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　　摘 要: 橋梁的自然老化、劣化將會影響其安全與正常使用, 甚至造成重大的人員傷亡和財產損失, 已成為交通運輸部門關注的嚴重問題。本文將無線傳感器網絡技術引入橋梁結構健康監測領域。提出了橋梁鋼筋電阻檢測方案。對傳感器網絡操作系統（TinyOS）進行了研究和移植。

　　1 引言

　　無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensol Network)是計算機、通信和傳感器三項技術相結合的產物，是目前計算機科學領域一個非常活躍的研究分支。2003年2月美國技術論雜志（《Technology Review》）*出對人類未來生活產生深遠影響的十大新技術，無線傳感器網絡被列為第一。通過無線傳感器網絡，能夠實時地監測、感知和采集其節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如溫度、濕度、應變、撓度、振動等物理現象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、醫療護理、 智能家居、 工業生產控制、 環境監測等領域有著廣闊的應用前景。橋梁結構健康監測系統是一個特殊的環境監測系統。

　　橋梁是交通運輸網絡的重要組成部分,一旦橋梁出現坍塌, 造成的經濟損失和災害將十分巨大。如加拿大(魁北克,1907 年) 、美國(塔科馬海峽,1940 年) 、韓國(漢江圣水,1994年) 、中國的綦江彩虹橋(1999 年)、中國的江蘇常州運河大橋[3](2007 年)等。因此, 及時獲取橋梁結構狀態參數（應變、撓度、振動等），開展狀態參數監測及安全*估工作, 對全面分析和了解橋梁工作狀態、實現事故預先報警、預防突發性災難、避免人員傷亡和確保基礎設施安全意義非常重大。

　　2 系統的體系結構

　　本系統采用同構型體系結構，如圖1 所示，它包括傳感器節點、網關、互聯網和監控中心等。傳感器節點主要分布在橋體中，節點具有信息獲取、信號處理、路由計算和信息轉發的功能。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向網關發送。網關可以使用多種方式與外部網絡通信，如Internet、衛星或移動通信網絡等。

　圖1 傳感器網絡的體系結構

　　3 網絡節點設計

　　在不同應用中, 傳感器網絡節點的組成不盡相同, 但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。對于我們研究的橋梁結構健康監測系統，傳感器部分有內模塊和外模塊之分， 內模塊檢測溫度、濕度等常規狀態參數；外模塊一般要在建橋過程中一起規劃安裝。這里我們提出兩種傳感器外模塊方案：光纖傳感器埋入式和橋梁鋼筋電阻檢測式。 光纖傳感器埋入式是1989 年美國Brown University 的Mendez 等人首次提出，隨后美國、歐洲、日本等國家的一些學者開始將這一高新技術應用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。橋梁鋼筋電阻檢測方案是我們新提出來的，其應用更簡單有效。光纖傳感器埋入式方案的特點是，光纖傳感器耐腐蝕性強、耐久性好，因其體積小、重量輕、結構簡單,故埋入土木工程結構后對基體材料特性幾乎沒有影響。 利用單模和多模光纖傳感器可以探測混凝土構件（如梁、板、柱）實體結構的應力、應變、撓度、彎曲、凝結、裂縫、蠕變以及整個結構的位移等參數。橋梁鋼筋電阻檢測方案的使用條件是要求被測鋼筋不短路（用絕緣材料做鋼筋箍），通過測試橋梁結構中的關鍵鋼筋阻值變化情況判斷橋梁的狀態變化。

　　處理器模塊選用Atmel 公司的8 位低功耗AVR 微處理器芯片atmega128L 作為傳感器節點的CPU, 負責數據的存儲和處理。無線通信模塊采用支持IEEE 802.15.4 協議的無線收發芯片CC2420。 CC2420 在硬件上實現了IEEE 802.15.4 的MAC 子層安全操作, 跟處理器之間通過SPI 接口訪問。電源部分則采用3 節7 號鋰電池供電。

