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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 橋梁荷載檢測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)現(xiàn)有橋梁荷載檢測(cè)系統(tǒng)存在的線纜使用量大、信號(hào)易受干擾、檢測(cè)周期長(zhǎng)和難以檢測(cè)大跨度橋梁等問(wèn)題，開發(fā)了橋梁荷載檢測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了橋梁靜動(dòng)載檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，不僅具有便攜性好、無(wú)需布線、功耗低、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且采用多跳中繼方式可以實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的檢測(cè)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一種周期性更換簇頭的路由算法，保證各節(jié)點(diǎn)傳輸負(fù)載均衡且總體能耗最低，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。最后該系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)公用網(wǎng)絡(luò)和Google Maps技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理。
- 詳細(xì)介紹：
- 系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集橋梁的靜、動(dòng)載數(shù)據(jù)并以無(wú)線的方式傳輸?shù)脚c上位機(jī)相連的Sink節(jié)點(diǎn)，通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)分析與處理軟件獲取評(píng)價(jià)橋梁健康狀況的應(yīng)變、撓度等參數(shù)。通過(guò)使用Web GIS技術(shù)，該系統(tǒng)不但可以進(jìn)行橋梁的現(xiàn)場(chǎng)荷載檢測(cè)，同時(shí)還可以對(duì)橋梁進(jìn)行異地實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)相比，該系統(tǒng)具有布線簡(jiǎn)單、測(cè)試周期短、效率高及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且檢測(cè)的橋梁跨徑范圍也得到了提高。 該系統(tǒng)已在多個(gè)橋梁模型上進(jìn)行了測(cè)試，并在實(shí)際中的多座大橋上進(jìn)行了荷載檢測(cè)。檢測(cè)效果良好，其檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、檢測(cè)范圍與市場(chǎng)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(cè)設(shè)備相比性價(jià)比優(yōu)勢(shì)顯著,在橋梁荷載檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，系統(tǒng)的研制成功對(duì)促進(jìn)整個(gè)橋梁檢測(cè)行業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有橋梁荷載檢測(cè)系統(tǒng)存在的檢測(cè)信號(hào)有線傳輸導(dǎo)致接線工作量大、信號(hào)易受干擾以及特殊環(huán)境下檢測(cè)不易實(shí)施等問(wèn)題，開發(fā)一套新的橋梁荷載檢測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線方式下橋梁動(dòng)靜載的檢測(cè)，還可以通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)異地橋梁進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 2、基本思路：①采用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁荷載檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；②采用多跳中繼方式實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的檢測(cè)；③采用周期性更換簇頭的路由算法，保證各節(jié)點(diǎn)傳輸負(fù)載均衡且總體能耗最低；④通過(guò)移動(dòng)公用網(wǎng)絡(luò)和Google Maps技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理。 3、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：①采用Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器采集數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；②硬件節(jié)點(diǎn)采用電池供電且功耗小；③數(shù)據(jù)傳輸采用多跳中繼方式，延長(zhǎng)了傳輸距離。④開發(fā)了一套基于傳感器的二維坐標(biāo)信息與最短路徑的路由算法保證整個(gè)系統(tǒng)能耗最低；⑤系統(tǒng)以CC2430的RSSI數(shù)值為基礎(chǔ)，建立了信號(hào)傳播數(shù)學(xué)模型，根據(jù)三角形面積相等法確定相關(guān)參數(shù)，引入加權(quán)因子對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位；⑥系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)（C/S模式）、公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)（B/S模式）三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異地橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 4、技術(shù)指標(biāo)：傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)一次充電后可連續(xù)工作6個(gè)月，AD轉(zhuǎn)換分辨率14位，采樣頻率20KHz，支持箔式應(yīng)變計(jì), LVDT位移傳感器、加速度計(jì)等多種直流輸出傳感器。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn): 現(xiàn)有橋梁荷載檢測(cè)設(shè)備大多采用有線電纜將傳感器接至采集設(shè)備。此方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、易出錯(cuò)，隨著橋梁跨徑的增大，電纜用量劇增，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)難以實(shí)施[1]。少數(shù)廠家生產(chǎn)的無(wú)線檢測(cè)設(shè)備存在功耗大、易受干擾、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。本作品實(shí)質(zhì)技術(shù)特點(diǎn)如下：①采用Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行分析處理并自動(dòng)打印報(bào)表；②采用多跳中繼技術(shù)，適合任意跨徑橋梁的檢測(cè)。③通過(guò)公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)異地橋梁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。 2、技術(shù)進(jìn)步：①無(wú)線傳輸方式減少了電纜布置和撤移等繁重勞動(dòng)，縮短了檢測(cè)周期而且易于操作；②節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)就地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并無(wú)線發(fā)送至PC機(jī)，大大提高了信號(hào)傳輸?shù)男旁氡群涂垢蓴_性；③通過(guò)公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Google Maps技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理，管理部門可以結(jié)合GIS系統(tǒng)對(duì)所轄橋梁集中管理。 3、參考文獻(xiàn) [1]黃僑，李忠龍，沙學(xué)軍，徐玉濱.基于應(yīng)變式傳感器的橋梁無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2007,35.
