桥梁监测系统无线通信论文

摘要：本文设计了一套基于STM32的高速公路汽车超重监测系统，由供电模块、STM32主处理器模块、动态称重模块、监测识别模块、无线通讯模块、上位机管理系统等组成。以下是小编精心整理的《桥梁监测系统无线通信论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

桥梁监测系统无线通信论文 篇1：

基于FPGA的多环境参数在线监测系统的设计

摘 要：针对现有工厂多环境参数监测系统结构复杂、功耗大、成本高等问题，设计了一套基于FPGA技术的多环境参数在线监测系统，实现了对工厂NO2气体浓度、温湿度、空气悬浮颗粒物浓度的远程在线监测。系统以FPGA作为核心控制器，通过ESP8266无线通信模块将监测数据上传至ONENET云平台，可实现对化工厂内温湿度、和PM2.5、PM10浓度、NO2浓度等环境参量的实时上报。实验结果表明，通过FPGA多通道并行传输与处理的方式可实现对大气多参数的实时同步监测，同时增加了系统的灵活性，有利于系统的拆装和扩展，且在硬件结构、体积、采集速率、数据实时性方面有所改善。

关键词：FPGA;环境监测;ESP8266无线通信;ONENET平台

Key words：FPGA;environmental monitoring;ESP8266 wireless communication;ONENET cloud platform

1 绪论

中国工业化生产的发展非常迅速，但是与此同时也造成了很大的环境污染和人员的健康威胁。比如某些气体的泄漏会造成厂区爆炸和人员的伤亡或者引起呼吸道慢性病。传统的环境检测方式一般采用人员检测，这样就会使监测人员存在未知的安全隐患;目前市场还有采用机器车进行监测，但这种监测方式成本较高，不适合盈利性工厂的理念。

针对目前环境监测市场存在的诸多问题，设计了一款基于FPGA的多环境参数监测系统，整个系统包括监测终端设备、云平台以及作为他们两者之间数据交互桥梁的无线通信模块。将监测终端设备放到需要监测的厂区，这样无线通信模块就能将监测终端监测的环境数据上传至云平台，這样监管人员只需要对云平台的数据进行查看，即可了解到监测区域的环境状况。

本系统终端设备的主控芯片选用的是FPGA，FPGA芯片引脚数目多，而且因为其强大充分的内部资源，所以FPGA具有编程配置灵活的特点。相比于ARM芯片而言，FPGA采用的是纯硬件编程思维，具有并行处理的能力;而且FPGA有抗干扰能力强、功耗低等优点[1-2]。本系统根据FPGA并行处理数据的能力，在监测终端接入了多个传感器，多个传感器可采集多种环境参数，这样使监测的效率大大提高。而且对系统采集数据通过无线传输模块进行无线传输，实现了环境数据的远程实时同步采集。

本设计采用的云平台为中移物联网云平台，这款云平台不仅开发简单，而且功能强大，具有数据接收存储和命令下发的功能，这个平台可以接入多个设备和数据流[3-4]，这样就和本系统设计的多种环境数据监测的理念相一致。在此平台上可以设计数据流显示界面，这样监管人员可以很方便地对数据进行查看分析及操作。

2 系统整体结构设计

本系统整体结构设计包含了监测节点终端、Wi-Fi无线通信模块、云平台和远程终端这四个部分。系统整体实现的功能就是将监测终端采集的传感器信息上传至云服务器，最后用户可通过远程终端对终端采集的数据进行实时查看。系统整体结构框图1所示。

3 系统硬件设计

系统监测终端硬件设计采用模块化设计原理。硬件模块主要包括：主控模块、电源模块、FLASH存储、无线通信模块、温湿度监测模块、空气悬浮颗粒物监测模块、NO2气体传感器模块、电机控制模块（空气泵）等。各模块的连接如图2所示。

3.1 主控模块

本系统提出以现场可编程门阵列（FPGA）作为主控芯片，将接口通信功能、控制功能、数据缓存功能、数据处理功能集成在芯片内部，通过多通道并行传输与处理的方式实现对大气多参数的实时同步监测。本系统的主控芯片选取的是Xilinx公司的Spartan6系列的FPGA，其内部资源足以完成本设计功能实现。通过FPGA控制各路传感器和空气泵的工作与否，实现了多环境参数的采集、传输与存储。