　　4 TinyOS 的研究與移植

　　TinyOS 是由UCBerkeley 開發的一種基于組件的開源嵌入式操作系統,其應用領域是無線傳感器網絡。在傳感器網絡中, 傳感器節點有兩個突出的特點: 一是并發性強, 可能存在多個需要同時執行的邏輯控制; 二是節點的模塊化程度高。這兩個特點給設計面向傳感器網絡的操作系統提出了新的挑戰。針對這些特點, 加州大學伯克利分校開發出了適合無線傳感網絡的組件化編程語言nesC 和微型操作系統TinyOS, 引入了輕量級線程( lightweight thread) 、主動消息( active message) 、事件驅動( event-driven) 模式、 組件化編程( componentbased programming ) 等技術, 很好地利用了傳感器節點的有限資源。目前這個系統被國內外大學和研究機構廣泛應用。

　　4.1 TinyOS 的組件模型

　　TinyOS 基于組件化編程語言nesC 實現, 將模塊化/組件化編程同基于事件驅動的執行聯系起來。可以將TinyOS 及在其上運行的應用程序看成是由許多功能獨立且相互有聯系的軟件組件構成, 一個組件提供一些接口。接口中包含命令和事件,命令是接口具有的功能,接口使用者可以通過關鍵字call 來調用命令; 事件是接口具有事件通告的能力, 可以通過關鍵字signal 來通知使用者事件發生, 事件在接口使用者的組件中實現。組件又分為模塊文件(module)和配線文件(configuration)兩種。模塊文件具體實現接口中的命令和事件; 配線文件則完成組件之間的接口連接。一般一個應用程序,只能有一個頂層配件。

　　4.2 TinyOS 的調度機制

　　TinyOS 的調度機制比較簡單, 按照輕量級線程( 即任務) 以FIFO 的方式調度, 線程之間不允許強占; 當有硬件中斷到來時,可以打斷用戶的輕量級線程, 對硬件中斷進行快速響應。任務可以調用下層命令, 可以向上層發信號通知事件發生, 也可以在組件內部調度其他任務。任務的原子性, 使得TinyOS 只需要維護一個任務堆棧就可以了。這種方法在資源極其有限的傳感器節點中顯得十分有效。TinyOS 是事件驅動型的操作系統。當一個任務完成后, 就可以觸發一個事件, TinyOS就會自動調用相應的處理函數。因此, CPU 只有在有事件觸發時才喚醒處理, 其余時間都可以處于睡眠狀態, 從而可以大大降低系統的能耗。

　　4.3 TinyOS 通信機制

　　TinyOS 的通信方式采用主動消息模型(AM)。AM是面向消息通信的一種通信模式, 它是基于地址的, 并且支持信息確認和分發。為了在應用層實現更加復雜的通信協議, 需要把主動消息模型實現為TinyOS 的一個基本通信組件, 這樣既可以屏蔽下層不同的通信硬件, 也可以為上層提供統一的通信原語, 方便應用開發。當數據通過網絡到達傳感器節點時, 首先要進行緩存, 然后主動消息的分發(dispatch)層把緩存中的消息交給上層處理。因為nesC不支持動態分配內存, 所以要求每個應用程序在消息被釋放以后, 必須能返回一塊未用的內存, 來接收下一個將要到來的消息。因此, 主動消息通信組件需要維持一個額外的消息緩存。在TinyOS 中, 每次消息發送后, 接收方都會發送一個同步的確認消息。為了節省開銷,在主動消息的最底層生成確認包,并且每次僅僅發送一個隨機數序列作為確認。

　　4.4 TinyOS的移植處理

　　TinyOS 操作系統的移植主要考慮硬件處理器是否支持對nesC(gcc) 的編譯, 以及對TinyOS 中與硬件平臺相關部分的處理。我們選用Atmel 公司的AVR 芯片作為微處理器, gcc對AVR 有良好的支持, 因此不需要做nesC 從GCC 里的解耦。TinyOS 有三層硬件抽象結構(HAA) , 分別為硬件描述層(HPL) 、硬件改編層(HAL) 和硬件接口層(HIL) 。分層結構和組件化描述提高了可移植性, 并簡化了應用層軟件的開發。越底層的跟硬件越相關, 上層的組件調用下層提供的接口。HPL層主要是對硬件資源的描述, 通過內存或I/O 映射端口與硬件建立通訊。它隱藏了硬件的復雜性, 為上層提供顯示硬件能力的接口; HAL則是在HPL基礎上對硬件特定功能的封裝, 是與硬件相關的功能函數接口; HIL則是與硬件無關的功能函數接口。

　　據上分析，移植時, 只需要根據我們硬件平臺的資源修改HPL和HAL開頭的文件即可, 在HPL文件中加入硬件資源的描述, 在HAL文件中修改硬件資源的功能函數。

　　5 網絡通信協議

　　目前, 通信協議特別是鏈路層的MAC協議和網絡層的路由協議是傳感網絡研究的熱點。針對不同的應用, 研究人員提出了不同的MAC 協議和路由協議, 這些協議各有長處。本系統在網絡層采用CTP(Collection Tree Protocol) 路由協議, 鏈路層則采用LEEP( Link Es timate ExchangeProtocol)協議來計算雙向鏈路質量, 以給上層的路由選擇提供基礎。通訊協議抽象層結構如圖2。

圖2 系統通訊協議層結構

　　5.1 CTP協議的實現

　　CTP協議是基于樹的多跳協議。把網絡中的節點抽象為樹,每棵樹有一個根節點, 負責收集這棵樹所有節點的信息。網絡中節點通過路由梯度值(ETX)逐跳地選擇路由, 直至到達根節點。根節點的ETX為0, 每個子節點的ETX值等于父節點的ETX值加上該節點到它父節點的路徑ETX值。因此, ETX值是沿著往根節點的方向遞減的, CTP選擇路徑ETX值最小的路徑作為路由。

　　CTP的實現是基于下層鏈路估計結果的。鏈路估計會維護一個鄰節點表, 表中存儲了每個鄰節點的路徑ETX 值。CTP協議中的CtpRoutingEngine 組件實現了路由的選擇, 它根據鄰節點的ETX值為數據傳輸選擇下一個路由。另一個關鍵的組件函數CtpForwardingEngine, 該組件主要是維護一個消息發送隊列, 往下層發送本地產生的或者轉發過來的數據包; 該組件還能夠檢測重復發送的數據包, 以抑制重復發包。

　　實現的四個關鍵函數是: 數據包接收(SubReceive.receive())、數據包轉發(forward())、包傳輸(sendTask())和發送完成事件(SubSend.sendDone())。

　　函數SubReceive.receive ()決定是否要轉發包。通過維護一個最近收到的包緩存來檢查是否有重復包。如果判定一個包不是重復包, 則調用forward()函數。

　　forward()函數封裝好要發送的包。這個函數同時檢查是否有回環。發送時將包放到發送隊列中去, 若隊列滿了, 就丟棄該包, 并把C位置1。如果隊列為空, 則立即post 發送任務。

　　sendTask()檢查發送隊列頭部的數據包, 封裝好后提交給AM層。發送完成后, sendDone()函數檢查發送的結果。如果該數據包已經被確認過了, 則將該包從隊列中取出。如果是本地的包, 發送事件通知給上層的客戶。如果是轉發來的包, 則將它放到轉發消息池中。如果隊列中還有包的話, 就啟動一個隨機時鐘, 重新post發送任務。

　　5.2 LEEP協議的實現

　　LEEP 是一種鏈路估計交換協議, 主要是用來計算某節點與鄰節點之間的雙向鏈路質量。節點A→B的鏈路質量是指B成功接收到A發送的數據包的概率。節點(A, B)間的雙向鏈路質量是A→B的鏈路質量(in-bound 鏈路質量)與B→A的鏈路質量(out-bound 鏈路質量) 的乘積。

　　6 結束語

　　基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測系統，我們對傳感器節點的設計和支持系統運行的嵌入式操作系統TinyOS的移植問題進行了研究。還有兩個問題需要進一步深入研究，一個是傳感器網絡的休眠節能技術需要解決網絡各節點的同步問題；第二個問題是建立橋梁結構健康*估專家系統，能夠根據傳感器網絡匯總的大量橋梁結構信息作出準確的分析判斷，從而實現事故預報警，預防突發性災難，確保橋梁安全。