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摘要：随着当前社会科学技术的不断进步，其对桥梁事业的需求也越来越高，其能够通过适当的监测系统方式及时的了解桥梁工程中整体结构的健康情况，从而对保证桥梁工程的结构安全起着非常重要的作用，同时也为桥梁修护加固提供了重要的依据，也能够节约修护重建的施工成本，在社会中不会影响到桥梁的正常使用。因此，本文就将对无线传感器的桥梁监测系统方面进行全面的分析，从而对无线传感器桥梁监测系统中的一些不利因素进行研究，从而达到对桥梁健康情况的检测。
关键词：无线传感器;桥梁;监测系统;研究
前言：随着通信技术和无线传感器技术的不断发展，人工监测方式在当前的时代中对其应用比价局限性，因此桥梁监测系统也就应运而生，其无线传感器的桥梁监测系统受到非常多人的重视。无线传感器的桥梁监测系统主要是无线传感器技术与结构监测相结合而成的，是一套自动化、智能化的桥梁监测系统，同时也有着成本比较低、安装便利等优点。并且它采用频率法加速度传感器测量一段时间内的桥梁索力，并将数据通过无线传感器技术传输到监测系统中去，实现对桥梁状态的实际监测。
一、无线传感器及桥梁监测系统的基本概述
（一）无线传感器的基本概述
无线传感器主要是一个新的结构系统，利用多个传感器节点通过自我组织和无线网络来进行互相的传递信息，并协同完成相应的功能。它集成了传感器技术、嵌入式计算机技术、无线网络技术以及分布式信息技术。在实践应用当中，可以把很多廉价的小型无线传感器节点随机的放到人们无法靠近以及不伤害人们的位置中去，从而对于网络信息覆蓋地方内的环境以及物质进行相应的实践监测、感应和收集。对于无线传感器来说，它已广泛的应用到了农业、工业、军事、交通、医疗、安全等各个行业中去。对于它的研究开发及使用，对社会经济的发展各个方面都有很大的关系。因无线传感器具有广泛的使用前景以及很大的使用价值，这些年来也引起了世界各国的重点关注，而且也投入了比较多的资金，极大地促进了无线传感器的可持续发展，使其在更多的领域中发挥其真正的作用[1]。
（二）无线传感器在桥梁监测系统中的基本概述
从这些看来，无线传感器在桥梁监测系统的研究主要是集中在完整结构评估以及理论方面中。由于振动理论的完整性评估技术在航空航天、机械等行业中的研究和应用，该技术已经广泛的应用在民用结构（无损检测除外）的完整性评估方面中。人们之所以选择振动理论的结构完整性评价方式，主要是因为它可以从桥梁的运行过程中获取结构的振动信息。桥梁监测在我国尚处于一个起步阶段，因各个方面的原因，几种桥梁监控系统依旧存在着不同的缺点。随着桥梁监测系统研究的进一步发展，人们对桥梁的认知程度和要求也正在逐渐的有所提高。对于检测系统来说还需要进行远程的监控、提升系统的安全性、规范信息的处理和研究相应理论等一系列工作，从而使它的前景能够越来越宽广。开发一套实用的无线传感器桥梁监测系统是在实践应用中急需要解决的一个大问题[2]。
二、整体结构分析
无线传感器网络是由网络节点以自组织的方式构建的，主要分为以下几种结构：即平等结构和分层分布式结构。由于桥梁监测区域大、分散，采用点对点拓扑布局方法，将传感器网络布置在集中监控区域，然后通过网关与控制中心进行通信。拓扑结构如图1所示[3]。
网络的主要组成部分如下。
传感器节点：传感器定期采集的振动信息通过多跳路由发送到桥梁监控管理中心。网关：位于传感器网络的边缘，实现传感器网络与Internet的互联，实现传感器网络协议到Internet协议的转换。
桥梁监控中心：负责应力等信息的存储、处理和评估。通常，一个控制中心可以同时监控多个监控区域。远程监控和PDA用户可以通过Internet访问桥梁监控中心的数据，并通过该中心进行实时查询[4]。
