重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络

摘要

重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络，采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构内部，多个MicaZ节点或其它无线传感器节点通过无线链路构成自组织的无线通信网络，基于广播的技术建立节点邻居节点关系，然后使用Xserve框架设计传感网路由协议来进行数据传输。本发明能够实现重大工程结构多点、分布式监测，实时掌握结构的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据，为腐蚀监测系统的提供关键数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线监测网络，具体涉及的是一种重大钢混结 构用无线自集能腐蚀监测传感器网络。

背景技术

过去的研究表明钢筋腐蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因 之一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费 用，在土木工程中钢筋腐蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的 重要组成部分。随着钢混结构钢筋腐蚀问题引起全世界的广泛关注， 国内外针对耦合腐蚀作用下的材料、构件到结的性能进行了大量、系 统的研究，这些研究建立了腐蚀状态与材料、构件及结构性能之间宝 贵的数据库。钢筋腐蚀监测系统一旦成功构建，将在结构腐蚀状态与 结构服役性能之间架设“桥梁”，实时掌握结构的耐久性状态，并最 终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的 提出及全寿命设计等提供科学依据。钢混结构钢筋腐蚀监测系统研究 工作的开展势在必行，这一工作具有显著的经济效益和潜在的、重要 的社会效益。

在混凝土环境下，由于混凝土的多孔性，水分与氧气可以沿着 孔隙和裂纹迁移，这恰好是低碳钢和高强度合金钢等钢材腐蚀的必要 条件。在大多数情形下没有发生腐蚀的原因是这些孔隙中由于水泥的 水化过程形成了高浓度的钙、钠和钾的氢氧化物，从而保持了PH值 在12-13之间，这一高碱度环境是钢材钝化，形成致密的γ型氧化铁 防止了钢材的快速腐蚀。然而当Cl^-(来自除冰盐或者海水)经过混 凝土表面在钢筋表面进行聚集或者由于CO₂(来自大气，也是造成全 球气候变暖的重要因素之一)的作用使孔溶液PH值降低的情况下， 钝化膜遭到破坏，混凝土对钢筋的保护作用失效，在O₂以及H₂O充足 的情况下钢筋截面积减小或者出现蚀点。

土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的腐蚀 过程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材腐蚀的最 本质的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法对腐蚀科 学问题进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但 能够获得诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知 揭示腐蚀电化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩 散过程、点蚀的发生过程等等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供 更加可靠的依据。

国内外针对耦合腐蚀作用下的材料、构件到结构的性能进行了大 量地研究，建立了腐蚀状态与材料、构件及结构性能之间宝贵的数据 库。一旦成功构建钢筋腐蚀监测系统，将在结构腐蚀状态与结构服役 性能之间架设“桥梁”，能够实时掌握结构的耐久性状态，并最终为 结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出 及全寿命设计等提供科学依据。因此，钢筋腐蚀监测研究工作的开展 势在必行，这一工作具有显著的经济效益和潜在的、重要的社会效益。

过去数十年来，国内外基于电化学原理对金属的腐蚀问题进行了 大量、深入地研究。不难发现，这些研究主要集中在实验室状态下， 钢混体系腐蚀电化学反应与钢混结构的特殊性决定了以往的研究对 实现大规模钢混结构钢筋腐蚀监测还存在较大距离。

发明内容

本发明的目的在于提供用于重大钢混结构无线自集能腐蚀监测 传感器网络系统。

本发明的目的是这样实现的：采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集 能传感器节点，感知腐蚀电化学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采 用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构内部，多 个MicaZ节点或其它无线传感器节点通过无线链路构成自组织的无 线通信网络，基于广播的技术建立节点邻居节点关系，然后使用 Xserve框架设计传感网路由协议来进行数据传输。

具体如下：

(1)嵌入腐蚀控制电路的无线传感器节点的构建

采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化 学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传 感器节点连接布置于钢混结构内部，MicaZ传感器由电源、腐蚀传感 头、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成，电源为传感器提 供正常工作所必需的能源；腐蚀传感头用于感知、获取外界的信息， 并将其转换为数字信号；嵌入式处理器负责协调节点各部分的工作， 如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制腐蚀传感头和 电源的工作模式等；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信；软 件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据 库系统；

(2)传感器网络软件体系结构

在腐蚀监测传感网络中，MicaZ节点的腐蚀传感头布置于钢筋混 凝土结构内部，多个MicaZ节点通过无线链路构成一个自组织的无线 通信网络，其中，每个节点采集数据并发送到基站，基站是服务器或 是便携移动设备，传感器网络、基站分别构成了整个三层网络体系结 构的第一、第二层，对于较大规模的实际应用，还需要第三层，即应 用层，来完成用户对传感网数据的灵活访问，要实现这个目的，令基 站接入Internet，然后，通过路由器或者交换机来实现终端用户来 访问感知数据；

