低功耗自動監測設備在施工過程監測中的應用

李鑫奎 蔣宇晨 沈志勇

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司 上海 201612

應變監測是獲取結構力學參數的重要手段，是大型復雜結構工程進行施工質量與安全控制的基礎。隨著互聯網、物聯網技術的進步和無線傳感技術的迅猛發展，應變監測逐漸由有線的人工采集方式發展到無線自動采集方式。但當前無線監測設備仍然存在著功耗高、監測網絡擴展困難等缺點，應用于施工階段監測仍不方便。為解決施工期結構應變監測難題，針對振弦式應變監測設備開展了低功耗及采集機制的研究，研發形成了適用于施工期應變監測的低功耗無線監測設備[1-2]。

1 振弦式應變傳感器工作原理

振弦式應變傳感器依靠鋼弦長度變化感知被測結構的應變。其工作原理為：傳感器鋼弦長度變化引起固有振動頻率改變，通過激勵線圈激發鋼弦振動，鋼弦振動后切割線圈磁力線獲得感生電動勢，根據測得的感生電動勢計算得到鋼弦頻率，并最終獲得鋼弦應變〔式（1）〕。

式中：l ——鋼弦初始長度；

E——鋼弦彈性模量；

Δl ——鋼弦受力后長度變化量；

ρv——鋼弦體密度。

2 施工期監測設備需求分析

施工期應變監測具有其相應的特點，與既有結構監測的不同點在于以下3個方面：施工期監測結構材料與體系存在顯著的時變特性；監測環境多變，過程中各種工序相互交叉影響；測點多、分散且隨施工進展在數量上有所增減。因此采用常規有線監測方式開展施工控制監測困難較大，監測的可靠性和穩定性難以保證。

2.1 低功耗需求

當前開展建筑物中長期監測多采用外部電源供電方式，但施工期監測存在電源不固定，且有被占用可能，同時供電線路也存在易損壞的缺點。因此施工期監測采用外部供電存在供電不穩定，維護工作量大的缺點，從而造成監測數據缺失。施工期監測為中短期監測，時間從數天至數月不等，需要采用自帶電源供電，由于施工期間更換電源可能造成安全性問題，因此應盡量減少電源更換次數。

2.2 無線傳輸需求

施工期各工種交叉作業，采用有線方式進行數據傳輸，數據線容易遭到破壞，也容易對后續工程產生影響。另外，監測測點隨施工進展增減，若采用有線方式，會增大布線工作量。同時，隨著施工的進行，隔斷墻及裝修結構的增加可能阻斷原有無線信號傳輸，因此施工期監測數據傳輸方式應采用無線方式，且數據傳輸方式應能夠減少隔斷對信號的屏蔽作用，確保通信網絡的暢通。

2.3 監測系統擴展性要求

針對施工期監測測點隨施工進展增減的特點，后期增加的測點應能夠方便可靠地接入已有系統，盡量減少人工操作，提高監測網絡的自適應性和接入效率。

3 硬件系統方案設計

3.1 傳輸方式選擇及總體架構設計

鑒于施工監測需要低功耗、遠距離傳輸、穿透性好的無線數據傳輸，經分析，選擇了基于遠程無線電（Long Range Radio，LoRa）的無線監測數據傳輸方案。LoRa模塊是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，是能實現遠距離、長電池壽命、大容量的數據傳輸系統，可擴展傳感網絡。LoRa模塊在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5倍。同時LoRa模塊也具有良好的穿透性，穿透能力比傳統FSK、GFSK等有0.5～0.8倍的提升。綜上，LoRa模塊具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、強穿透性、低成本的特性，比較適合用于施工期監測數據的傳輸。

為實現應變監測數據的遠程應用，采用了LoRa終端設備、網關、網絡服務的網絡結構。在功能方面，LoRa設備終端采集應變數據后向網關發送，依據施工期應變監測特點確定了終端采集通道設置為4個或8個，即一個LoRa終端設備采集4個或8個應變傳感器數據。網關主要功能是接收LoRa終端設備發送的數據，進行數據匯總并發送至廣域網，一個網關一般連接若干采集器，組成星形拓撲網絡。在數據傳輸方面：LoRa終端設備和網關之間通過LoRa無線技術進行數據傳輸，而網關和廣域網之間的交互通過TCP/IP協議或4G無線連接（圖1）。