三、无线传感器的节点设计分析
（一）硬件设计
因其应用有所不同，无线传感器网络节点需要不一样的通信、处理以及传感模块和不同的软件。所以，为了更好的使该节点有着比较广泛的应用范围，有必要对其该节点的各种模块都能方便地被取替。同时把节点分为四个硬件模块：能量控制、计算处理、无线通信和传感。这些模块独立的设计，共同的实现实验开发，从而降低了系统开发的整体成本以及开发的时间，并且也降低了系统投入应用之后的管理和养护成本。并且对各种模块之间通过互连的方式，以达到扩充和更换的目的，如图2所示[5]。
无线传感器数据的采集模块是利用振动、温度、应力等传感器和模数互换电路而相互组成的。因无线传感器的输出信号格式和CPU的输入格式之间有所不同，需要对无线传感器信号进行处理之后才能正常的进行模块的转换。经模数转换之后的信号通过光电隔离之后送入CPU中，从而进行相应的处理。MSP430系列的单片机可以在低电压、超低功耗的节能模式下进行工作，有着较强的处理能力以及较多的外部接口。
从无线收发模块方面来分析，其主要是采用RFM公司的TR1000。这个模块的工作频率相对比较稳定安全，外围电路相对比较简单，容易进行相应的设计。并且，TR1000采用低发射的功率、高接收的灵敏度设计方式，而且对于数据传输速率能够到达116.3kb/s，在传送环境下的可以应用的通信距离为1000m以内[6]。
（二）软件设计
第一，无线传感器节点几乎都是具有数据采集、信息处理、数据传输和路由等一些的作用，这些作用几乎都会共同的产生。那么，为了在硬件资源有限的情况下更好的处理这些共同发生的事件，就可以采用基于组件架构，应用到无线传感器的网络应用中去。假如因外部硬件通信设备设施、定时器和传感器等硬件触发断开的时候，无线传感器系统就会执行相应的中断处理。在处理完所有的触发事件之后，其系统就自己进入到休眠模式中去，更好的节约能源。第二，考虑到软件的具有可扩展性能，为了更好的让无线传感器节点通过不同的应用运行从而进行不同的通信协议。对于不同的通信协议被实现为实践化研究对象，开发人员可以通过重载虚拟函数的方式来重用开发接口。因路由、MAC等协议是独立实现的，当应用需求发生相应的变化时候，应该在不改变接口的情况下来改变具体的实现方式。 四、无线传感器的桥梁监测系统的运行方案
因无线传感器节点的地址是基于地理位置来进行分配的，当节点被放置到桥梁检测系统中时候，就需要基于地理位置分配网络节点的地址，并且建立路由算法的网络扩展结构。树状路由结构的优点是可以直接建立树的拓扑结构以及转发的结构，并且在各式各样的复杂条件下很容易找到和维护稳定的拓扑树，从而控制介质的访问以及发送时间。
对于无线传感器节点地址分配中主要有以下几点：
（1）无线传感器节点开启后，可以依据节点布局拓扑确定通信距离，并通过通信距离向周边节点传播地址包。地址包包含节点的地址，它是拓扑树的根本节点;（2）无线传感器节点通信范围内的节点接收到地址包之后，生成16位随机码，经过随机退避时间后返回给网关节点。网关节点在接收到每个邻居节点返回的具有随机码的响应包之后，依据接收前后时间的顺序来分发到每个节点地址当中去，并把分配的地址包发送到每个节点中去，在接收到包含分配的地址包之后，每个节点使用该地址，并将ACK包响应返回给网关节点;（3）每个被分配了的地址的节点可以依照本地地址在固定的时间延迟之后，向相邻节点开始传播。具有指定地址的邻居节点放弃广播包，没有指定地址的节点会生成8位随机码。对于节点接收返回的随机码包，按照上层网络节点的方式进行分配地址，并将地址包发送给每个节点。在接收到地址包之后，每个节点使用该地址并返回ACK包响应;（4）对于这样的循环方式，直到所有节点分配地址。完成以上的操作步骤之后，就能够建立一个拓扑树，如图2所示。