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1. 榮獲2009年本?！疤魬?zhàn)杯”特等獎(jiǎng) 2. 榮獲第七屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓或者合作生產(chǎn)
作品可展示的形式
- ?實(shí)物、產(chǎn)品?現(xiàn)場(chǎng)演示?圖片 錄像 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、使用方法： 用戶只需將無(wú)線傳感器模塊固定在橋梁結(jié)構(gòu)的被測(cè)部位，然后打開各節(jié)點(diǎn)開關(guān)和PC機(jī)上的采集軟件，就可以開始進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集與處理。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需布置線纜，適用于任意跨度橋梁的檢測(cè)。 2、技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：與現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備相比，檢測(cè)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(chǎng)分析： 我國(guó)目前擁有各種類型的公路橋梁59.46萬(wàn)座，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要對(duì)這些橋梁進(jìn)行定期的荷載檢測(cè)，以評(píng)估這些橋梁的健康狀況和運(yùn)營(yíng)能力。如果在本作品基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品能替代現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備，將有著巨大的市場(chǎng)推廣前景。 4、經(jīng)濟(jì)效益分析： 每套設(shè)備預(yù)計(jì)售價(jià)為10萬(wàn)元人民幣，如果一年能在全國(guó)范圍內(nèi)銷售200套的話，每年將產(chǎn)生2，000萬(wàn)人民幣銷售額和1000萬(wàn)元人民幣的毛利潤(rùn)，并且每年可以提供200個(gè)左右的就業(yè)崗位和200萬(wàn)元人民幣的稅收。
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)，隨著橋梁無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與無(wú)線通訊的快速化發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁檢測(cè)系統(tǒng)的研究也在如火如荼地進(jìn)行。 國(guó)外與本課題類似的研究，比較典型的是意大利和美國(guó)。2005年，意大利運(yùn)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(yùn)行控制無(wú)線通信系統(tǒng)。其傳感器被安放到沿橋梁方向布設(shè)的站點(diǎn)上，然后通過(guò)無(wú)線通信的方式交流站和站之間的信息，形成傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于采樣時(shí)間短且信號(hào)傳輸延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)丟失率高。2007年，由美國(guó)橋梁診斷公司推出的無(wú)線橋梁及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)（STS-WiFi）是用于橋梁和其他結(jié)構(gòu)荷載測(cè)試的設(shè)備。該系統(tǒng)使用了1臺(tái)獨(dú)立的基站，以及多達(dá)16臺(tái)4通道的STS- WiFi“節(jié)點(diǎn)”，這些“節(jié)點(diǎn)”放置在結(jié)構(gòu)上靠近傳感器的地方。采用無(wú)線通訊的方式，WinSTS軟件界面友好，簡(jiǎn)單易用，另外能夠監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和電能的消耗。由于該公司對(duì)該知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壟斷導(dǎo)致該設(shè)備價(jià)格過(guò)于昂貴，僅僅一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)報(bào)價(jià)高達(dá)6萬(wàn)元人民幣，整套設(shè)備價(jià)格高達(dá)上百萬(wàn)元。而且該設(shè)備采用802.11b/g 無(wú)線傳輸協(xié)議（即無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議，也稱為Wi-Fi）而不是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議802.15.4，因此在“低耗自組、異構(gòu)互聯(lián)、泛在協(xié)同”方面的性能上不及本系統(tǒng)采用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，STS-WiFi傳感節(jié)點(diǎn)一次充電僅能運(yùn)行6小時(shí)，明顯不適合長(zhǎng)期檢測(cè)。 在國(guó)內(nèi)，針對(duì)橋梁荷載無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)有限公司研究出一個(gè)傳感器僅連接一個(gè)發(fā)射機(jī)的無(wú)線采集設(shè)備，造價(jià)高，推廣難度大；長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司針對(duì)橋梁檢測(cè)開發(fā)了一套全自動(dòng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(luò)，節(jié)點(diǎn)間不能以無(wú)線的方式自行組網(wǎng)，在通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不到的地方不能使用，且不能動(dòng)態(tài)測(cè)試。另外，國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也在從事這方面的研究工作。但是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有出現(xiàn)一套完整成形的由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的橋梁檢測(cè)設(shè)備。 所以，開發(fā)一種具有自主產(chǎn)權(quán)的橋梁荷載檢測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)勢(shì)在必行。該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景，而且對(duì)于我國(guó)橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有很好的促進(jìn)作用。