3.2 电源模块

电源模块为整个系统的各个硬件电路模块提供供电支持，对系统的穩定性有着至关重要的作用。所以在设计电源模块的电路时，得首先对其他模块的电压及功耗进行考虑，从而设计整个系统的供电模块。本系统电源模块是使用12V 4800mA聚合物锂电池作为供电电源，然后通过稳压降压电路实现12V电压到5V和3.3V的电压转换，从而满足了整个系统供电需求。

3.3 传感器模块

因为需要监测的环境参数有NO2浓度、温湿度及PM2.5、PM10的浓度。因此本系统采用了三个传感器对这几个环境参数进行采集。一个是圣凯安公司成产的二氧化氮传感器;还有PMSA003空气悬浮颗粒物传感器，其用来监测PM2.5和PM10的浓度;最后一个是DHT11传感器，用于采集环境的温度和湿度。其中NO2传感器与PMSA003使用串口输出方式，DHT11使用单总线串口传输方式[5]。

3.4 电机控制模块

空气泵控制电路用于实现空气泵的开关控制。其控制电路如图3所示。其中继电器选用SRD-05VDC，吸合电压为5V，光耦EL817C845对FPGA芯片与控制电路进行光电隔离，从而实现了对主控芯片进行保护，增强了主控芯片的稳定性。

3.5 无线通信模块

本系统是要将监测终端的监测数据上传至云平台进行数据分析与查看，所以对于这种远距离的监测任务，我们需要使用无线传输模块进行数据传输，对市面上常用的无线传输模块性价比进行对比分析后，最终选择了ESP8266这款无线通信模块作为监测终端和云平台的桥梁。

4 系统软件设计

系统软件的设计是在系统硬件设计和ONENET云平台通信协议的基础上进行的。环境监测系统软件设计根据系统的总体结构分为环境监测终端数据采集程序设计、监测终端与云平台通信主程序设计和ONENET云平台上位机软件的设计三个部分。如图4所示为系统软件设计的总体架构。

4.1 数据采集部分软件设计

FPGA数据采集这部分的软件设计，首先按系统功能进行模块划分。主要分为系统同步时钟模块、信号收发模块、指令解析模块、传感器模块、数据打包模块和数据缓存处理模块等。数据采集部分总体框架如图5所示。

信号收发模块system_uart_top包括串口时序配置模块，cmd_receive命令接收模块、和data_send数据发送模块。接收到上位机传来的请求信号后，system_uart_top将请求信号发送给信号解析模块cmd_decode进行解析。

cmd_decode模块将请求信号解析后经判断确认上位机需要哪些传感器数据，并将使能信号发送给相应传感器模块。传感器模块com1-com6中相应传感器接收到使能信号后，进行对所对应的气体数据进行采集，并将数据发送给数据打包模块data_encode。data_encode数据打包模块从传感器模块处接收信息，根据之前确定的气体监测通信协议，将传感器采集到的气体数据处理为特定格式的信号，并进行打包发送给信号收发模块system_uart_top。

最后再由信号收发模块system_uart_top将打包好的气体数据发送给上位机。

4.2 监测终端与云平台通信部分软件设计

ESP8266无线通信模块上电后，首先对ESP8266模块进行信息配置，接着搜索并连接Wi-Fi。连接成功后，将ESP8266无线模块接入终端设备。因为ESP8266与云平台建立TCP连接，需要发送AT指令，所以在这部分软件设计中，FPGA将需要发送的AT指令通过串口发送给无线模块，从而成功的建立ESP8266模块云平台的连接。ESP8266无线通信模块工作流程如图6所示。

4.3 ONENET云平台上位机设计部分

要实现整个系统的搭建，就需要将前面设计的监测终端接入云平台。这样就可以将监测终端采集的监测数据进行有效的展示。本系统采用的云平台是ONENET云平台。使用ONENET云平台，首先需要在此云平台进行用户注册，建立开发者的开发平台。在注册和登录完成后，在“开发者中心”创建产品并进行设备绑定。