面对网络节点地址中分配成功后，每个节点执行查询功能来进行查找邻居的节点，并通过地址比较确定与响应节点之间的联系，并且能够构建路由表。当各个节点的路由表建成后，从而进入到能量管理模式中去，并且进行等待监控事件的产生。因某些节点可能会失败或者有新的节点加入其中，这些节点需要执行定期查询来更新路由表。每个节点都必须找到其父节点才能正常的进行工作，并且一直进行查询，直到找到其父节点为止。
总结
综上所述，对于桥梁监测中的监测点出现分散、接线困难、实时性差等特点，提出了一种通过无线传感器网络进行桥梁监测的方法。而且本文重點研究了无线传感器网络的结构、网络节点的软硬件设计以及无线传感器的桥梁监测系统运行方案。并且在桥梁的监测系统中，无线传感器网络有着低能耗、工作时常比较久、成本相对较低，并且在危险区中和大面积桥梁监测中易于布置等特点。它能够实现成本低的持续桥梁监测，比传统的桥梁监测系统更加具有好处。
参考文献
[1]俞姝颖，吴小兵，陈贵海，等.无线传感器在桥梁监测中的应用[J].软件学报，2019，026（006）：1486-1498.
[2]徐春红，吉林，沈庆宏，等.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测系统[J].电子测量技术，2020，047（011）：95-98.
[3]邓虎军.无线传感器网络中桥梁健康监测的应用[J].数字化用户，2020， 000（037）：100-102.
[4]王婷.基于无线传感器网络在桥梁健康监测系统中的应用研究[D].重庆大学.2019.000（002）：123-125.
[5]刘晋，廖传书.基于无线传感器的桥梁应力监测系统的设计[J].2019.000（019）：569-572.
[6]钱洋，张振荣，黎相成，等.基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统及其工作方法.2019.000（056）：220-223.
关键词：无线传感器;桥梁;监测系统;研究
前言：随着通信技术和无线传感器技术的不断发展，人工监测方式在当前的时代中对其应用比价局限性，因此桥梁监测系统也就应运而生，其无线传感器的桥梁监测系统受到非常多人的重视。无线传感器的桥梁监测系统主要是无线传感器技术与结构监测相结合而成的，是一套自动化、智能化的桥梁监测系统，同时也有着成本比较低、安装便利等优点。并且它采用频率法加速度传感器测量一段时间内的桥梁索力，并将数据通过无线传感器技术传输到监测系统中去，实现对桥梁状态的实际监测。
一、无线传感器及桥梁监测系统的基本概述
（一）无线传感器的基本概述
无线传感器主要是一个新的结构系统，利用多个传感器节点通过自我组织和无线网络来进行互相的传递信息，并协同完成相应的功能。它集成了传感器技术、嵌入式计算机技术、无线网络技术以及分布式信息技术。在实践应用当中，可以把很多廉价的小型无线传感器节点随机的放到人们无法靠近以及不伤害人们的位置中去，从而对于网络信息覆蓋地方内的环境以及物质进行相应的实践监测、感应和收集。对于无线传感器来说，它已广泛的应用到了农业、工业、军事、交通、医疗、安全等各个行业中去。对于它的研究开发及使用，对社会经济的发展各个方面都有很大的关系。因无线传感器具有广泛的使用前景以及很大的使用价值，这些年来也引起了世界各国的重点关注，而且也投入了比较多的资金，极大地促进了无线传感器的可持续发展，使其在更多的领域中发挥其真正的作用[1]。
（二）无线传感器在桥梁监测系统中的基本概述
