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混凝土结构内温度和湿度监测的无线传感器网络
Norberto Barroca, Luiacute;s M. Borges, Fernando J. Velez, Filipe Monteiro, Marcin Goacute;rski, Joatilde;o Castro-Gomes
亮点
不同的微小传感器测量混凝土温度和湿度已经过测试。
无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4搭建的，便于实时和长期的监测。
屏蔽避免了高相对湿度/碱性环境中的传感器故障。
传感器探头获得的测量值和温湿度的实际测量值之间较为相符。
这些涉及无线传感器网络的研究解决方案在实时结构的健康监测方面具有巨大的潜力。
关键词
无线传感器网络；结构健康监测；混凝土；传感器；温度；湿度
摘要
本文提出将自动无线传感器用于土木工程结构监测系统的开发。目的是为混凝土结构内温度和湿度的测量提供一种解决方案。研究重点主要集中在混凝土早期和固化期。已经得出了四种解决方案。第一个包括一个负温度系数（NTC）热敏电阻的使用和一个兼容IEEE 802.15.4网络的IRIS节点。然而，结果表明，传感器测量的实际值和实验值之间呈现出5 LC的标准偏差。第二种考虑使用SHT15（湿度/温度）传感器搭配PIC18F4680单片机或Arduino平台。第三种解决方案涉及SHT21S（湿度/温度）传感器的使用和用于MSP430单片机的eZ430-RF2500无线开发工具平台。在这种解决方案里，温度读数在第一个16小时成功获得，湿度值在第一个24小时成功获得。虽然SHT15和SHT21S传感器测量值的设置都无误，但一段时间后两个传感器都停止了工作，这表明是传感器与混凝土特碱性环境直接接触导致了故障。最后，第四个，考虑到需要有一个长期的解决方案所以将SHT15传感器和SHT21S完全屏蔽。同时，经过两个多月的运行，SHT15 和 SHT12S传感器没有受碱性环境影响，实现了使用非侵入式微型设备的实时、连续监测，证明了应用这种廉价无线传感器网络的方法潜力很大。
1、介绍
现在我们已经认识到，综合监测系统和程序在具体结构的全面管理中发挥了重要且长远的作用。监测恶化情况将提供早期问题的预警进而制定维修的计划和调度，从而减少相关成本。此外，监控系统采集数据的使用和服务寿命预测模型的改进可以额外地节省生命周期成本。
用传感器和相关联的监测系统评估材料的性能，在检查、评估和管理的具体结构中扮演了一个重要角色。有超过五十种不同类型的传感器部署到实际设备以实现结构变化诸如钢筋锈蚀、混凝土化学、湿度和温度的长期监测。
新的传感器概念的发展，使得维修方案评估、调度检查和在不同的土木工程结构中开展维修项目中拟定更合理的方法成为可能。目前，对混凝土结构的传感器技术发展的研究越来越多，在环境条件的早期监测中，表明衰减过程的参数会被高亮显示。Providakis和Liarakos研究了一种监测早期混凝土强度变化的微型传感器系统。目的是描述在非常早期阶段，即还未凝固成型时的混凝土的情况。它是用一个可重复使用而且强大到足以轻易脱离硬化混凝土结构的传感器来监测早期初始水化条件下混凝土的强度变化。Cruz et al.研究了光纤传感器对混凝土裂缝、砌体和沥青部件监测的表现情况。这种传感器不需要裂缝位置的先备信息，在现有的裂缝监测技术下这是非常先进的。此外，根据作者的观点，可以使用单纤维来检测、定位和监测裂缝。Duffoacute;和Farina开发了一种集成的高性价比传感器系统用以监测钢筋混凝土结构的腐蚀点状态。该传感器能够检测钢筋的开路电位参数和腐蚀电流密度，钢筋混凝土的电阻率和氧、氯离子有效浓度以及结构内的温度。
在混凝土内部或表面放置小传感器来监测混凝土结构的长期状态是一种很被看好的改进措施。腐蚀监测时可以使用不同的传感器，采取各种有效方法以达到可在混凝土的碱性介质中工作数年的目的。所记录的暴露于真实结构环境的混凝土电阻和腐蚀电位的数据可用于确定与混凝土结构相对应的腐蚀速率。混凝土表面附近（深度为50毫米）的嵌入式传感器能够检测覆盖区内电气特性的时空分布，从而可进行对其性能的综合评估。定期监测可以获取覆盖区域对不同环境变化，事实上也就是温度变化的响应。
