مانیتورینگ سلامت سازه‌های بتنی با استفاده از شبکه‌های حسگر بی‌سیم

نوع مقاله : یادداشت پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک ،دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر،دانشگاه حکیم سبزواری

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق- الکترونیک، دانشکده‌ی برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی نیشابور، واحد علوم و تحقیقات خراسان رضوی

چکیده

در این پژوهش یک سیستم نظارت بر سلامت سازه‌های  بتنی با استفاده از شبکه های حس گر بی سیم معرفی و پیاده‌سازی می‌گردد. هدف اصلی در این پژوهش ارائه ی یک سیستم برای اندازه‌گیری دو پارامتر دما و رطوبت در داخل سازه‌های بتنی- بویژه در مواقع بتن ریزی با حجم زیاد- با کمترین هزینه طراحی و پیاده سازی و کمترین  هزینه ونیاز به عملیات نگهداری و تعمیرات و با بیشترین طول عمر مفید در هنگام قرارگیری در داخل یا مجاورت بتن و عوامل مخرب مشابه در سازه ها ی بتنی است. عمده تمرکز این پژوهش  بر دوره‌های اولیه‌ی شکل‌‌گیری و تشکیل یافتن بتن است. در این پژوهش برای نیل به هدف مذکور چهار تکنولوژی مختلف مورد ارزیابی عملی قرار می گیرد. اولین روش عبارت است از استفاده از ترمیستور با ضریب حرارتی منفی و IRIS mote در قالب توپولوژی شبکه‌ی IEEE 802.15.4. نتایج نشان می‌دهد که اندازه‌گیری این سنسور در حدود 5 °C بین مقادیر واقعی و مقادیر اندازه‌گیری شده از خود انحراف معیار استاندارد بروز می‌دهد. روش دوم از یک سنسور SHT15 (دما و رطوبت) به همراه میکروکنترلر PIC16F4680 و یا برد آردینهو استفاده می‌کند. روش سوم شامل استفاده از سنسور SHT21S (دما و رطوبت) به همراه برد کاربردی eZ430-RF2500 با پردازنده‌ی MSP430 می‌باشد. در این حالت قرائت مقادیر دما در طول 16 ساعت اولیه به خوبی انجام می گیرد در حالی که مقادیر رطوبت برای 24 ساعت اول آزمایش به خوبی اندازه‌گیری و ثبت گردیدند. با وجود این‌که مقادیر اندازه‌گیری شده برای سنسورهای SHT15 و SHT21S مطابقت خوبی دارند، هر دو سنسور بعد از گذشت مدت زمان مشخصی از کار ایستادند که نشان دهنده‌ی رابطه‌ی معکوس بین طول عمر سنسور و شدت قلیایی بودن محیط بتن است و بطور ضمنی لزوم ایجاد پوشش برای سنسور های مذکور را برای کاربرد در داخل بتن متذکر می شود. در روش چهارم از هر دو سنسور SHT15 و SHT21S بصورت محافظت شده برای مانیتورینگ درازمدت استفاده گردید. از آن‌جا که در مورد اخیر دو سنسور SHT15 و SHT21S  با وجودتحت تأثیر قرار گرفتن بواسطه ی محیط قلیایی بتن، موفق  به اندازه‌گیری به مدت نزدیک به دو ماه گردیدند، امکان نظارت بلادرنگ و پیوسته با کمک سنسورهای ویژه در قالب شبکه‌های حس‌گر بی‌سیم با حداقل قیمت تمام شده محقق می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Health Monitoring Of Concrete Structures Using Wireless sensor networks

نویسندگان [English]

  • Saman Shoorabi Sani 1
  • Mona Kalate Arabi 2
  • Ali Akbar Khazae 2
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Hakim Sabzevari University, Iran
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Islamic Azad University of Neyshabur, Science and Research Branch, Iran
چکیده [English]

This paper presents the development of an automatic wireless sensor monitoring system for civil engineering structures. The objective is to provide a solution to measure both temperature and humidity inside a concrete structure. The research has been focused in the early age and curing phase period. Four solutions have been addressed. The first one involves the use of a negative temperature coefficient (NTC) thermistor and an IRIS mote allowing for the creation of an IEEE 802.15.4 network. However, the results have shown that the sensor measurements present a 5 C standard deviation between the actual and the experimental values. The second one considers the use of the SHT15 (humidity/temperature) sensor, together with the PIC18F4680 microcontroller or the Arduino platform. The third solution involves the use of the SHT21S (humidity/temperature) sensor and the eZ430-RF2500 wireless development tool platform for the MSP430 microcontroller. In this case, the temperature readings were successfully performed for the first 16 h, while the humidity values were successfully obtained for the first 24 h of the experiment. Although the set of measured values is very promising for the SHT15 and SHT21S sensors, both sensors have stopped working after some time, showing that direct contact between the sensor and the concrete alkaline environment causes its breakdown. Finally, the fourth solution considers both the SHT15 and SHT21S sensors completely shielded allowing for the creation of a long-term solution. As, the SHT15 and SHT12S sensors have not been affected by the alkaline environment for more than two months of operation, enabling real-time and continuous monitoring with almost non-intrusive tiny devices, the potential of applying the proposed inexpensive wireless sensor network approach is verified.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wireless sensor networks
  • Structural health monitoring
  • concrete
  • Sensor
  • Temperature
  • Humidity