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混凝土结构内温湿度检测的无线传感器网络
特点：
测试了多种不同的微型传感器以测量混凝土内部温度和湿度。
基于IEEE802.15.4建立了一个无线传感器网络以便实时和长期监控。
避免了传感器在高相对湿度/碱性环境中发生故障问题。
湿度和温度的测量值与传感器探头获得的值完全匹配。
关于无线传感器网络的研究解决方案在结构健康实时监测方面具有巨大的研究价值。
摘要：
本文介绍了一种土木工程结构无线传感器自动监测系统的研制，目的是提供一种测量混凝土结构内部温度和湿度的方法。 研究主要集中在早期和矫正阶段，针对无线传感器结构提出了四个方案。第一种方案是使用负温度系数（NTC）热敏电阻和虹膜电机，构建一个IEEE802.15.4网络。但是数据结果表明，传感器测量值与实际值和实验值之间存在5℃的标准偏差。第二种方案考虑使用SHT15（湿度/温度）传感器，以及PIC18F4680微控制器或Arduino平台。第三种方案是使用SHT21S（湿度/温度）传感器和用于MSP430微控制器的EZ430-RF2500无线开发工具平台。在此方案下进行实验，16小时后成功地进行了温度读数，而在第24小时时成功地获得了湿度值。虽然SHT15和SHT21S传感器的测量值相差不大，但两个传感器在一段时间后都停止工作，判断分析得出，传感器与混凝土碱性环境之间的直接接触会导致其故障。因此考虑到SHT15和SHT21S传感器的故障原因，构建了防止故障发生的第四个方案，由于方案使用的SHT15和SHT12s传感器在两个多月的运行时间内没有受到碱性环境的影响，使得几乎不受干扰的微型设备能够进行实时和连续的监测，因此验证了采用这种廉价无线传感器网络方法的可行性。
关键词：无线传感器网路；结构健康监测；混凝土；传感器；温度；湿度
- 介绍
现如今，综合监测系统在混凝土结构的各方面管理中具有重要作用和发展前景。监测到劣化部位将能及早预警，以便针对隐患规划和安排维修方案，从而将相关成本降至最低。此外，使用监控系统的数据以及改进后的使用寿命预测模型可进一步节省使用寿命周期成本。
在整个结构中，用于评估材料性能的传感器和相关监测系统是混凝土结构检查、评估和管理的重要组成部分。有50多种不同类型的传感器装配在实际设备中，以便于长期监测结构变化、钢筋腐蚀、混凝土化学、水分状态和温度。
随着新概念的传感器问世，使得不同土木工程结构的维修方案以及检查和维护计划能够安排更为合理。目前，从监测早期参数的研究到分析可能导致恶化过程的环境条件，关于混凝土结构中的传感器的研究越来越多，其中有一些十分具有研究价值。如普罗维达基斯和利雅可斯研究了一种用于早期混凝土强度变化的微型传感器系统，其目的是在早期阶段了解新拌混凝土的状况，包括了一个可重复使用并具备足够与硬化混凝土结构分离的强度的传感器，来监测早期和初期水化阶段混凝土强度变化。又如克鲁兹等人研究分析了一种用于监测混凝土、砖石和沥青元件裂缝的光纤传感器。这种传感器不需要预先了解裂纹位置，这比现有的裂纹监测技术要先进得多。此外，根据克鲁兹等人的说法，可以使用一根光纤检测、定位和监测多个裂纹。而德福和法里纳则开发了一种集成的经济有效的传感器系统，能从腐蚀的位置监测钢筋混凝土结构的状态。 这种传感器可测量钢筋的开路电位、钢筋的腐蚀电流密度、混凝土的电阻率、氧的可用性、混凝土中的氯离子浓度以及结构内部的温度。
为了监测混凝土结构的长期性能，在混凝土内部或表面插入小型传感器被认为是最可靠的方法之一。可以使用不同的传感器和方法进行腐蚀监测，而条件是必须能在混凝土的碱性介质中工作数年。通过测定混凝土表面暴露于环境中的部位的腐蚀电位和混凝土电阻，可确定腐蚀速率。而嵌入在混凝土表面附近（深度为50 mm）的传感器则能够测量覆盖区内电气特性的空间分布。因此，可以根据数据对混凝土性能进行综合评估。而定期监测可以使覆盖区混凝土对不同的环境作出反应，即温度变化。
