一种新型的高速铁路桥梁监测系统

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ADS1256与电容传感器相连,Imote2分别与存储器、电源模块和ADS1256相连。电容传感器和ADS1256是由电源管理单元供电的。对于电容加速度传感器与ADS1256的连接,采用了单极输入方式进行通信,将多个传感器分别接于ADS1256的输入端。ADS1256通过采用四线制(时钟信号线SCLK、数据输入线DIN、数据输出线DOUT和偏片选线CS)SPI通信方式与Imote2连接进行通信。这里低噪声、高精度的24位模拟-数字转换器和SPI接口技术以及电容传感器的使用,使在数据采集过程中做到了精度高,测量范围大,灵敏度高,动态响应快,稳定性好等优点。

 

IRIS

 

在铁路桥梁两端的无线传感器节点不需要强大的计算能力,但必须保持低功耗和以及足够的无线传输距离。一直以来测量多个数据并且保持低功耗和以及足够的传输距离是无线传感器网络的两大软肋,但可借助Crossbow最新推出的另外一款IRIS节点平台,能够提供低功耗和远距离无线传输的双重优势,无需烦恼于如何取舍功率和作用距离。

 

IRIS工作在2.4GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议,具有更广的作用范围,传输距离较以往产品提高三倍。在处理器和射频平台方面,XM2110基于ATmega1281处理芯片。ATmega1281是一款低功耗的处理器。在传感器板方面,Crossbow为IRIS提供多种传感器板和数据获取板,并且都能够通过标准51针扩展接口与其连接。

 

IRIS节点平台

 

由图4可知,一个IRIS节点平台包括磁钢传感器,MDA300数据采集板,IRIS节点。传感器通过IRIS提供的MDA300数据采集板与IRIS连接,MDA300提供8个ADC通道、8个数字通道以及I2C接口用于外接各类传感器。


图4  IRIS节点平台硬件结构

 

它位于铁路桥梁的两端,当有列车通过时,磁钢传感器就会自动采集和处理数据,处理完的数据由IRIS的射频模块进行无线传输,IRIS足够的无线传输距离可以将开始或停止数据采集的信号发送给无线传感器网络的网关节点,最终控制分散在桥梁关键监测区域的Imote2节点平台的数据采集时间。

 

软件结构

 

虽然多个操作系统支持Imote2,如TinyOS、Linux和SOS,但在Imote2传感器节点上部署嵌入式Linux 既能体现通用操作系统的易于开发和移植的特性,又可以展示Linux自身对外设和网络支持良好的优势,有利于应对不同无线传感器网络应用的需求,因此,选用Linux对Imote2进行应用开发[9]。在对IRIS节点的操作系统支持方面,可运行TinyOS1.1.7或更高版本。

 

Imote2节点软件

 

为了支持对Imote2进行应用开发,必须建立相应的交叉编译环境,对于Imote2,为构建交叉编译环境所使用交叉编译工具链,可以从handhelds.org 所提供的 arm-linux-gcc-3.4.1获得。解压并将其工具目录bin添加到PATH环境变量之后,工具链就可以使用了。

 

Imote2并没有可用的模拟器,因此,要将文件下载至目标板才能进行调试。不同于安装Linux的过程,这里的下载由Imote2-Linux控制,下载的内容保存于文件系统。

 

Marvell支持的开源项目PlatformX旨在为Imote2构建Linux系统,最新发布版本包括二进制blob、zlmage、filesystem及源码和补丁,安装这些二进制文件便可在 Imote2上运行Linux操作系统。

 

IRIS节点软件

 

TinyOS是美国的伯克利大学开发的,为嵌入式无线传感器网络而设计的源码开放的操作系统,它运行在每个网络节点上,是其他上层应用和协议运行的前提,TinyOS采用事件驱动的执行机制,很好地满足了无线传感器网络中存在的大量的并发操作;基于组件的架构方式更加适应无线传感器网络应用的多样性[10]。

 

结语

 

本文提出的基于无线传感器网络的铁路桥梁在线监测系统,配合运用了Imote2和IRIS这两款先进的无线传感器节点平台,在低功耗的前提下Imote2强大的处理功能和IRIS较远的传输距离的优势,使整个系统具有功耗低、精度高等优点。实验数据表明,与传统的桥梁监测系统相比,在功耗方面讲降低35%以上。

 

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