基本信息
- 项目名称：
- 桥梁荷载检测无线传感网络系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对现有桥梁荷载检测系统存在的线缆使用量大、信号易受干扰、检测周期长和难以检测大跨度桥梁等问题，开发了桥梁荷载检测无线传感网络系统。该系统采用Zigbee技术实现了桥梁静动载检测数据的无线传输，不仅具有便携性好、无需布线、功耗低、抗干扰性强等特点，而且采用多跳中继方式可以实现大跨度桥梁的检测。系统还设计了一种周期性更换簇头的路由算法，保证各节点传输负载均衡且总体能耗最低，从而延长系统寿命。最后该系统通过移动公用网络和Google Maps技术，实现了桥梁检测数据的远程监测与管理。
- 详细介绍：
- 系统采用基于ZigBee技术的无线传感器网络，传感器节点采集桥梁的静、动载数据并以无线的方式传输到与上位机相连的Sink节点，通过上位机数据分析与处理软件获取评价桥梁健康状况的应变、挠度等参数。通过使用Web GIS技术，该系统不但可以进行桥梁的现场荷载检测，同时还可以对桥梁进行异地实时的监测。与传统桥梁检测相比，该系统具有布线简单、测试周期短、效率高及能耗低等优点，并且检测的桥梁跨径范围也得到了提高。 该系统已在多个桥梁模型上进行了测试，并在实际中的多座大桥上进行了荷载检测。检测效果良好，其检测精度、检测效率、检测范围与市场上同类产品相比，有明显的改善。该系统和传统的桥梁检测设备相比性价比优势显著,在桥梁荷载检测方面具有广阔的应用前景，系统的研制成功对促进整个桥梁检测行业的进步具有重要意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、发明目的：针对现有桥梁荷载检测系统存在的检测信号有线传输导致接线工作量大、信号易受干扰以及特殊环境下检测不易实施等问题，开发一套新的桥梁荷载检测无线传感网络系统。该系统可实现无线方式下桥梁动静载的检测，还可以通过公用网络实现对异地桥梁进行远程实时监测。 2、基本思路：①采用Zigbee技术实现桥梁荷载检测数据的无线传输；②采用多跳中继方式实现大跨度桥梁的检测；③采用周期性更换簇头的路由算法，保证各节点传输负载均衡且总体能耗最低；④通过移动公用网络和Google Maps技术实现桥梁检测数据的远程监测管理。 3、主要创新点：①采用Zigbee无线传感网络技术，实现了传感器采集数据的无线传输；②硬件节点采用电池供电且功耗小；③数据传输采用多跳中继方式，延长了传输距离。④开发了一套基于传感器的二维坐标信息与最短路径的路由算法保证整个系统能耗最低；⑤系统以CC2430的RSSI数值为基础，建立了信号传播数学模型，根据三角形面积相等法确定相关参数，引入加权因子对坐标数据进行修正，实现了对无线传感网络节点的定位；⑥系统网络采用现场检测网络（C/S模式）、公共移动网络、办公网络（B/S模式）三层网络拓扑结构，实现了对异地桥梁的远程实时监测。 4、技术指标：传感器节点工作频段2.4GHz，传输速率250kbps，休眠模式下最小电流0.9μA，节点一次充电后可连续工作6个月，AD转换分辨率14位，采样频率20KHz，支持箔式应变计, LVDT位移传感器、加速度计等多种直流输出传感器。
科学性、先进性
- 1、实质性技术特点: 现有桥梁荷载检测设备大多采用有线电缆将传感器接至采集设备。此方式费时、费力、易出错，随着桥梁跨径的增大，电缆用量剧增，导致现场检测难以实施[1]。少数厂家生产的无线检测设备存在功耗大、易受干扰、价格昂贵等问题。本作品实质技术特点如下：①采用Zigbee无线传感网络技术将检测数据传送给上位机进行分析处理并自动打印报表；②采用多跳中继技术，适合任意跨径桥梁的检测。③通过公用移动网络可对异地桥梁进行远程监测。 2、技术进步：①无线传输方式减少了电缆布置和撤移等繁重劳动，缩短了检测周期而且易于操作；②节点采集的信号就地进行模数转换并无线发送至PC机，大大提高了信号传输的信噪比和抗干扰性；③通过公用移动网络和Google Maps技术，实现桥梁检测数据的远程监测管理，管理部门可以结合GIS系统对所辖桥梁集中管理。 3、参考文献 [1]黄侨，李忠龙，沙学军，徐玉滨.基于应变式传感器的桥梁无线测试系统的试验[J]. 同济大学学报.2007,35.