ONENET基本开发流程如图7所示。

5 实验结果

用户登录ONENET云平台成功后，可以看到产品概况、产品id、tcp透传方式以及设备在线等信息界面;在产品操作界面点击设备列表，就可以看到用户创建的温度、湿度、PM2.5、NO2等设备;此外还可以看到设备所在的地图位置信息。

将监测设备放置化工厂房内，监测的数据信息在ONENET云平台上的展示如图8所示。

6 结语

传统环境监测系统的硬件需要扩展外围电路，而且数据采集过程也存在着实时性差的情况。本设计是采用FPGA作为主控芯片，FPGA具有并行处理数据的能力，对于本设计的多路传感器数据采集具有很大的优势[6]。在FPGA内部，根据其内部充分的资源，能够实现本设计多环境参数数据的采集与存储。而且在FPGA内部对于采集的传感器数据可以进行有效处理，使得整个系统具有很强的可靠性和实用性。本设计的整体设计方案采用以FPGA作为核心控制器，不同于以往的基于ARM的数据采集。就是利用了FPGA对于多通道数据采集的强大优势。这样是整个系统非常具有针对性和普适性。

本系统是将获取的多种环境数据在中移物联网这个免费的云平上进行展示，由于ONENET云平台是一个免费的开发平台，这样就降低了项目的开发成本。而且在此平台上的数据具有实时性及开放性的特点，使得监管人员能够随时随地的对被监测区域的环境进行有效查看与分析。这种将终端数据上传至云平台进行数据查看的方式，很符合社会现在环境监测系统越来越自动化的发展趋势。

参考文献：

[1]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2]王建中，杨璐.高速实时系统数据采集与传输[J].计算机科学，2016，43（S2）：604-606.

[3]丁飞，吴飞，艾成万，等.基于OneNET平台的环境监测系统设计与实现[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2018，38（04）：24-29.

[4]尤琦涵，陈兆仕，张沁.OneNET云平台Wi-Fi远程控制的智能教室系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2017，17（10）：69-73.

[5]林倩.DHT11数字温湿度传感器通信协议的IO模拟[J].信息通信，2017（01）：206-207.

[6]易志强，韩宾，江虹，等.基于FPGA的多通道同步实时高速数据采集系统设计[J].电子技术用，2019，45（06）：70-74.

作者简介：张金（1995— ），女，汉族，陕西渭南人，硕士，研究方向：现代传感与信息处理;王文清（1995— ），男，汉族，云南曲靖人，硕士，研究方向：现代传感与信息处理。

作者：张金 王文清

桥梁监测系统无线通信论文 篇2：

基于STM32的高速公路汽车超重监测系统

摘 要：本文设计了一套基于STM32的高速公路汽车超重监测系统，由供电模块、STM32主处理器模块、动态称重模块、监测识别模块、无线通讯模块、上位机管理系统等组成。针对目前传统的超重监测设备检测速度慢、准确度低等问题，系统通过硬件设备在汽车不停车的情况下监测汽车重量，经过数据处理，在超载行为成立后，对司机做出相应处罚，避免由于测重引起的收费站道路拥堵，提高监测结果的准确性。

关键词： 高速公路超载; STM32; 动态称重

【

【Key words】 highway overload; STM32; dynamic weighing

0 引 言

随着国内交通运输事业的不断发展，机动车辆运输市场也已展露蓬勃活力，呈现出利好景象，但仍需指出的是，与此同时的车辆超载则成为普遍现象。调研可知，超重10%的货车对高速公路的破坏会增加约40%[1]，产生额外路面维修经费，严重时会造成道路或桥梁断裂甚至坍塌，造成人民生命、财产的重大损失。陈广华等人[2]利用粘贴式应变传感器实现车辆载重的动态全程监测，并将超载信息以短消息的形式发送给有关部门，安装方便，检测精度高，但由于需要在汽车钢板弹簧上安装传感器，因此检测覆盖面有限。温福军等人[3]通过监测传动轴输出扭矩可以检测出货车载重量，但加载质量与系统读数存在一定相對误差，检测结果不准确。赵楚亚等人[4]对于高速公路入口治超的研究，虽然一定程度上完善了治理高速公路超重的覆盖面，但依然存在收费站入口拥堵，司机使用拖磅、跳磅的作弊手段等问题。