(3)网络拓扑建立

建立网络的拓扑的目的是确定网络中可以用来传输数据的所有 潜在无线通信链路，网络拓扑是在传感网数据传输协议设计的基础。 MicaZ节点使用了CC2420无线射频芯片，这种芯片具有信道侦听功 能，设所有节点使用相同的无线通信半径；首先，节点A启动无线射 频电路，进入侦听状态，如果收到并能解析附近某个节点B发送的信 标信号，就说明B和A均处于对方的通信范围之内，即，A和B互为 邻居节点；然后，A返回一个ACK消息给B节点，这样，B也确认了 A为其邻节点；如果A进入侦听一段时间后，比如2秒(可根据具体 网络的密度来设置)，还没有接收到邻居节点的信号，那么它就发送 信标信号；如果一个节点在很长时间内没有持续收到信标信号，则认 为网络拓扑已成功的建立；

在网络拓扑建立之后，每个节点都知道了自己的邻节点有哪些， 如果该节点不能直接把数据发送给基站，那么，这些邻节点都可能成 为潜在的转发节点；D能够一跳到达基站即直接发送数据给基站， 而C的通信半径不能覆盖基站，但它可以通过D来转发它的数据，这 中多跳的通信方式允许节点以一个较小的通信半径来进行数据传输， 因此极大地节省了节点能耗；建立网络拓扑后，要对网络进行层次化， 即，要为每一个节点分配一个层号：基站的层号为1，一跳可以到达 基站的节点的层号为2，以此类推；网络拓扑层次化的目的是区分各 个节点距离基站的远近，即跳数的多少，一般来说，层号越大的节点， 它的数据到达基站需要的中转次数越多，而层号小的节点可以作为转 发节点来中转数据；最初，基站发送自己层号1；一般的，如果节点 A收到B发送的层号h，那么A把h与自身目前的层号h₀进行比较， 如果h＜h₀+1，说明A选择B作为下一跳可以更快的，即以更少的跳数 到达基站，因此，A选择B作为下一跳节点，同时把自身的层号h₀更新为h+1，同时广播h₀，如果在一段时间后，一个节点不再持续收 到任何层号，那么它认为网络层次化结束；本质上是一个Bellman迭 代过程，对于一个节点层号的决策过程，它的层号表达式为：

h₀＝min{h₀，h+1}

容易证明，对于任意一个节点A，它到达基站的路径上，任意一个转 发节点B到达基站的跳数对于B来说都是最小的；

在网络层次化完成之后，每个节点都维护了一个下一跳节点，因 此，对任意一个节点来说，都维护了一个到达基站的最小条数路径； 但实际情况下，无线通信链路是不稳定的，并且随时间变化，不能总 是可靠的传输数据，因此，需要灵活的、动态的选择下一跳节点；如 果一个节点A有m个下一跳节点，它们使得A到达基站的跳数均为h， 那么A根据链路可靠性来动态的从这m个节点中选择下一跳，一旦 一个节点收到一个数据，便可以根据CC2420提供的BER(bit error  rate)计算功能来计算该数据包传输过程中的误码率，并可以用这个 BER值来估计当前信道可靠性，进而，选择最为可靠的下一跳节点来 转发数据；当然，一个节点接收到一个数据后，还要返回给发送节点 一个ACK消息，用来反馈给发送节点当前信道的通信质量，同时用来 确认这个数据包的成功接收；实际上，ACK消息也可能不能被发送节 点正确接收，虽然ACK消息本身的尺寸很小，因此，我们引入的重传 机制：对于发送节点，如果在一段时间内(原型系统中采用的是100ms) 不能收到接收节点的ACK反馈，则重新发送该数据。一般来说，如果 链路通信质量为(误码率)为p，那么平均需要1/p-1次重传，数据可 以正确的被接收，如果最大可重传次数被设置为k，那么第k次内重 传成功的概率为：∑p(1-p)^i-1(1≤i≤k)；在实际应用中，为了提高数据传 输可靠性，可以通过提高节点的放置密度来实现。

本发明能够实现重大工程结构多点、分布式监测，实时掌握结构 的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措 施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据，为腐蚀监测 系统的提供关键数据。

附图说明

图1感器网络软件体系结构；

图2络拓扑建立(邻居发现)算法(左：发现邻节点；右：网络 拓扑层次化)；

图3数据路由算法；

图4邻节点转化为转发节点示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

1.嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点的构建

采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化 学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传 感器节点连接布置于钢混结构内部，MicaZ传感器由电源、腐蚀传感 头、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成，电源为传感器提 供正常工作所必需的能源；腐蚀传感头用于感知、获取外界的信息， 并将其转换为数字信号；嵌入式处理器负责协调节点各部分的工作， 如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制腐蚀传感头和 电源的工作模式等；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信；软 件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据 库系统；

2.传感器网络软件体系结构

在腐蚀监测传感网中，MicaZ节点连接的腐蚀传感头布置于RC结 构内部，多个MicaZ节点通过无线链路构成一个自组织的无线通信网 络，其中，每个节点采集数据并发送到基站。基站可以是具有较高计 算能力和存储能力的高性能服务器，也可以是便携移动设备。在已有 原型系统中，使用了可以连接Internet的笔记本电脑作为收据数据 的基站。腐蚀监测传感网的网络体系结构如图1示。由图1以看出， 传感器网络、基站分别构成了整个三层网络体系结构的第一、第二层， 对于较大规模的实际应用，还需要第三层，即应用层，来完成用户对 传感网数据的灵活访问，要实现这个目的，可以令基站接入Internet， 然后，通过路由器或者交换机来实现终端用户(个人电脑、手持设备 等)来访问感知数据。