通过混凝土技术人员与相关传感器科学领域的科学家合作，利用无线低功耗智能传感器，能够获得各种经过传感器处理、过滤的读数，就可以取得混凝土劣化研究的进展。而其中的关键就是嵌入式传感器的校准、浇铸在混凝土构件中的传感器的坚固性以及与结构所需的长期寿命相关的传感器的耐久性。
温度和湿度的监测将为混凝土的硬化和凝固过程以及钢筋腐蚀、冻融循环、碳化和碱集料反应等劣化机制的研究进展提供关键信息。近年来，人们提出了一种新的湿度和温度监测技术。这项创新技术是利用纳米技术/微机械系统（MEMS），通过使用微悬臂梁和对水分敏感的薄聚合物来测量温度和内部相对湿度。结果表明，MEMS既能承受混凝土腐蚀环境，又能承受内外应力。同时，MEMS的结果还能够反映混凝土性能的变化，可以有效地测量混凝土的含水量和温度，具有较高的灵敏度。但是仍存在不可忽视的问题，如嵌入混凝土中的MEMS的长期性能和重复性误差，仍需要进一步研究。在土木工程与自控工程交叉学科研究的基础上，近年来又发展出了一种新的测量技术，通过无线信号传输实现对混凝土内部温度和湿度的直接、实时测量和连续监测。通过温度/湿度传感器对混凝土内部的温度和湿度进行无线、直接、实时、连续的监测方法，具有良好的应用前景。然而，在将电子元件嵌入混凝土中时，需要克服几个限制，如信号传输的连续性和稳定性、电子元件的保护以及封装盒的设计等。
- 动机和目标
这项跨学科研究的主要目标是为无线传感器网络（WSN）开发一个允许远程监控某些混凝土结构的原型。无线传感器网络是由许多微小的设备组成的，包括一个微控制器、传感器、存储器、一个电源单元和一个通信模块。它们能够感知环境，并通过无线链路，将从传感器收集的信息传输到接收器节点。它们的功能包括读取给定位置的物理变量值，检测是否发生预想的事件，同时执行协作信号处理。从应用程序的角度来看，WSN在需要快速或无基础设施部署和持续监控的情况下非常有用。此外，研究工作的重点是研究混凝土立方体在浇注后和早期的性能，同时实时监测所有温度和湿度的变化。这是基于IEEE802.15.4网络来实现的，它可以显著减少安装时间和成本。而在未来的实验中还将要将输出扩展至其他各种材料类型的结构的监测；此外还要开发出一个原型，以便于测量实际混凝土结构内的几个参数，例如湿度和温度。
在将无线传感器网络应用于土木工程结构的背景下，重要的是创建一个监控设备平台，该平台能够根据需要、扩充和容纳各种传感器，同时在网络上共享信息。远程终端也因此可以通过将数据存储到microSD卡中、稍后访问或通过无线方式实时将该信息传输到连接到PC的MOTE接口板（网关）来收集信息，从而允许土木工程师在需要时进行快速操作，如图1所示。
图1 用于土木工程监测的无线传感器网络体系结构
温度是混凝土养护和硬化过程中的一个重要参数，因为混凝土不能太冷或太热。当温度降低时，会使水化反应减慢。如果混凝土温度升高，则反应会加速，产生放热反应（产生热量），使混凝土内部产生温差，而这种温度梯度会导致混凝土开裂。此外，在混凝土使用初期，必须避免因温度升高和持续的水化反应而导致的快速干燥开裂。
混凝土早期强度变化速率与水化速率密切相关。因此，有必要研究水化反应发生与温度升高的关系。另一方面，由于传统的有线解决方案存在一些固有的局限性，如安装/维护成本、可扩展性和视觉影响，因此无线传感器已被认为是结构健康监测的一个重要应用领域。为了从温度传感器中收集数据，创建了一个便于远程监控的无线传感器网络。