基于此，本文研发设计了基于STM32的高速公路汽车超重监测系统，在尽可能不停车的情况下，通过硬件系统识别出车辆信息并测量出车辆实时载重量，经过数据处理，将超载信息反馈给现场交警工作人员，对车辆做进一步的检测或依法对驾驶员做出相应的处罚。相对于传统的超载监测系统，实现动态监测，自动报警，降低人力物力消耗，提高处理效率。

1 系统设计

系统设计如图1所示。由图1可知，高速公路汽车超重监测系统由上位机管理系统、供电模块、信息处理模块、监控识别模块、动态称重模块以及无线通讯模块组成。

系统主要实现在高速公路收费站对汽车重量进行不停车检测。汽车在经过称重设备时，检测出汽车的实时重量，同时摄像头识别汽车牌照，通过无线通讯网络将数据传输至数据处理系统，经过数据处理，判别车辆是否超载，假如汽车超载，则将超载信息发送至现场交警工作人员，对驾驶员进行进一步处理。管理人员通过上位机管理系统实现对硬件设备运行状态的管理，也可以查看通过监测设备车辆历史数据，方便分析原因，制定相关政策法规。

2 硬件电路设计

基于STM32的高速公路汽车超重监测系统的硬件电路主要包括：供电模块、处理器模块、无线通信模块、动态称重模块、监控识别模块等。系统以STM32处理器为核心，使用基于PVDF的新型压电薄膜传感器进行动态测重，通过无线通讯网络传输数据，上位机处理数据，自动报警，及时对超载车辆进行处理。对此拟做研究分述如下。

2.1 供电模块

随着科学技术的不断发展，太阳能因为其普遍性和无害性，在人类使用的可再生能源中占据重要的地位，符合可持续发展要求[5]。供电模块以太阳光作为超重监测硬件设备主要能量来源，其设计电路如图2所示。由图2可知，为了保证STM32F103ZET6处理器的稳定运行，采用LM1117-3.3 V稳压芯片控制电源进行稳压调节[6]，控制输出电压为3.3 V。在锂电池的输入端并联2个电容，容量为0.2 μV和10 μV，可以滤除高频干扰信号。在供电模块的电路输出端添加了2个去耦电容，使得系统运行时电流平缓，避免功耗变化对电路电流造成影响。供电模块电路结构简单安全，输出电压稳定，可以满足系统工作需求。

2.2 处理器模块

本系统的核心硬件在于STM32处理器，通过处理器对汽车信息及汽车实时重量分析处理，实现高速公路收费站汽车动态测重，快速通行。

STM32嵌入式单片机，拥有高性能处理器内核，计算能力可达1.25 DMips/MHz，在最高工作频率时，消耗能量仅有0.5 mA/MHz[7]。STM32处理器电路如图3所示。由图3可知，处理器模块采用STM32F103ZET6型号单片机[8]，属于增强型系列，在同种类型产品中，该处理器性能较高，含有144个引脚，片上集成512 KB的Flash存储器，采用LQFP封装，工作温度范围-40 ℃～85 ℃。拥有一流的外设和最大的集成度，多达13个通信接口，可以有效控制外部设备。处理器功耗低，性能强大，可以进行测重数据的快速处理分析，实现汽车在高速公路收费站的动态测重。

2.3 无线通信模块

通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）是建立在GSM系统基础上的无线分组交换技术。适用于间断的、少量的数据传输，具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、自如切换的优点[9]。无线通信模块设计电路如图4所示。由图4可知，无线通信模块选用SIEMENS公司的MC55[10]，配备GSM/GPRS全套语音及数据封装功能，高效传输高速或低速数据及信令，对网络资源和无线资源的利用进行优化，网络接入速度快，实现了与现有数据网的无缝连接。分组业务信道可采用4种不同的编码方式，当编码方式为CS-4时，并且无线环境良好，信道充足的条件下，GPRS网络能够达到其理论最高速率171.2 kbps，满足系统的数据传输需求。