获奖情况及鉴定结果
- 1. 荣获2009年本校“挑战杯”特等奖 2. 荣获第七届“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 知识产权转让或者合作生产
作品可展示的形式
- 实物、产品现场演示图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用方法： 用户只需将无线传感器模块固定在桥梁结构的被测部位，然后打开各节点开关和PC机上的采集软件，就可以开始进行传感器数据采集与处理。传感器节点采用电池供电，在检测过程中无需布置线缆，适用于任意跨度桥梁的检测。 2、技术特点与优势：与现有检测设备相比，检测周期将缩短2/3，成本将节省1/3，而且便于携带、功耗低。 3、推广前景和市场分析： 我国目前拥有各种类型的公路桥梁59.46万座，根据相关标准需要对这些桥梁进行定期的荷载检测，以评估这些桥梁的健康状况和运营能力。如果在本作品基础上开发的产品能替代现有的检测设备，将有着巨大的市场推广前景。 4、经济效益分析： 每套设备预计售价为10万元人民币，如果一年能在全国范围内销售200套的话，每年将产生2，000万人民币销售额和1000万元人民币的毛利润，并且每年可以提供200个左右的就业岗位和200万元人民币的税收。
同类课题研究水平概述
- 近年来，随着桥梁无损伤检测技术、嵌入式系统与无线通讯的快速化发展，国内外关于桥梁检测系统的研究也在如火如荼地进行。 国外与本课题类似的研究，比较典型的是意大利和美国。2005年，意大利运输部门开发了辅助大跨度桥梁在超载或异常条件下的正常运行控制无线通信系统。其传感器被安放到沿桥梁方向布设的站点上，然后通过无线通信的方式交流站和站之间的信息，形成传感器的无线网络连接。该系统的缺点在于采样时间短且信号传输延时过长，数据丢失率高。2007年，由美国桥梁诊断公司推出的无线桥梁及结构试验系统（STS-WiFi）是用于桥梁和其他结构荷载测试的设备。该系统使用了1台独立的基站，以及多达16台4通道的STS- WiFi“节点”，这些“节点”放置在结构上靠近传感器的地方。采用无线通讯的方式，WinSTS软件界面友好，简单易用，另外能够监测信号强度和电能的消耗。由于该公司对该知识产权的垄断导致该设备价格过于昂贵，仅仅一个传感节点报价高达6万元人民币，整套设备价格高达上百万元。而且该设备采用802.11b/g 无线传输协议（即无线局域网协议，也称为Wi-Fi）而不是无线传感网络协议802.15.4，因此在“低耗自组、异构互联、泛在协同”方面的性能上不及本系统采用的无线传感网络技术，STS-WiFi传感节点一次充电仅能运行6小时，明显不适合长期检测。 在国内，针对桥梁荷载无线传感网络技术的研究尚处于起步阶段，与本课题相类似的有：北京京南航天数据技术有限公司研究出一个传感器仅连接一个发射机的无线采集设备，造价高，推广难度大；长沙金码高科技实业有限公司针对桥梁检测开发了一套全自动静态网络数据采集系统，但该系统需借助现有公用通信网络，节点间不能以无线的方式自行组网，在通信网络信号覆盖不到的地方不能使用，且不能动态测试。另外，国内一些大学和研究机构也在从事这方面的研究工作。但是，目前国内还没有出现一套完整成形的由无线传感网络实现的桥梁检测设备。 所以，开发一种具有自主产权的桥梁荷载检测无线传感网络系统势在必行。该系统具有很好的应用前景，而且对于我国桥梁检测技术的发展具有很好的促进作用。