由于环境因素（如温度和湿度）的影响，土木结构中的几个参数中具有很大的不确定性。基础结构的退化过程便是由这些变化引起的。在早期，温度和湿度在混凝土的养护和硬化过程中起着重要作用，并可能产生长期的后果，如在特定条件下，水分和温度都会促进混凝土劣化过程，即出现不良裂缝、钢筋腐蚀、二氧化碳进入和其他化学过程。
- 实验工作
3.1 负温度系数热敏电阻-温度传感器
第一组测试包括在混凝土立方体内的NTC温度传感器测量温度（普通强度等级C25/30,长尺寸10 cm），如图2所示。
采集系统由一个传感器板和一个虹膜电机组成，有助于建立一个IEEE802.15.4网络，其主要功能是远程采集混凝土立方体内的NTC传感器的数据。
图2 在混凝土立方体内用无线传感器进行温度测量。
3.2 SHT15温度和湿度传感器
在第二组测试中，使用SHT15数字传感器。图3给出了测量混凝土立方体内温度和湿度的过程示意图。
使用以下方程式将SHT15传感器RXVAL返回的原始值转换为温度和湿度值：
在将传感器插入混凝土块内之前，应做好以下准备工作（如图4所示）：
*传感器被放置在一个由水泥砂浆制成的小尺寸立方体（4厘米边长）内，以保护其安全。砂浆采用低含水量——1:3水泥砂浆比生产（砂浆作为外壳，在浇筑过程中将混凝土放置在内部时可以保护传感器电线连接；该砂浆外壳的高孔隙率很容易使混凝土的湿度测量得以实现）；
*使用粗砂粒，避免使用细砂粒，这样传感器就不会受到阻碍。
图3 混凝土立方体内温度和湿度传感器的示意图（10 cm长尺寸）
图4 制备砂浆立方体并将温度和湿度传感器放置在内，以保护其安全。
3.3 SHT21S温度和湿度传感器
3.3.1独立版本
除了SHT15（湿度/温度）传感器外，我们还测试了新的传感器SHT21S（湿度/温度）传感器。在测试该传感器之前，已使用水泥砂浆外壳进行保护。此传感器是前一个传感器的新版本，但具有较小的外型。为了测试该传感器，设计了一个采集系统，以便于在转换模拟信号以进行数字表示的同时采集模拟信号。如前所述，我们打算从早期、凝固和硬化期间测量混凝土砌块内的温度和湿度。
温度和湿度值是通过使用方程（3）和（4）得到的。
其中，vdd是SHT21S传感器工作时的电源电压，查阅传感器数据表所知。在这种情况下，VDD=3 V。此外，由于SHT21S输出是Sigma-Delta调制（SDM）信号，通常该信号通过低通滤波器转换为模拟电压信号。低通滤波器的输出作为电压值VSO，该电压值是VDD的一部分，取决于测量的湿度或温度。所开发的采集系统（用于独立的SHT21S）包含一个microSD模块，负责存储从SHT21S传感器获取的值，如图5所示。
MSP430F449-STK2模块用于将RC滤波器的输出信号转换为数字格式。在微控制器内部运行的算法将执行五次读数（两个连续的温度读数之间间隔100毫秒），在第五次读数后将数据存储在缓冲器中。然后再切换到湿度传感器，再进行5次读数并且保持连续读数之间相同的时间间隔，在第5次读数读数后将数据存储在另一个缓冲区中，最后将温度和湿度值存储在单独的文本文件中，通过命令发送到microSD卡中。
3.3.2 无线版本
SHT21S无线原型旨在创建一个能够测量混凝土结构内部温度和湿度的建筑无线传感器网络（BWSN）。它有串行端口接口（SPI）的集成电路（IC）接口两个接口，以及一个不需要额外硬件组件即可连接的天线。此外，它还提供实时数据信息与多个设备（如笔记本电脑、PDA、具有ZigBee功能的手机）的远程交互功能。由MSP430F2274的超低功耗微控制器控制CC2500无线电收发器（在2.4 GHz频段下工作），并建立基本的无线网络，只需最低的电源要求，就可以延长系统寿命。
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