2.4 动态称重模块

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride，PVDF）是一种高分子压电材料， 具有耐腐蚀、抗冲击性能强、热稳定性高、介电常数高等多种优点，所以能够作为一种理想的传感器材料[11]。动态称重模块设计电路如图5所示。由图5可知，动态称重模块采用了基于PVDF的新型压电薄膜传感器[12]，结构简单，制作方便，精度高，准确性好，和现有的道路压电传感器不同，无需埋设在道路结构中，根据收费站实际情况及测试数据，将多个传感器并联后安装在道路表面，避免路面开挖，降低维护成本，高剛度扁平结构，对道路结构破坏极小。

2.5 监测识别模块

车辆信息匹配以智能摄像头为设备基础，通过识别汽车牌照，将车辆数据通过无线通讯网络发送至上位机管理系统，方便管理人员查看及管理。

监测识别模块设计电路如图6所示。由图6可知，本系统选用ON Semiconductor公司生产的MT9M001 CMOS数字图像传感器作为监测识别模块[13]，光学格式为1/2英寸，工作电压3.3 V，总像素数130 W，支持输出SXGA、VGA、QVGA、CIE、QCIE等大小的图像，默认以30 fps/s的速度输出SXGA大小的图像，具有低噪声、低成本、成像质量高的优势。为了方便模块的使用[14]，在电路设计时将输出使能引脚OE#连接一个4.7 K的电阻接地（低电平有效），重置引脚RESET#连接一个4.7 K的电阻接到3.3 V电源（高电平有效），使其处于一直使能状态。

3 系统软件设计

上位机管理系统选用 Visual Basic 6.0软件开发设计，搭建高速公路汽车超重监测系统的界面。

系统软件设计流程如图7所示。由图7分析可知，软件的核心在于超重监测，当监测到车辆实际载重超过系统设定值时，即将超载信息发送给现场交警工作人员，对驾驶员做出相应处罚。软件设置用户权限，普通用户仅有超重监测界面及高速公路数据信息的查看权，管理员享有手动更改限重数据、查看实时监控以及界面设置的权利。

3.1 系统主界面

系统主界面如图8所示。由图8可以看到，系统主界面由超重监测、高速公路数据、监测设备管理、个性化设置、问题反馈五个部分组成，分别实现汽车重量监测、查询及修改高速公路数据、监测设备数据查询、软件界面调整和软件使用问题反馈，左上角显示此时的日期及时间。

3.2 超重监测设计

超重监测界面如图9所示。由图9可以看到，超重监测界面可显示当前经过监测设备的车辆信息，检测后与预设限重比较，一旦确定超载，可自动发送超载信息至现场交警工作人员，使用者也可使用一键报警功能发送超载信息，对驾驶员做出相应处罚。

天气界面如图10所示。由图10可以看到当前天气、温度、湿度、降水量、风向、风力等实时天气数据，结合气象部门信息，及时进行灾害天气预警，避免发生交通事故。

3.3 高速公路数据设计

高速公路数据界面如图11所示。由图11可以看到，通过确定省、市查询高速公路限高、限重、全长及出入口数等信息，也可在搜索框中搜索具体的高速公路名称查询，方便使用者了解高速公路信息，这里以沪宁高速为例。

点击添加高速公路，如图12所示。由图12可知，点击后可以在现有地图上添加新建成或原来没有标注的高速公路，对其进行命名、添加出入口等相关操作，方便管理人员进行及时的数据更新。

3.4 辅助功能设计

监测设备管理界面，如图13所示。由图13可知，在左上角显示当前日期及时间，可以查看监测道路的实时视频监控及实时测量重量，时刻查看监测设备的运行状况及网络连接状况，并且可以根据需要对系统内高速公路的限重做出相应调整，方便管理员对于设备运行进行管理和及时的维修。

点击历史数据，如图14所示。由图14可知，当选定年份、月份及日期后可以查询具体每辆车的测重数据，还可以通过系统记录统计出每日高速公路往来车流量，使管理员快速了解高速公路车辆的超载情况及收费站的拥堵情况，做出相应决策。

4 结束语

本文以STM32为核心处理器，设计了一套高速公路汽车超重监测系统，通过基于PVDF的新型压电薄膜传感器进行测重，将信息发送至上位机，经过信息处理，实现汽车在高速公路收费站的不停车测重，避免因测重导致的收费站拥堵，监测数据准确，设备结构简单，可以在应用中实践。

参考文献

[1]     周冰，魏文科. 公路超载行为的体制原因及其治理[J]. 山东大学学报（哲学社会科学版），2013（1）：141-147.

