基于IPv6和低功耗的混凝土測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、鋼筋混凝土在各種環(huán)境中都會受到不同程度的腐蝕，尤其是在富含有害離子的海水中，存在大量氯鹽和硫酸鹽，會分別跟鋼筋和混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成鋼筋腐蝕和混凝土脹裂。所以，對鋼筋混凝土的腐蝕的檢測在土木工程中有重要意義，可以為混凝土腐蝕的檢測和防護(hù)提供參考。青島跨海大橋于建設(shè)初期，在受到海水侵蝕的混凝土橋墩中預(yù)埋了大量傳感器，可以測量其內(nèi)部電化學(xué)參數(shù)。但是，傳感器在橋墩上的位置及預(yù)埋的數(shù)量，給傳統(tǒng)的現(xiàn)場測量帶來很大困難，故對于青島跨海大橋的這種

2、復(fù)雜應(yīng)用場景來說，需要利用其預(yù)埋的傳感器實(shí)現(xiàn)簡單有效的自動(dòng)化測量，并通過無線的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。
　　在研究和對比了多種腐蝕電化學(xué)測量方法后，本課題采用交流阻抗法來測量和分析混凝土的內(nèi)部特性，交流阻抗法是用小幅度正弦交流信號擾動(dòng)電極，進(jìn)行電化學(xué)測試的方法，根據(jù)測得的交流阻抗數(shù)據(jù)，來分析其電化學(xué)特性。為了能夠簡便且準(zhǔn)確地測量混凝土的交流阻抗，本課題采用高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案AD5933，AD5933內(nèi)部的DDS產(chǎn)

3、生信號激勵(lì)外部復(fù)阻抗，ADC采集響應(yīng)信號，然后由片上DSP做DFT運(yùn)算得到每個(gè)頻率點(diǎn)上的復(fù)阻抗值。
　　數(shù)據(jù)的上傳則通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)、邊緣路由器、協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)，以無線方式進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。綜合考慮嵌入式硬件條件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)環(huán)境后，本課題以Contiki操作系統(tǒng)和CC2538控制器為基礎(chǔ)，圍繞低功耗和IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)兩大需求，將混凝土參數(shù)測量和無

4、線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適用于青島跨海大橋的混凝土檢測系統(tǒng)。
　　邊緣路由其協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Contiki系統(tǒng)，無線傳輸采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過6LoWPAN實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4和IPv6之間的適配，以uIPv6協(xié)議棧為基礎(chǔ)，作適當(dāng)?shù)牟眉艉捅匾男薷?，形成一個(gè)更加輕量化的IPv6協(xié)議棧，并根據(jù)青島跨海大橋的節(jié)點(diǎn)分布方式，設(shè)計(jì)與之適用的路由協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用運(yùn)行OpenWRT的MT7688開發(fā)板

5、，通過有線方式連接路由器實(shí)現(xiàn)與IP網(wǎng)絡(luò)的連接，通過串口連接一個(gè)CC2538最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋接。
　　在經(jīng)過調(diào)試和改進(jìn)后，本課題模擬青島跨海大橋的現(xiàn)場環(huán)境，布置了四個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)每隔6個(gè)小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，并上傳到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)和分析后，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存在少量丟失的情況，但是并不影響長期的數(shù)據(jù)分析。本方案除了對青島跨海大橋的腐蝕檢測和防護(hù)有重要意義外，對公路、樓宇等土