基本信息
- 項目名稱：
- 橋梁荷載檢測無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對現(xiàn)有橋梁荷載檢測系統(tǒng)存在的線纜使用量大、信號易受干擾、檢測周期長和難以檢測大跨度橋梁等問題，開發(fā)了橋梁荷載檢測無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Zigbee技術實現(xiàn)了橋梁靜動載檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，不僅具有便攜性好、無需布線、功耗低、抗干擾性強等特點，而且采用多跳中繼方式可以實現(xiàn)大跨度橋梁的檢測。系統(tǒng)還設計了一種周期性更換簇頭的路由算法，保證各節(jié)點傳輸負載均衡且總體能耗最低，從而延長系統(tǒng)壽命。最后該系統(tǒng)通過移動公用網(wǎng)絡和Google Maps技術，實現(xiàn)了橋梁檢測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測與管理。
- 詳細介紹：
- 系統(tǒng)采用基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點采集橋梁的靜、動載數(shù)據(jù)并以無線的方式傳輸?shù)脚c上位機相連的Sink節(jié)點，通過上位機數(shù)據(jù)分析與處理軟件獲取評價橋梁健康狀況的應變、撓度等參數(shù)。通過使用Web GIS技術，該系統(tǒng)不但可以進行橋梁的現(xiàn)場荷載檢測，同時還可以對橋梁進行異地實時的監(jiān)測。與傳統(tǒng)橋梁檢測相比，該系統(tǒng)具有布線簡單、測試周期短、效率高及能耗低等優(yōu)點，并且檢測的橋梁跨徑范圍也得到了提高。 該系統(tǒng)已在多個橋梁模型上進行了測試，并在實際中的多座大橋上進行了荷載檢測。檢測效果良好，其檢測精度、檢測效率、檢測范圍與市場上同類產(chǎn)品相比，有明顯的改善。該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的橋梁檢測設備相比性價比優(yōu)勢顯著,在橋梁荷載檢測方面具有廣闊的應用前景，系統(tǒng)的研制成功對促進整個橋梁檢測行業(yè)的進步具有重要意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、發(fā)明目的：針對現(xiàn)有橋梁荷載檢測系統(tǒng)存在的檢測信號有線傳輸導致接線工作量大、信號易受干擾以及特殊環(huán)境下檢測不易實施等問題，開發(fā)一套新的橋梁荷載檢測無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)無線方式下橋梁動靜載的檢測，還可以通過公用網(wǎng)絡實現(xiàn)對異地橋梁進行遠程實時監(jiān)測。 2、基本思路：①采用Zigbee技術實現(xiàn)橋梁荷載檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸；②采用多跳中繼方式實現(xiàn)大跨度橋梁的檢測；③采用周期性更換簇頭的路由算法，保證各節(jié)點傳輸負載均衡且總體能耗最低；④通過移動公用網(wǎng)絡和Google Maps技術實現(xiàn)橋梁檢測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測管理。 3、主要創(chuàng)新點：①采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了傳感器采集數(shù)據(jù)的無線傳輸；②硬件節(jié)點采用電池供電且功耗?。虎蹟?shù)據(jù)傳輸采用多跳中繼方式，延長了傳輸距離。④開發(fā)了一套基于傳感器的二維坐標信息與最短路徑的路由算法保證整個系統(tǒng)能耗最低；⑤系統(tǒng)以CC2430的RSSI數(shù)值為基礎，建立了信號傳播數(shù)學模型，根據(jù)三角形面積相等法確定相關參數(shù)，引入加權因子對坐標數(shù)據(jù)進行修正，實現(xiàn)了對無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的定位；⑥系統(tǒng)網(wǎng)絡采用現(xiàn)場檢測網(wǎng)絡（C/S模式）、公共移動網(wǎng)絡、辦公網(wǎng)絡（B/S模式）三層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，實現(xiàn)了對異地橋梁的遠程實時監(jiān)測。 4、技術指標：傳感器節(jié)點工作頻段2.4GHz，傳輸速率250kbps，休眠模式下最小電流0.9μA，節(jié)點一次充電后可連續(xù)工作6個月，AD轉(zhuǎn)換分辨率14位，采樣頻率20KHz，支持箔式應變計, LVDT位移傳感器、加速度計等多種直流輸出傳感器。
科學性、先進性