[2] 陈广华，鞠娜，杨飞，等. 基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统[J]. 北京航空航天大学学报，2011，37（4）：409-414.

[3] 溫福军，赵新，郭嘉明，等. 基于传动轴应变的货车载质量实时监测系统设计[J]. 机床与液压，2015，43（14）：162-165.

[4] 赵楚亚，张勇，任楠. 浅析河南高速公路入口治超[J]. 计量与测试技术，2019，46（5）：68-69.

[5] 樊汝森，谢方明，钟振东，等. 太阳能供电系统的多目标优化设计方法研究[J]. 电源技术，2017，41（6）：874-877.

[6]  姚新和. 基于STM32的水质监控系统的设计与实现[D]. 广州：华南理工大学，2019.

[7] ZHANG Huifu， KANGWei. Design of thedata acquisition system based on STM32[J]. Procedia Computer Science，2013，17：222-228.

[8] 丁承君，李宗奎，朱雪宏，等. 基于GPRS的智能弯箍机检测控制系统开发[J]. 现代电子技术，2018，41（5）：159-162.

[9] 杨磊. GPRS核心网向3G演进[C]//中国通信学会无线及移动通信委员会、IP应用与增强电信技术委员会2007年度联合学术年会. 乌鲁木齐：中国通信学会，2007：1-6.

[10]刘会涛.  基于GPRS的桥梁检测数据远程无线传输管理系统[D]. 西安：长安大学，2014.

[11]陶秀，刘礼勇，陶圣. 基于压电薄膜的车辆动态称重系统数据采集及处理[J]. 交通信息与安全，2011，29（2）：130-132.

[12]褚祥诚，徐亚楠，袁松梅，等. 基于PVDF的新型高速公路压电动态称重传感器[J]. 振动，测试与诊断，2013，33（3）：351-356，521.

[13]ON Semiconductor. MT9M001：1/2-inch megapixel digital image sensor features[D]. USA：Micron Tehnology， Inc.， 2015.

[14]许晓. 嵌入式智能工业相机的研究与实现[D]. 烟台：烟台大学，2019.

作者：梁益彰 肖广兵

桥梁监测系统无线通信论文 篇3：

基于无线传感器的桥梁监测系统研究

摘要：随着当前社会科学技术的不断进步，其对桥梁事业的需求也越来越高，其能够通过适当的监测系统方式及时的了解桥梁工程中整体结构的健康情况，从而对保证桥梁工程的结构安全起着非常重要的作用，同时也为桥梁修护加固提供了重要的依据，也能够节约修护重建的施工成本，在社会中不会影响到桥梁的正常使用。因此，本文就将对无线传感器的桥梁监测系统方面进行全面的分析，从而对无线传感器桥梁监测系统中的一些不利因素进行研究，从而达到对桥梁健康情况的检测。

关键词：无线传感器;桥梁;监测系统;研究

前言：随着通信技术和无线传感器技术的不断发展，人工监测方式在当前的时代中对其应用比价局限性，因此桥梁监测系统也就应运而生，其无线传感器的桥梁监测系统受到非常多人的重视。无线传感器的桥梁监测系统主要是无线传感器技术与结构监测相结合而成的，是一套自动化、智能化的桥梁监测系统，同时也有着成本比较低、安装便利等优点。并且它采用频率法加速度传感器测量一段时间内的桥梁索力，并将数据通过无线传感器技术传输到监测系统中去，实现对桥梁状态的实际监测。