从这些看来，无线传感器在桥梁监测系统的研究主要是集中在完整结构评估以及理论方面中。由于振动理论的完整性评估技术在航空航天、机械等行业中的研究和应用，该技术已经广泛的应用在民用结构（无损检测除外）的完整性评估方面中。人们之所以选择振动理论的结构完整性评价方式，主要是因为它可以从桥梁的运行过程中获取结构的振动信息。桥梁监测在我国尚处于一个起步阶段，因各个方面的原因，几种桥梁监控系统依旧存在着不同的缺点。随着桥梁监测系统研究的进一步发展，人们对桥梁的认知程度和要求也正在逐渐的有所提高。对于检测系统来说还需要进行远程的监控、提升系统的安全性、规范信息的处理和研究相应理论等一系列工作，从而使它的前景能够越来越宽广。开发一套实用的无线传感器桥梁监测系统是在实践应用中急需要解决的一个大问题[2]。
二、整体结构分析
无线传感器网络是由网络节点以自组织的方式构建的，主要分为以下几种结构：即平等结构和分层分布式结构。由于桥梁监测区域大、分散，采用点对点拓扑布局方法，将传感器网络布置在集中监控区域，然后通过网关与控制中心进行通信。拓扑结构如图1所示[3]。
网络的主要组成部分如下。
传感器节点：传感器定期采集的振动信息通过多跳路由发送到桥梁监控管理中心。网关：位于传感器网络的边缘，实现传感器网络与Internet的互联，实现传感器网络协议到Internet协议的转换。
桥梁监控中心：负责应力等信息的存储、处理和评估。通常，一个控制中心可以同时监控多个监控区域。远程监控和PDA用户可以通过Internet访问桥梁监控中心的数据，并通过该中心进行实时查询[4]。
三、无线传感器的节点设计分析
（一）硬件设计
因其应用有所不同，无线传感器网络节点需要不一样的通信、处理以及传感模块和不同的软件。所以，为了更好的使该节点有着比较广泛的应用范围，有必要对其该节点的各种模块都能方便地被取替。同时把节点分为四个硬件模块：能量控制、计算处理、无线通信和传感。这些模块独立的设计，共同的实现实验开发，从而降低了系统开发的整体成本以及开发的时间，并且也降低了系统投入应用之后的管理和养护成本。并且对各种模块之间通过互连的方式，以达到扩充和更换的目的，如图2所示[5]。
无线传感器数据的采集模块是利用振动、温度、应力等传感器和模数互换电路而相互组成的。因无线传感器的输出信号格式和CPU的输入格式之间有所不同，需要对无线传感器信号进行处理之后才能正常的进行模块的转换。经模数转换之后的信号通过光电隔离之后送入CPU中，从而进行相应的处理。MSP430系列的单片机可以在低电压、超低功耗的节能模式下进行工作，有着较强的处理能力以及较多的外部接口。
从无线收发模块方面来分析，其主要是采用RFM公司的TR1000。这个模块的工作频率相对比较稳定安全，外围电路相对比较简单，容易进行相应的设计。并且，TR1000采用低发射的功率、高接收的灵敏度设计方式，而且对于数据传输速率能够到达116.3kb/s，在传送环境下的可以应用的通信距离为1000m以内[6]。
（二）软件设计
第一，无线传感器节点几乎都是具有数据采集、信息处理、数据传输和路由等一些的作用，这些作用几乎都会共同的产生。那么，为了在硬件资源有限的情况下更好的处理这些共同发生的事件，就可以采用基于组件架构，应用到无线传感器的网络应用中去。假如因外部硬件通信设备设施、定时器和传感器等硬件触发断开的时候，无线传感器系统就会执行相应的中断处理。在处理完所有的触发事件之后，其系统就自己进入到休眠模式中去，更好的节约能源。第二，考虑到软件的具有可扩展性能，为了更好的让无线传感器节点通过不同的应用运行从而进行不同的通信协议。对于不同的通信协议被实现为实践化研究对象，开发人员可以通过重载虚拟函数的方式来重用开发接口。因路由、MAC等协议是独立实现的，当应用需求发生相应的变化时候，应该在不改变接口的情况下来改变具体的实现方式。 四、无线传感器的桥梁监测系统的运行方案
