一種無線橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張晶瑜　唐子波

摘 要 近年來，橋梁工程建設(shè)過程中事故頻發(fā)，存在隱患，本文擬通過應(yīng)變放大的方法，設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程的橋梁健康狀況檢測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和無線上傳等功能，從而達(dá)到橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞 橋梁 健康數(shù)據(jù) 遠(yuǎn)程

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，我國交通設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，橋梁在交通設(shè)施中占有很大的比重。橋梁在長時(shí)間的使用過程中，由于多種多樣的自然侵蝕、人為等因素，必然導(dǎo)致出現(xiàn)各種損傷，嚴(yán)重時(shí)可坍塌引發(fā)嚴(yán)重事故，因此對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測就顯得非常必要。橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測為橋梁的養(yǎng)護(hù)和管理提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的無線橋梁監(jiān)測系統(tǒng)使用無線模塊實(shí)現(xiàn)橋梁的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)橋梁健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋功能。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳功能，用戶可以對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行下載處理。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為四個(gè)部分：無線數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)終端、云端服務(wù)器、用戶端。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示：

無線數(shù)據(jù)采集終端由加速度和應(yīng)變傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊信號(hào)處理模塊及433M無線數(shù)據(jù)傳輸模塊五部分組成。加速度和應(yīng)變傳感器將接收到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理模塊，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)處理模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值提取處理后，通過433M無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)終端。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)終端通過433M無線模塊定時(shí)提取來自轉(zhuǎn)發(fā)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)終端中的數(shù)據(jù)可通過內(nèi)置4G模塊上傳至云服務(wù)器，用戶可從云服務(wù)器直接下載數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行相應(yīng)操作。

2設(shè)計(jì)原理

2.1無線數(shù)據(jù)采集終端

無線數(shù)據(jù)采集終端的主要技術(shù)包括應(yīng)變放大、無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

應(yīng)變放大結(jié)構(gòu)采用惠斯通電橋原理，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)了放大信號(hào)的處理，使之形成數(shù)據(jù)格式文件，無線模塊則將處理好的數(shù)據(jù)格式文件通過433M無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端通過433M無線網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)提取加速度終端和應(yīng)變終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

應(yīng)變放大主要使用了惠斯通電橋原理，惠斯通電橋（又稱單臂電橋）是一種可以精確測量電阻的儀器。如圖1所示，電阻R1-R4為電橋的四個(gè)臂，當(dāng)Vo無電流通過時(shí)，稱電橋達(dá)到平衡。平衡時(shí)，四個(gè)臂的阻值滿足平衡關(guān)系，利用這一關(guān)系就可測量電阻。惠斯通電橋原理如圖2所示。

應(yīng)變放大器采用應(yīng)變片傳感器原理，應(yīng)變片與其他三個(gè)電阻組成惠斯通電橋，當(dāng)應(yīng)變片上有形變產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，此應(yīng)變?nèi)珮蚴テ胶舛敵霾铑~電壓，即傳感器輸出電壓。輸出的微小信號(hào)Vo經(jīng)過放大器放大1000倍到輸出Vo。 Vo即為放大后的信號(hào)電壓值。由此，使用惠斯通電橋原理，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的放大輸出功能。

由于本系統(tǒng)的工作距離通常在幾百米以內(nèi)，本系統(tǒng)的無線傳輸模塊選擇了433MH頻段的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。當(dāng)數(shù)據(jù)采集終端收到存儲(chǔ)終端下發(fā)的讀取命令時(shí)，即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)433M協(xié)議進(jìn)行提交。

2.2無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)終端

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)發(fā)功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端定時(shí)讀取無線數(shù)據(jù)采集終端獲取的加速度終端和應(yīng)變終端的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置4G模塊上傳至云服務(wù)器，用戶可從云服務(wù)器直接下載數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行相應(yīng)操作。

3程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括無線數(shù)據(jù)采集端程序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程云服務(wù)器軟件流程設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

無線數(shù)據(jù)采集端程序設(shè)計(jì)：

上電后，主控芯片進(jìn)行初始化工作。接下來，終端進(jìn)入等待信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)有車輛通過或者風(fēng)吹等使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)變化，使傳感器輸出信號(hào)的幅值超過觸發(fā)電平時(shí)，主控芯片自動(dòng)記錄固定長度的數(shù)據(jù)，當(dāng)完成記錄時(shí)，將這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，提取特征值，等待無線轉(zhuǎn)發(fā)終端請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng)收到無線終端發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，通過433M無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送特征值數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)終端程序設(shè)計(jì)：

上電后，主控芯片進(jìn)行初始化工作。隨即定時(shí)對(duì)無線數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行點(diǎn)名讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的無線數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)讀取完成后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。

云服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)：

云服務(wù)器端的程序主要包括兩個(gè)部分，第一部分是數(shù)據(jù)接收程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程載荷數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)文件的接收，第二部分是數(shù)據(jù)發(fā)送程序，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)文件發(fā)送到用戶終端。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，將厚度為1mm的鋼尺釘固定于木板上，固定點(diǎn)間距26cm。將三個(gè)加速度傳感器分別放置于橋1/4跨、橋1/2跨、橋3/4跨，將應(yīng)變傳感器放置于橋1/2跨，分別接入一起的CH1到CH4。在鋼尺1/2跨上放48克的鐵塊，待穩(wěn)定后，快速將鐵塊從鋼尺上移開，取信號(hào)的600ms到1400ms采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：

5結(jié)論

本文介紹了一種橋梁健康遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了433M無線模塊和云服務(wù)器上傳橋梁健康數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)了橋梁健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

基金項(xiàng)目：資助信息：成都信息工程大學(xué)校選項(xiàng)目CRF201620資助。