Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2010 №3

Беспроводная система мониторинга состояния строительных конструкций

Баскаков Сергей


В статье показана целесообразность применения технологии беспроводных сенсорных сетей в области обеспечения безопасности строительных сооружений и представлена беспроводная система контроля напряженно-деформированного состояния и структурной целостности строительных конструкций.

Введение

По мере увеличения масштабов строительства объектов с уникальной конструкцией (высотные и большепролетные здания, спортивные сооружения, мосты, дамбы и т. п.) все более актуальной становится задача обеспечения комплексной безопасности строительных сооружений. Основным элементом в решении этой задачи является мониторинг структурной целостности и напряженно-деформированного состояния строительных конструкций с целью своевременного обнаружения дефектов и принятия мер по их устранению.

Причинами дефектов могут быть ошибки при проектировании, низкое качество расходных материалов, нарушение технологии строительных работ, ухудшение свойств материалов из-за износа и коррозии, а также различные внешние воздействия (землетрясения, наводнения и т. п.). При этом возникновение и развитие дефектов может иметь случайный характер, поэтому целесообразен переход от периодического визуального и инструментального обследования силами специалистов к автоматизированным системам мониторинга либо сочетание данных видов контроля.

В последнее время в области строительного мониторинга постоянно возрастает интерес к применению беспроводных сенсорных сетей для сбора показаний с распределенных датчиков, поскольку такой подход значительно сокращает затраты времени и средств на монтаж, пусконаладку и последующее техническое сопровождение системы. Кроме того, беспроводные системы мониторинга могут быть незаменимы для обеспечения контроля состояния зданий, представляющих историческую ценность, а также как временные средства контроля, используемые только на некоторых этапах строительных работ.

В настоящей статье представлена автоматизированная беспроводная система мониторинга ML-SM, предназначенная для непрерывного статического контроля напряженно-деформированного состояния и структурной целостности строительных конструкций, а также параметров окружающей среды.

Состав системы

Система ML-SM построена на основе отечественной аппаратно-программной платформы MeshLogic и представляет собой беспроводную сенсорную сеть, состоящую из множества распределенных в пространстве узлов ML-SM-S с датчиками, одного шлюза ML-SM-G (точка сбора) и сервера на базе персонального компьютера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема системы мониторинга

Датчики подключаются к сенсорным узлам кабелями длиной до нескольких метров в зависимости от типа датчика и схемы включения. Для организации беспроводной сети из узлов и шлюза используются маломощные радиочастотные приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4 нелицензируемого диапазона 2,4 ГГц. Дальность связи между соседними узлами определяется условиями распространения сигналов и может достигать нескольких десятков метров.

Беспроводные сенсорные узлы с заданным периодом выполняют нормализацию и аналого-цифровое преобразование сигналов с подключенных к ним внешних датчиков, а также первичную обработку. Далее полученные результаты в виде пакета с цифровыми данными передаются в точку сбора по радиоканалу. При этом в общем случае сеть имеет многоячейковую топологию, то есть каждый узел в случае необходимости ретранслирует пакеты для их доставки точке сбора. Сенсорные узлы автоматически выполняют поиск маршрутов доставки пакетов как при первоначальном развертывании сети, так и в случае выхода соседних узлов из строя. За счет этого достигается более высокая степень надежности по сравнению с проводными системами передачи данных, так как при проведении строительных работ крайне высока вероятность механических повреждений кабельных линий связи.

В целом применение стека MeshLogic позволило обеспечить следующие преимущества подсистемы сбора данных:

  • гибкость конфигурации при установке датчиков и сенсорных узлов;
  • снижение трудозатрат на монтаж, пусконаладку и сопровождение;
  • простота наращивания системы;
  • высокая отказоустойчивость в условиях возможного выхода из строя датчиков или сенсорных узлов;
  • длительный срок службы элементов питания сенсорных узлов за счет автоматического перехода в «спящий» режим.

Полученные от сенсорных узлов данные шлюз сохраняет в энергонезависимой памяти, отмечая время их поступления и другую служебную информацию для однозначного последующего восстановления из архива собранных данных. Таким образом, шлюз выполняет функцию автономного регистратора показаний, поступающих от распределенных датчиков.

Далее с помощью специального программного обеспечения информация из шлюза может быть загружена на сервер для отображения и последующей обработки.

Беспроводной сенсорный узел

Беспроводной сенсорный узел ML-SM-S (рис. 2) состоит из аналоговых цепей согласования сигналов с датчиков, многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя, радиомодуля ML-Module-Z со встроенным сетевым стеком MeshLogic, управляющего микроконтроллера и системы автономного питания из четырех Li/SOCL2-батарей типоразмера AA.

Рис. 2. Беспроводной сенсорный узел

В узле может быть задействовано до 7 несимметричных или до 4 дифференциальных входов аналого-цифрового преобразователя (или комбинация обоих типов входов), а также цифровые интерфейсы 1-wire и I2C. В результате каждый узел способен обслуживать следующие типы внешних датчиков:

  • тензометрические датчики:
    • четвертьмостовая схема, 1 датчик (2- или 3-проводное подключение);
    • четвертьмостовая схема, 2 последовательных датчика в одном плече (2- или 3-проводное подключение);
    • четвертьмостовая схема, 4 датчика (2- или 3-проводное подключение);
    • полумостовая схема, 2 датчика (2- или 3-проводное подключение);
    • полумостовая схема, 2 датчика в диагональных плечах (2- или 3-проводное подключение);
    • полный мост (4- или 6-проводное подключение);
  • потенциометрические датчики перемещения (раскрытия трещин);
  • термосопротивления, 2-, 3- или 4-проводное подключение;
  • цифровые датчики (например, температуры) с интерфейсом 1-wire или I2C.