3.网络拓扑建立(邻居发现)算法

建立网络的拓扑的目的是确定网络中可以用来传输数据的所有 潜在无线通信链路，网络拓扑是在传感网数据传输协议设计的基础。 MicaZ节点使用了CC2420无线射频芯片，这种芯片具有信道侦听功 能，即，可以识别附近的CC2420无线信号。因此，利用这种MicaZ 固有的功能，容易实现网络拓扑的建立。图2边的流程图给出了建立 网络拓扑的一个分布式实现过程。这里假设所有节点使用相同的无线 通信半径。首先，节点A启动无线射频电路，进入侦听状态，如果收 到并能解析附近某个节点B发送的信标信号，就说明B和A均处于对 方的通信范围之内，即，A和B互为邻居节点；然后，A返回一个ACK 消息给B节点，这样，B也确认了A为其邻节点。如果A进入侦听一 段时间后，比如2秒(可根据具体网络的密度来设置)，还没有接收到 邻居节点的信号，那么它就发送信标信号。如果一个节点在很长时间 内没有持续收到信标信号，则认为网络拓扑已成功的建立，图2边的 过程从宏观上来看，输出一个类似于图1感知、传输层的网络图结构， 其中，点表示传感器节点，边表示可以进行数据传输的无线链路。

在网络拓扑建立之后，每个节点都知道了自己的邻节点有哪些， 如果该节点不能直接把数据发送给基站，那么，这些邻节点都可能成 为潜在的转发节点。例如，在图3，D可以一跳到达基站(直接发送数 据给基站)，而C的通信半径不能覆盖基站，但它可以通过D来转发 它的数据，这中多跳的通信方式允许节点以一个较小的通信半径来进 行数据传输，因此极大地节省了节点能耗。建立网络拓扑后，要对网 络进行层次化，即，要为每一个节点分配一个层号：基站的层号为1， 一跳可以到达基站的节点的层号为2，以此类推。网络拓扑层次化的 目的是区分各个节点距离基站的远近(跳数的多少)，一般来说，层号 越大的节点，它的数据到达基站需要的中转次数越多，而层号小的节 点可以作为转发节点来中转数据。图2边的流程图给出了一般节点参 与网络层次化的分布式执行过程。最初，基站发送自己层号1。一般 的，如果节点A收到B发送的层号h，那么A把h与自身目前的层号 h₀进行比较，如果h＜h₀+1，说明A选择B作为下一跳可以更快的(以 更少的跳数)到达基站，因此，A选择B作为下一跳节点，同时把自 身的层号h₀更新为h+1，同时广播h₀，如果在一段时间后，一个节点 不再持续收到任何层号，那么它认为网络层次化结束。可以看出，图 2图的层次化算法，本质上是一个Bellman迭代过程。对于一个节点 层号的决策过程，它的层号表达式为：

h₀＝min{h₀，h+1}

容易证明，对于任意一个节点A，它到达基站的路径上，任意一个转 发节点B到达基站的跳数对于B来说都是最小的。下面对图4过程及 相关原理进行详细的阐述。

在网络层次化完成之后，每个节点都维护了一个下一跳节点，因 此，对任意一个节点来说，都维护了一个到达基站的最小条数路径。 但实际情况下，无线通信链路是不稳定的，并且随时间变化，不能总 是可靠的传输数据，因此，需要灵活的、动态的选择下一跳节点。如 果一个节点A有m个下一跳节点，它们使得A到达基站的跳数均为h， 那么A根据链路可靠性来动态的从这m个节点中选择下一跳。如图4 示，一旦一个节点收到一个数据，便可以根据CC2420提供的BER(bit  error rate)计算功能来计算该数据包传输过程中的误码率，并可以 用这个BER值来估计当前信道可靠性，进而，选择最为可靠的下一跳 节点来转发数据。当然，一个节点接收到一个数据后，还要返回给发 送节点一个ACK消息，用来反馈给发送节点当前信道的通信质量，同 时用来确认这个数据包的成功接收。实际上，ACK消息也可能不能被 发送节点正确接收，虽然ACK消息本身的尺寸很小。因此，我们引入 的重传机制：对于发送节点，如果在一段时间内(原型系统中采用的 是100ms)不能收到接收节点的ACK反馈，则重新发送该数据。一般 来说，如果链路通信质量为(误码率)为p，那么平均需要1/p-1次重 传，数据可以正确的被接收。如果最大可重传次数被设置为k，那么 第k次内重传成功的概率为：∑p(1-p)^i-1(1≤i≤k)。在实际应用中，为了 提高数据传输可靠性，可以通过提高节点的放置密度来实现。