我们和相应传感器实现科学的科学家合作，配合利用混凝土技术，用各种各样的大量传感器上的无线低功率智能传感器节点来获得测量行为、过滤、共享和整合的数据，这样便可以取得混凝土劣化研究的进展。关键问题在于嵌入式传感器的校准，铸构进混凝土中的传感器的鲁棒性和关系到结构长期安全的传感器耐久性。温湿度的监测能提供混凝土硬化、整定过程和退化机制过程诸如钢筋锈蚀、冻融循环、碳补偿以及碱–集料反应的关键信息。
最近提出了一种新的技术来监测温湿度。这一创新技术采用纳米技术和微型机电系统（MEMS）即利用微悬臂梁和湿敏薄膜测量温度和内部相对湿度聚合物。基于所获得的结果，发现该MEMS通过了混凝土腐蚀性环境，以及内外部压力的考验。同时发现，MEMS输出反映了混凝土性能的变化，可以有效地用于测量温湿度且灵敏度高。不过也有很严峻的问题，例如埋入混凝土的MEMS系统的长期表现和重复性，需要进行进一步的调查。通过土木工程和自动控制工程之间的交叉学科研究，一种新的测量技术近期得到了发展，该技术通过无线信号传输，进而实现了混凝土内部温湿度的直接、实时测量和连续监测。但是，在混凝土里嵌入电子构件时，有几个局限性也需要克服，如信号传输的连续性和稳定性，电子元件保护，以及封装盒的设计。
2、动机和目标
这一跨学科研究的主要目标是开发一种无线传感器网络（WSNs）的原型用以远程监控混凝土结构。 无线传感器网络是由微小的装置组成，包括微控制器、传感器、存储器、电源单元和通信模块。它们能够感知环境，收集通过无线链路从传感器传送到到汇聚节点的信息并进行通信，还可以在一个给定的位置读物理变量的值，检测有意义的事件，同时执行协作信号处理。实际应用中，WSNs常被用于在无基础设施部署的情况下进行快速、持续地监测。此外，研究工作的重点是了解刚刚铸就的还未凝固成型混凝土立方体的即时情况，实时监测此时所有的温度和水分变化。通过使用IEEE 802.15.4网络能够显著减少安装时间和成本。将要进行的实验旨在通过本研究对各种材料的其他结构的监测提高产出，并开发了一个原型机以测量实际混凝土结构的几个参数如温度和湿度。
WSNs应用于土木工程结构，根据需求、可扩展性和成本，通过网络共享信息，建设一可容纳广范围传感器的监控设备平台非常重要。为此，远程代理将收集的信息存储到microSD卡以便之后交流分析，或者通过无线发送此信息，一个远程接口板(网关) 实时连接到电脑，如果需要的话也可允许土木工程师快速介入，如图1所示。
温度是混凝土养护和硬化过程中的重要参数，因为混凝土不能太冷或太热。当温度下降时，水化反应减慢，混凝土温升，反应速率加快，放热反应导致了混凝土内的温度差异。这个温度梯度会导致开裂。在混凝土的初始阶段，避免由于温度升高和持续的水化反应造成的快速干燥而开裂，这一点非常重要。
在混凝土浇筑早期，混凝土的强度变化速率和水化速率密切相关。因此，研究水化反应对混凝土温升的影响是很有价值的。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，可扩展性和美观性问题，所以将WSNs用于结构健康监测很被看好。WSN用来完善监测以便收集从温度传感器上传回的数据。
土木结构的性能涉及大量的不确定性，包括众多环境因素，例如，温度和湿度所造成的几个参数影响。底层结构的劣化过程就是由这些变化引起的。在早期阶段，温湿度对混凝土的固化和硬化有重要且长期的影响。
在特定环境下，温湿度都会影响混凝土的劣化过程，即产生裂缝、钢筋腐蚀、二氧化碳和其他化学侵蚀过程。
温度数据读取
IEEE802.15.4
打印
数据库
IRIS模块和传感器板
图1土木工程结构监测的无线传感器网络体系结构
3、实验
3.1 负温度热敏电阻温度传感器
第一组测试包括在混凝土立方体内用NTC温度传感器测量温度（普通强度等级C25 / 30，长10厘米），如图2所示。采集系统包括一个传感器板，IRIS节点和一个IEEE 802.15.4网络，主要功能是从混凝土立方体内的NTC传感器远程收集数据。
3.2温湿度传感器 SHT15
在第二组测试中，采用SHT15数字式传感器，用一单芯片传感器能够高精度测量温度和湿度。图3给出了一个示意图表示在混凝土立方体内测量温度和湿度的过程。
在将传感器插入混凝土块之前，已做了以下的准备工作（如图4所示）：
传感器被放置在一个小尺寸立方体（4厘米长）的水泥中将其保护。砂浆用水量低，1:3水泥砂浆生产比例（MOR焦油作为外壳，可以保护传感器导线连接时，放置在混凝土铸造时，高孔隙率保持混凝土的水分）粗砂的大小被用来避免细颗粒，使传感器不会成为阻碍。
3.3 温度和湿度传感器SHT21S