Для измерения параметров окружающей среды к узлу подключается внешний цифровой интегрированный датчик температуры и относительной влажности ML-SHT (рис. 3). Объединение в одном корпусе двух чувствительных элементов позволяет с высокой точностью вычислять точку росы и другие климатические показатели, одновременно зависящие от температуры и влажности.

Рис. 3. Комбинированный датчик температуры
и относительной влажности

Узлы работают от батарей, срок службы которых достигает нескольких лет в зависимости от выбранного периода измерений (типовое значение 1 минута и более) и масштаба сети (длина цепочек ретрансляции до шлюза). В качестве примера рассмотрим сеть с топологией в виде линейной цепи из 20 сенсорных узлов, каждый из которых с заданным периодом опрашивает 4 тензодатчика с номинальным сопротивлением 350 Ом и передает результаты шлюзу. На рис. 4 приведены оценки срока службы элементов питания узлов в зависимости от расстояния до точки сбора и выбранного периода измерения.

Рис. 4. Срок службы элементов питания
сенсорных узлов

Срок службы может быть увеличен путем установки в сети нескольких шлюзов (поддерживается до 4), а также применением событийной модели передачи сообщений (например, данные передаются только при превышении сигнала с датчика некоторого заданного порога).

Беспроводной шлюз и сервер

Функция беспроводного шлюза ML-SM-G заключается в приеме данных от множества беспроводных сенсорных узлов ML-SM-S, их накоплении в энергонезависимой памяти, а также выдаче информации по запросу от сервера. В зависимости от условий применения системы мониторинга ML-SM возможны следующие варианты взаимодействия шлюза и сервера:

  • локальное подключение к серверу по интерфейсу USB, RS-232 или RS-485 (рис. 5);
  • удаленное подключение к серверу через GSM-модем при стационарном питании (рис. 6);
  • удаленное подключение к серверу через GSMмодем при автономном питании (рис. 7).

Рис. 5. Беспроводной шлюз

Рис. 6. Оборудование удаленного доступа при стационарном питании

Рис. 7. Оборудование удаленного доступа
при автономном питании

Первый вариант наиболее прост в реализации и предназначен для систем, в которых возможно организовать проводной канал связи между беспроводной сетью сбора данных и сервером, выполняющим последующую обработку и анализ полученной информации, то есть все оборудование монтируется непосредственно на объекте, подлежащем мониторингу. В этом случае обеспечивается наиболее оперативный контроль состояния наблюдаемого объекта, поскольку показания датчиков могут поступать на сервер без промежуточной буферизации в шлюзе.

Однако применение локального подключения шлюза к серверу ограничено тем, что во многих ситуациях невозможна установка сервера на строительном объекте (например, отсутствие отапливаемого помещения), а также предполагается, что персонал, наблюдающий за состоянием объекта, имеет постоянный доступ к серверу. Поэтому был разработан вариант удаленного подключения к шлюзу по GSM-каналу связи, при котором оборудование беспроводной сети (датчики, сенсорные узлы и шлюз) устанавливается на строительных конструкциях, а сервер – в любом другом удобном месте (например, в офисе обслуживающей организации). При этом автономный вариант комбинации шлюза и GSM-модема (рис. 7) позволяет эксплуатировать систему мониторинга на объектах без какого-либо электроснабжения, что расширяет диапазон типов строительных конструкций, на которых может быть внедрено представленное решение.

Важное преимущество удаленного доступа заключается в том, что обеспечивается возможность квалифицированным специалистам осуществлять мониторинг строительных объектов, находящихся в различных частях города, разных городах или даже странах, без необходимости периодического выезда и осмотра. Следовательно, сокращаются общие затраты на обслуживание системы, а оперативность контроля повышается. Специальное программное обеспечение сервера (рис. 8) предназначено для настройки параметров беспроводной сети (например, период измерения и передачи показаний датчиков), считывания со шлюза накопленной информации, ее отображения в виде таблиц и графиков, а также сохранения данных в виде файлов для архивирования и последующей обработки в сторонних специализированных математических пакетах.

Рис. 8. Программное обеспечение сервера

Заключение

Представленная в статье беспроводная система мониторинга состояния строительных конструкций является эффективным средством в комплексе мер по обеспечению безопасности зданий и сооружений и наглядно демонстрирует одну из областей практического применения технологии беспроводных сенсорных сетей MeshLogic.

На данном этапе система обеспечивает только сбор, регистрацию и отображение показаний от множества датчиков, установленных на различных элементах конструкций для контроля их напряженно-деформированного состояния и структурной целостности. Дальнейшая интерпретация и анализ полученных данных требуют применения экспертных знаний и специализированных математических пакетов, но по мере накопления опыта функционал системы будет расширяться.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке