统桥梁检测 传统的桥梁检测，首先巡视并分析桥梁的状况结合以往经验，对桥 梁结构安装状态进行评估，但在许多损伤情况下这种方法极粗浅，其有 效性也远远不足以对桥梁的运营状况作出定量和定性的评估。所以必须 在在目测的基础上，对桥梁的关键部位进行检测。常用位移计、倾角仪、 应变仪( 片) 等进行静力检测，加速度计进行动力检测6 j 。 2 2 2 桥梁结构健康监测系统 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s l i m ) 。s h m 是指 结合了现代先进传感器技术、通信技术、信号处理技术以及结构分析技 术的一套能够全天候对结构健康状态进行监测的系统【37 1 。建立该系统的 目的在于投入最少的人力物力的情况下最大程度的获取结构状态的信 息，以帮助人们掌握结构的健康状态，实现结构智能化。结构健康监测 的概念是8 0 年代后期有美国军方首先提出并在复合材料中开展研究的。 其基本思想就是将传感器、信号处理元件，甚至是控制器同结构材料融 合，从而使材料具有感知自身状态、诊断自身安全甚至修复自身损伤、 调整自身状态的功能，大大增强结构功能、提高结构安全性、降低维护 费用，延长结构使用寿命【38 1 。与以往传统的桥梁检测不同，桥梁结构健 康监测系统不是单纯的对以人工方式为主的监测进行简单的改进，而是 要综合运用现代化的传感设备、通信设备以及计算机辅助分析技术，实 时监测桥梁结构在复杂的外界自然和人为影响下的结构响应和行为特 征，并对结构响应和特征信息进行在线分析。桥梁结构健康监测从结构 和功能的角度来看，更倾向于一体化、智能化。 结合现代传感技术的桥梁结构健康监测系统，突破了以往的传统桥 梁检测手段，在以下几方面显示其强大的优越性【3 6 】： 1 在线测量而不必关闭交通； 2 多个数据的远程自动读取、存贮以及即时在线处理； 广东工业大学硕十学位论文 3 连续在线采集数据，具有统计意义，且更能反映桥