因无线传感器节点的地址是基于地理位置来进行分配的，当节点被放置到桥梁检测系统中时候，就需要基于地理位置分配网络节点的地址，并且建立路由算法的网络扩展结构。树状路由结构的优点是可以直接建立树的拓扑结构以及转发的结构，并且在各式各样的复杂条件下很容易找到和维护稳定的拓扑树，从而控制介质的访问以及发送时间。
对于无线传感器节点地址分配中主要有以下几点：
（1）无线传感器节点开启后，可以依据节点布局拓扑确定通信距离，并通过通信距离向周边节点传播地址包。地址包包含节点的地址，它是拓扑树的根本节点;（2）无线传感器节点通信范围内的节点接收到地址包之后，生成16位随机码，经过随机退避时间后返回给网关节点。网关节点在接收到每个邻居节点返回的具有随机码的响应包之后，依据接收前后时间的顺序来分发到每个节点地址当中去，并把分配的地址包发送到每个节点中去，在接收到包含分配的地址包之后，每个节点使用该地址，并将ACK包响应返回给网关节点;（3）每个被分配了的地址的节点可以依照本地地址在固定的时间延迟之后，向相邻节点开始传播。具有指定地址的邻居节点放弃广播包，没有指定地址的节点会生成8位随机码。对于节点接收返回的随机码包，按照上层网络节点的方式进行分配地址，并将地址包发送给每个节点。在接收到地址包之后，每个节点使用该地址并返回ACK包响应;（4）对于这样的循环方式，直到所有节点分配地址。完成以上的操作步骤之后，就能够建立一个拓扑树，如图2所示。
面对网络节点地址中分配成功后，每个节点执行查询功能来进行查找邻居的节点，并通过地址比较确定与响应节点之间的联系，并且能够构建路由表。当各个节点的路由表建成后，从而进入到能量管理模式中去，并且进行等待监控事件的产生。因某些节点可能会失败或者有新的节点加入其中，这些节点需要执行定期查询来更新路由表。每个节点都必须找到其父节点才能正常的进行工作，并且一直进行查询，直到找到其父节点为止。
总结
综上所述，对于桥梁监测中的监测点出现分散、接线困难、实时性差等特点，提出了一种通过无线传感器网络进行桥梁监测的方法。而且本文重點研究了无线传感器网络的结构、网络节点的软硬件设计以及无线传感器的桥梁监测系统运行方案。并且在桥梁的监测系统中，无线传感器网络有着低能耗、工作时常比较久、成本相对较低，并且在危险区中和大面积桥梁监测中易于布置等特点。它能够实现成本低的持续桥梁监测，比传统的桥梁监测系统更加具有好处。
参考文献
[1]俞姝颖，吴小兵，陈贵海，等.无线传感器在桥梁监测中的应用[J].软件学报，2019，026（006）：1486-1498.
[2]徐春红，吉林，沈庆宏，等.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测系统[J].电子测量技术，2020，047（011）：95-98.
[3]邓虎军.无线传感器网络中桥梁健康监测的应用[J].数字化用户，2020， 000（037）：100-102.
[4]王婷.基于无线传感器网络在桥梁健康监测系统中的应用研究[D].重庆大学.2019.000（002）：123-125.
[5]刘晋，廖传书.基于无线传感器的桥梁应力监测系统的设计[J].2019.000（019）：569-572.
[6]钱洋，张振荣，黎相成，等.基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统及其工作方法.2019.000（056）：220-223.