一、无线传感器及桥梁监测系统的基本概述

（一）无线传感器的基本概述

无线传感器主要是一个新的结构系统，利用多个传感器节点通过自我组织和无线网络来进行互相的传递信息，并协同完成相应的功能。它集成了传感器技术、嵌入式计算机技术、无线网络技术以及分布式信息技术。在实践应用当中，可以把很多廉价的小型无线传感器节点随机的放到人们无法靠近以及不伤害人们的位置中去，从而对于网络信息覆蓋地方内的环境以及物质进行相应的实践监测、感应和收集。对于无线传感器来说，它已广泛的应用到了农业、工业、军事、交通、医疗、安全等各个行业中去。对于它的研究开发及使用，对社会经济的发展各个方面都有很大的关系。因无线传感器具有广泛的使用前景以及很大的使用价值，这些年来也引起了世界各国的重点关注，而且也投入了比较多的资金，极大地促进了无线传感器的可持续发展，使其在更多的领域中发挥其真正的作用[1]。

（二）无线传感器在桥梁监测系统中的基本概述

从这些看来，无线传感器在桥梁监测系统的研究主要是集中在完整结构评估以及理论方面中。由于振动理论的完整性评估技术在航空航天、机械等行业中的研究和应用，该技术已经广泛的应用在民用结构（无损检测除外）的完整性评估方面中。人们之所以选择振动理论的结构完整性评价方式，主要是因为它可以从桥梁的运行过程中获取结构的振动信息。桥梁监测在我国尚处于一个起步阶段，因各个方面的原因，几种桥梁监控系统依旧存在着不同的缺点。随着桥梁监测系统研究的进一步发展，人们对桥梁的认知程度和要求也正在逐渐的有所提高。对于检测系统来说还需要进行远程的监控、提升系统的安全性、规范信息的处理和研究相应理论等一系列工作，从而使它的前景能够越来越宽广。开发一套实用的无线传感器桥梁监测系统是在实践应用中急需要解决的一个大问题[2]。

二、整体结构分析

无线传感器网络是由网络节点以自组织的方式构建的，主要分为以下几种结构：即平等结构和分层分布式结构。由于桥梁监测区域大、分散，采用点对点拓扑布局方法，将传感器网络布置在集中监控区域，然后通过网关与控制中心进行通信。拓扑结构如图1所示[3]。

网络的主要组成部分如下。

传感器节点：传感器定期采集的振动信息通过多跳路由发送到桥梁监控管理中心。网关：位于传感器网络的边缘，实现传感器网络与Internet的互联，实现传感器网络协议到Internet协议的转换。

桥梁监控中心：负责应力等信息的存储、处理和评估。通常，一个控制中心可以同时监控多个监控区域。远程监控和PDA用户可以通过Internet访问桥梁监控中心的数据，并通过该中心进行实时查询[4]。

三、无线传感器的节点设计分析

（一）硬件设计

因其应用有所不同，无线传感器网络节点需要不一样的通信、处理以及传感模块和不同的软件。所以，为了更好的使该节点有着比较广泛的应用范围，有必要对其该节点的各种模块都能方便地被取替。同时把节点分为四个硬件模块：能量控制、计算处理、无线通信和传感。这些模块独立的设计，共同的实现实验开发，从而降低了系统开发的整体成本以及开发的时间，并且也降低了系统投入应用之后的管理和养护成本。并且对各种模块之间通过互连的方式，以达到扩充和更换的目的，如图2所示[5]。

无线传感器数据的采集模块是利用振动、温度、应力等传感器和模数互换电路而相互组成的。因无线传感器的输出信号格式和CPU的输入格式之间有所不同，需要对无线传感器信号进行处理之后才能正常的进行模块的转换。经模数转换之后的信号通过光电隔离之后送入CPU中，从而进行相应的处理。MSP430系列的单片机可以在低电压、超低功耗的节能模式下进行工作，有着较强的处理能力以及较多的外部接口。

从无线收发模块方面来分析，其主要是采用RFM公司的TR1000。这个模块的工作频率相对比较稳定安全，外围电路相对比较简单，容易进行相应的设计。并且，TR1000采用低发射的功率、高接收的灵敏度设计方式，而且对于数据传输速率能够到达116.3kb/s，在传送环境下的可以应用的通信距离为1000m以内[6]。