除了SHT15（湿度/温度）传感器，我们测试了新的盛思锐（湿度/温度）传感器SHT21S。在测试该传感器之前，一个水泥砂浆外壳已被用于其保护。这个传感器是先前的更新版本但体积小。为了测试这种传感器，采集系统的设计为了便于模拟信号的采集，转换成数字表示。如前所述，我们打算同时测量混凝土块在早期未凝固成形时的温度和湿度。
温度和湿度值在（3）及（4）
分别：
温度[℃]=-46.85 175.72times;Vso/Vdo; (3)
湿度[％RH]=-6 125times;Vso/Vdo; (4)
其中，根据传感器的数据接口规范，VDD给SHT21S传感器供电。这种情况下，VDD = 3 V。另外，由于SHT21S输出一个sigma-delta调制(SDM)的信号，这种信号通常是由一个低通滤波的方法转换为模拟电压信号。 根据测得的温度或湿度,低通滤波器的输出提供了一个电压值(VSO),电压值(VSO)是VDD的一部分。所开发的系统（为独立SHT21S）采用了microSD模块，负责存储从SHT21S传感器获得的值，如图5所示。
模块MSP430F449-STK2用来将输出的RC滤波器的信号转换成数字格式。该算法在微控制器运行，执行五读数（100毫秒之间的间隔连续的读数为温度），将第五个读数存储在缓冲区。然后，它会切换到湿度传感器，执行另外五个读数和转换，并与连续的读数相同，将第五个读数存储在另一个缓冲区中。Finally, after that it sends the commands to store the temperature and humidity values in separated text files, into the microSD card.最后，执行完之前任务后，它发送命令来存储温度和湿度值到分隔的文本文件，存储到microSD卡中。
屏蔽传感器SHT21S和SHT15后，我们决定创造不同温湿度环境，用标准气候传感器探头比较所获得的结果（该HygroClip探头，用于各种气象测量，工作范围40-100 LC, 0-100% RH）以显示精确测量，如图9a-d.我们决定不记录标记的温度和湿度变化的曲线，以便更好的解释。传感器的响应是在四种不同的条件下测试。第一个测试包括用干燥器控制相对湿度在75%。因此，在干燥器底部部分填充饱和氯化钠水溶液（盐与水混合），图9A。试验是在23小时内进行的，该标准气候传感器探头与传感器SHT15、SHT21S用于确定测量值。在第一个4小时，SHT15没有连接到Arduino平台，所以我们没有测量任何温度和湿度值。4小时后，我们给SHT15传感器供电并开始测量湿度和温度值。第四至第二十三个小时之间，通过比较从传感器SHT15和传感器SHT21S获得的结果，我们得出结论，是相似的。此外，7小时后，温湿度值开始保持恒定，其中的湿度是约75%，温度约为23。16小时后，我们决定打开干燥器来观察温度和湿度值是否有变化。如图9a所示，湿度值降低，温度值上升。
如图9b所示，在测试二中，用冰块代替盐溶液放在该干燥器的底部，因此，在第一个3小时，温度值减少，湿度值增加。30小时后，在干燥器内的空气达到平衡，湿度约100%，温度是和环境相关的。只在42小时后，才将传感器SHT15连接。在第四十二到第六十三小时之间，通过比较SHT15和SHT21S采集的数据，我们得出结论，结果是相似的。图9c，冰块融化，干燥器底部全是水。因此，干燥器内湿度是100%左右，温度和环境相关。此外，白天温度增加，夜晚温度减少。最后，最后一次测试用硅胶颗粒将水注满干燥的底部。如图9d所示，在干燥器内部相对湿度快速变化，特别是在第一个小时，通过比较传感器SHT15和SHT21S，湿度值平均标准偏差2%。通过事实来解释，干燥器的位置不相同，导致湿度值的测量值产生微小变化。另外，我们也注意到，从SHT15和SHT21S传感器标准气候传感器探头测量之间的相对湿度，各平均标准偏差为2-4%。事实证明，湿度和温度发生快速变化时，传感器探头没有数字温湿度传感器测量得准确。
图2在混凝土立方体内用无线传感器进行温度测量
10cm
10cm
10cm
混凝土立方体（10厘米长）
图3温湿度传感器的示意图
图4 在混凝土内放置温湿度传感器所做的准备和保护措施
图5初始版本的采集系统SHT21S
图9从传感器SHT15和SHT21S采集的温湿度数据结果.
(a)湿度75%.（b）将硅胶颗粒替换为冰块.(c)干燥器底部注满水.(d)将水替换为硅胶颗粒
注
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