- 1、實質(zhì)性技術特點: 現(xiàn)有橋梁荷載檢測設備大多采用有線電纜將傳感器接至采集設備。此方式費時、費力、易出錯，隨著橋梁跨徑的增大，電纜用量劇增，導致現(xiàn)場檢測難以實施[1]。少數(shù)廠家生產(chǎn)的無線檢測設備存在功耗大、易受干擾、價格昂貴等問題。本作品實質(zhì)技術特點如下：①采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡技術將檢測數(shù)據(jù)傳送給上位機進行分析處理并自動打印報表；②采用多跳中繼技術，適合任意跨徑橋梁的檢測。③通過公用移動網(wǎng)絡可對異地橋梁進行遠程監(jiān)測。 2、技術進步：①無線傳輸方式減少了電纜布置和撤移等繁重勞動，縮短了檢測周期而且易于操作；②節(jié)點采集的信號就地進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并無線發(fā)送至PC機，大大提高了信號傳輸?shù)男旁氡群涂垢蓴_性；③通過公用移動網(wǎng)絡和Google Maps技術，實現(xiàn)橋梁檢測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測管理，管理部門可以結(jié)合GIS系統(tǒng)對所轄橋梁集中管理。 3、參考文獻 [1]黃僑，李忠龍，沙學軍，徐玉濱.基于應變式傳感器的橋梁無線測試系統(tǒng)的試驗[J]. 同濟大學學報.2007,35.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1. 榮獲2009年本校“挑戰(zhàn)杯”特等獎 2. 榮獲第七屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學生課外學術科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 知識產(chǎn)權轉(zhuǎn)讓或者合作生產(chǎn)
作品可展示的形式
- ?實物、產(chǎn)品?現(xiàn)場演示?圖片 錄像 樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1、使用方法： 用戶只需將無線傳感器模塊固定在橋梁結(jié)構的被測部位，然后打開各節(jié)點開關和PC機上的采集軟件，就可以開始進行傳感器數(shù)據(jù)采集與處理。傳感器節(jié)點采用電池供電，在檢測過程中無需布置線纜，適用于任意跨度橋梁的檢測。 2、技術特點與優(yōu)勢：與現(xiàn)有檢測設備相比，檢測周期將縮短2/3，成本將節(jié)省1/3，而且便于攜帶、功耗低。 3、推廣前景和市場分析： 我國目前擁有各種類型的公路橋梁59.46萬座，根據(jù)相關標準需要對這些橋梁進行定期的荷載檢測，以評估這些橋梁的健康狀況和運營能力。如果在本作品基礎上開發(fā)的產(chǎn)品能替代現(xiàn)有的檢測設備，將有著巨大的市場推廣前景。 4、經(jīng)濟效益分析： 每套設備預計售價為10萬元人民幣，如果一年能在全國范圍內(nèi)銷售200套的話，每年將產(chǎn)生2，000萬人民幣銷售額和1000萬元人民幣的毛利潤，并且每年可以提供200個左右的就業(yè)崗位和200萬元人民幣的稅收。
同類課題研究水平概述
- 近年來，隨著橋梁無損傷檢測技術、嵌入式系統(tǒng)與無線通訊的快速化發(fā)展，國內(nèi)外關于橋梁檢測系統(tǒng)的研究也在如火如荼地進行。 國外與本課題類似的研究，比較典型的是意大利和美國。2005年，意大利運輸部門開發(fā)了輔助大跨度橋梁在超載或異常條件下的正常運行控制無線通信系統(tǒng)。其傳感器被安放到沿橋梁方向布設的站點上，然后通過無線通信的方式交流站和站之間的信息，形成傳感器的無線網(wǎng)絡連接。該系統(tǒng)的缺點在于采樣時間短且信號傳輸延時過長，數(shù)據(jù)丟失率高。2007年，由美國橋梁診斷公司推出的無線橋梁及結(jié)構試驗系統(tǒng)（STS-WiFi）是用于橋梁和其他結(jié)構荷載測試的設備。該系統(tǒng)使用了1臺獨立的基站，以及多達16臺4通道的STS- WiFi“節(jié)點”，這些“節(jié)點”放置在結(jié)構上靠近傳感器的地方。采用無線通訊的方式，WinSTS軟件界面友好，簡單易用，另外能夠監(jiān)測信號強度和電能的消耗。由于該公司對該知識產(chǎn)權的壟斷導致該設備價格過于昂貴，僅僅一個傳感節(jié)點報價高達6萬元人民幣，整套設備價格高達上百萬元。而且該設備采用802.11b/g 無線傳輸協(xié)議（即無線局域網(wǎng)協(xié)議，也稱為Wi-Fi）而不是無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議802.15.4，因此在“低耗自組、異構互聯(lián)、泛在協(xié)同”方面的性能上不及本系統(tǒng)采用的無線傳感網(wǎng)絡技術，STS-WiFi傳感節(jié)點一次充電僅能運行6小時，明顯不適合長期檢測。 在國內(nèi)，針對橋梁荷載無線傳感網(wǎng)絡技術的研究尚處于起步階段，與本課題相類似的有：北京京南航天數(shù)據(jù)技術有限公司研究出一個傳感器僅連接一個發(fā)射機的無線采集設備，造價高，推廣難度大；長沙金碼高科技實業(yè)有限公司針對橋梁檢測開發(fā)了一套全自動靜態(tài)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需借助現(xiàn)有公用通信網(wǎng)絡，節(jié)點間不能以無線的方式自行組網(wǎng)，在通信網(wǎng)絡信號覆蓋不到的地方不能使用，且不能動態(tài)測試。另外，國內(nèi)一些大學和研究機構也在從事這方面的研究工作。但是，目前國內(nèi)還沒有出現(xiàn)一套完整成形的由無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)的橋梁檢測設備。 所以，開發(fā)一種具有自主產(chǎn)權的橋梁荷載檢測無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)勢在必行。該系統(tǒng)具有很好的應用前景，而且對于我國橋梁檢測技術的發(fā)展具有很好的促進作用。