（二）软件设计

第一，无线传感器节点几乎都是具有数据采集、信息处理、数据传输和路由等一些的作用，这些作用几乎都会共同的产生。那么，为了在硬件资源有限的情况下更好的处理这些共同发生的事件，就可以采用基于组件架构，应用到无线传感器的网络应用中去。假如因外部硬件通信设备设施、定时器和传感器等硬件触发断开的时候，无线传感器系统就会执行相应的中断处理。在处理完所有的触发事件之后，其系统就自己进入到休眠模式中去，更好的节约能源。第二，考虑到软件的具有可扩展性能，为了更好的让无线传感器节点通过不同的应用运行从而进行不同的通信协议。对于不同的通信协议被实现为实践化研究对象，开发人员可以通过重载虚拟函数的方式来重用开发接口。因路由、MAC等协议是独立实现的，当应用需求发生相应的变化时候，应该在不改变接口的情况下来改变具体的实现方式。

四、无线传感器的桥梁监测系统的运行方案

因无线传感器节点的地址是基于地理位置来进行分配的，当节点被放置到桥梁检测系统中时候，就需要基于地理位置分配网络节点的地址，并且建立路由算法的网络扩展结构。树状路由结构的优点是可以直接建立树的拓扑结构以及转发的结构，并且在各式各样的复杂条件下很容易找到和维护稳定的拓扑树，从而控制介质的访问以及发送时间。

对于无线传感器节点地址分配中主要有以下几点：

（1）无线传感器节点开启后，可以依据节点布局拓扑确定通信距离，并通过通信距离向周边节点传播地址包。地址包包含节点的地址，它是拓扑树的根本节点;（2）无线传感器节点通信范围内的节点接收到地址包之后，生成16位随机码，经过随机退避时间后返回给网关节点。网关节点在接收到每个邻居节点返回的具有随机码的响应包之后，依据接收前后时间的顺序来分发到每个节点地址当中去，并把分配的地址包发送到每个节点中去，在接收到包含分配的地址包之后，每个节点使用该地址，并将ACK包响应返回给网关节点;（3）每个被分配了的地址的节点可以依照本地地址在固定的时间延迟之后，向相邻节点开始传播。具有指定地址的邻居节点放弃广播包，没有指定地址的节点会生成8位随机码。对于节点接收返回的随机码包，按照上层网络节点的方式进行分配地址，并将地址包发送给每个节点。在接收到地址包之后，每个节点使用该地址并返回ACK包响应;（4）对于这样的循环方式，直到所有节点分配地址。完成以上的操作步骤之后，就能够建立一个拓扑树，如图2所示。

面对网络节点地址中分配成功后，每个节点执行查询功能来进行查找邻居的节点，并通过地址比较确定与响应节点之间的联系，并且能够构建路由表。当各个节点的路由表建成后，从而进入到能量管理模式中去，并且进行等待监控事件的产生。因某些节点可能会失败或者有新的节点加入其中，这些节点需要执行定期查询来更新路由表。每个节点都必须找到其父节点才能正常的进行工作，并且一直进行查询，直到找到其父节点为止。

总结

综上所述，对于桥梁监测中的监测点出现分散、接线困难、实时性差等特点，提出了一种通过无线传感器网络进行桥梁监测的方法。而且本文重點研究了无线传感器网络的结构、网络节点的软硬件设计以及无线传感器的桥梁监测系统运行方案。并且在桥梁的监测系统中，无线传感器网络有着低能耗、工作时常比较久、成本相对较低，并且在危险区中和大面积桥梁监测中易于布置等特点。它能够实现成本低的持续桥梁监测，比传统的桥梁监测系统更加具有好处。

参考文献

[1]俞姝颖，吴小兵，陈贵海，等.无线传感器在桥梁监测中的应用[J].软件学报，2019，026（006）：1486-1498.

[2]徐春红，吉林，沈庆宏，等.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测系统[J].电子测量技术，2020，047（011）：95-98.

[3]邓虎军.无线传感器网络中桥梁健康监测的应用[J].数字化用户，2020， 000（037）：100-102.

[4]王婷.基于无线传感器网络在桥梁健康监测系统中的应用研究[D].重庆大学.2019.000（002）：123-125.

[5]刘晋，廖传书.基于无线传感器的桥梁应力监测系统的设计[J].2019.000（019）：569-572.

[6]钱洋，张振荣，黎相成，等.基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统及其工作方法.2019.000（056）：220-223.

作者：朱小明