摘要：為了降低傳統鐵路橋梁監測系統功耗高，擴展性差的問題，設計了基于Imote2和IRIS無線傳感器節點平臺的橋梁監測系統。利用Imote2強大的數據處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠距離無線收發的特點，控制由Imote2組成的無線自組織傳感網絡的數據采集時間，實現超低功耗的目的，并且應用CDMA無線通信技術，完成了橋梁的遠距離監測。實驗表明，在功耗方面比傳統的監測系統降低了35%以上。
引 言
鐵路橋梁在營運過程中不可難免會出現各種損傷現象，使得結構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測提出了更為嚴格的要求。
高速鐵路速度快，絕大多數鐵路橋又都在野外，環境相對比較惡劣，因此，在線監測系統必須做到精度高、穩定性好，另外在惡劣的環境中，頻繁地為數量巨大的節點更換電池不現實也不可能， 因而節點的能源供給都是一次性電池。這樣，為了提高網絡的使用壽命，高效能、低成本同樣理所當然地成為節點設計的基本原則。
為了實現以上目標，通過對所用于該設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，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無線傳感器節點平臺，組成無線傳感器網絡(WSN)，對加速度、動振幅、撓度等參量進行在線監測。其最大特點就是節能，即使在沒有交流電源的環境下，僅僅利用電池就可以實現長時間的數據采集與傳輸，能夠滿足對野外橋梁狀態的實時監測需求。
橋梁監測系統
橋梁在線監測，即通過對橋梁結構狀態的監測與*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預警信號，分析*估橋梁使用壽命，并為橋梁的養護、維修與管理決策、驗證橋梁設計理論、改進橋梁設計方法和相應的規范標準提供科學的依據。
橋梁在線監測系統一般應包括以下幾部分內容。
● 傳感系統。用于將待測物理量轉變為電信號，而在選擇傳感器及二次儀表的類型和數量時，應根據建立橋梁在線監測系統的目的和投資規模來確定。
● 數據采集和處理系統。實現對多種信息源、不同物理信號的采集與預處理，并根據系統功能要求對各種原始數據進行分解、變換以獲取系統所需要的參數，并以一定的形式存儲起來。
● 通信系統。將采集并處理過的數據傳輸到監控中心。
● 監控中心和報警設備。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數據進行診斷，判斷損傷的發生、位置、程度，對結構健康狀況做出*估，如發現異常，發出報警信息。
基于WSN的鐵路橋監測系統
無線傳感器網絡(WSN)就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域中各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送給觀察者。
鐵路橋梁與一般橋梁的最大區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測過程中盡可能地降低功耗，在沒列車通過時，系統是不進行數據采集的。為此我們在鐵路橋梁兩端分別布置了一個IRIS傳感器節點平臺，當鐵路橋梁一端有列車過來時，該節點平臺發射信號給無線傳感器網絡網關節點，進而通知Imote2節點開始數據采集，當列車經過鐵路橋梁另一端時，此處的節點平臺又發送信號給無線傳感器網絡網關節點，控制Imote2節點停止數據采集，充分達到減少能耗的目的。
本文設計的鐵路橋梁在線監測系統如圖1所示：包括若干個Imote2傳感節點，它們被大量布散在橋梁關鍵監測區域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網絡系統，對橋梁的撓度、應變等主要結構的受力狀態進行監測，傳感器單元將采集到的數據傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數據處理和存儲后，通過無線通信技術轉發給網關節點， 網關節點可通過CDMA等方式將監測數據送到監控中心，并且系統可在異常情況下進行報警，監測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到健康監測的目的。
圖1 鐵路橋梁在線監測系統
系統硬件電路
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絡平臺在計算能力和內存方面的局限性，可以在數字圖像傳輸和工業震動監測等領域廣泛應用。圖2為Imote2的系統組成。
圖2 Imote2的系統組成
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軟件開發工具套件及類似工具，為Imote2的閃存進行軟件開發、調試和重新編程。
Imote2節點平臺
由圖3可知，一個Imote2節點平臺包括應變、加速度等各類傳感器、ADS1256、電源管理單元和Imote2節點。它們被大量布散在橋梁關鍵監測區域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網絡系統，利用Imote2強大的處理器對橋梁的撓度、應變等主要結構的受力狀態進行監測，是整個系統的核心部分。
圖3 Imote2節點平臺硬件結構
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、數據輸入線DIN、數據輸出線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-數字轉換器和SPI接口技術以及電容傳感器的使用，使在數據采集過程中做到了精度高，測量范圍大，靈敏度高，動態響應快，穩定性好等優點。
IRIS
在鐵路橋梁兩端的無線傳感器節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據并且保持低功耗和以及足夠的傳輸距離是無線傳感器網絡的兩大軟肋，但可借助Crossbow最新推出的另外一款IRIS節點平臺，能夠提供低功耗和遠距離無線傳輸的雙重優勢，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協議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產品提高三倍。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據獲取板，并且都能夠通過標準51針擴展接口與其連接。
IRIS節點平臺
由圖4可知，一個IRIS節點平臺包括磁鋼傳感器，MDA300數據采集板，IRIS節點。傳感器通過IRIS提供的MDA300數據采集板與IRIS連接，MDA300提供8個ADC通道、8個數字通道以及I2C接口用于外接各類傳感器。
圖4 IRIS節點平臺硬件結構
它位于鐵路橋梁的兩端，當有列車通過時，磁鋼傳感器就會自動采集和處理數據，處理完的數據由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據采集的信號發送給無線傳感器網絡的網關節點，最終控制分散在橋梁關鍵監測區域的Imote2節點平臺的數據采集時間。
軟件結構
雖然多個操作系統支持Imote2，如TinyOS、Linux和SOS，但在Imote2傳感器節點上部署嵌入式Linux 既能體現通用操作系統的易于開發和移植的特性，又可以展示Linux自身對外設和網絡支持良好的優勢，有利于應對不同無線傳感器網絡應用的需求，因此，選用Linux對Imote2進行應用開發[9]。在對IRIS節點的操作系統支持方面，可運行TinyOS1.1.7或更高版本。
Imote2節點軟件
為了支持對Imote2進行應用開發，必須建立相應的交叉編譯環境，對于Imote2，為構建交叉編譯環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試。不同于安裝Linux的過程，這里的下載由Imote2-Linux控制，下載的內容保存于文件系統。
Marvell支持的開源項目PlatformX旨在為Imote2構建Linux系統，最新發布版本包括二進制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。
IRIS節點軟件
TinyOS是美國的伯克利大學開發的，為嵌入式無線傳感器網絡而設計的源碼開放的操作系統，它運行在每個網絡節點上，是其他上層應用和協議運行的前提，TinyOS采用事件驅動的執行機制，很好地滿足了無線傳感器網絡中存在的大量的并發操作;基于組件的架構方式更加適應無線傳感器網絡應用的多樣性[10]。
結語
本文提出的基于無線傳感器網絡的鐵路橋梁在線監測系統，配合運用了Imote2和IRIS這兩款先進的無線傳感器節點平臺，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勢，使整個系統具有功耗低、精度高等優點。實驗數據表明，與傳統的橋梁監測系統相比，在功耗方面講降低35%以上。