圖1 數據傳輸總體架構

3.2 低功耗技術設計

應變監測設備低功耗設計主要從2個方面實施：

1）充分利用LoRa模塊自身特有的低功耗特性，同時利用其空中喚醒機制，設計“休眠-工作”轉換機制。施工監測過程中，監測設備不上傳數據時，LoRa模塊設置為低功耗模式；只有在采集器上傳數據時，LoRa模塊才進入較高能耗的正常工作模式。利用LoRa設備休眠狀態下無線通信模塊可處于“休眠-監聽”的特點，LoRa模塊采用定時監聽的方式，監聽網絡中設置的喚醒指令。當采集器接收到有效的喚醒指令后，設置LoRa無線通信模塊切換進入正常工作模式，直至數據接收完畢。由于大部分時間采集器不發送數據，這樣的設置避免了Lora無線通信模塊一直處于高功耗的工作狀態，從而使LoRa無線通信模塊長期處于“休眠-監聽”的低功耗狀態，從源頭上有效降低設備能耗。

2）目前，現有的采集裝置對于振弦式應變計的振弦激勵方式，可以分為“低壓激振”與“高壓激振”2種。高壓激振，速度快，一次激勵即可完成起振，但設備功耗大；低壓激振，設備功耗小，但需要進行“掃頻”，控制復雜，采集速度慢。為節約電量，實現電池供電條件下的長時間值守，采用“低壓激振”方式實現振弦起振，并通過相應的算法，解決現有采集設備功耗大、采集速度慢的問題。利用激振電磁線圈，向系統一次性發送全部頻率的激振，這個振動頻率連續變化的“激振脈沖”，按照一定頻率值間隔覆蓋整個搜索頻率范圍。因此，原則上可以短時間內發生一個與振弦的振動頻率相近的激勵頻率，從而引發“共振”現象，使得振弦起振，隨后測得起振后的振弦頻率。這種起振方式，相較原有的“逐一搜索法” “分段逼近法”，在掃頻速度上有了很大的提高。由于采用的是“低壓激振”方式，且采集速度快，因此可以實現更低的設備功耗。

3.3 數據采集方式設計

施工期應變監測需要能夠對各個主要工況下結構的力學特征參數進行采集，因此應變采集裝置需要滿足無線自動定時采集和人工實時采集相結合的功能。應變數據的采集通過空中喚醒機制實現，即通過向終端采集設備發送喚醒指令，終端開始采集應變數據并進行傳輸，待網關發送收到數據指令后進入休眠狀態，若網關由于故障未收到終端傳輸的數據，則終端重復發送2次，如仍未收到網關回復，則在下一次數據采集周期進行發送。

采用人工手動采集可滿足施工現場搭建網絡系統完成后的實時校驗，同時也能夠實現關鍵工況需要不定時實時采集的要求。通過定時自動采集與人工實時采集的結合，能夠滿足施工期應變監測數據采集的需求，從而更好地為施工質量和安全提供可靠參數。

3.4 數據存儲設計

通常情況下，由于采集終端或網關故障數據不能實時傳輸，為防止數據丟失，設計了雙重存儲機制，即在LoRa終端設備和網關中均設置存儲模塊，終端模塊采集數據后，在對數據進行傳輸的同時進行存儲，網關收到終端發送的數據后首先進行存儲，然后發送至廣域網。若采集終端和網關發生通信故障，待采集終端與網關重新建立通信連接后，采集終端將未發送的數據發送至網關。若網關與廣域網之間發生通信故障，待通信建立后網關將未發送的存儲數據進行發送，如通信一直無法建立，則可攜帶終端設備與采集終端或網關建立聯系進行數據的讀取。該雙重存儲機制最大限度地保障了數據安全，防止數據丟失對工程質量和安全產生的影響。

4 調試軟件系統方案設計

調試軟件主要功能為在監測現場對監測設備進行參數設置和設備管理。網關有GPRS或Wi-Fi這2種聯網模式，如采用GPRS方式可不用設置網絡連接，設備啟動后自動將數據傳輸至云端。當采用Wi-Fi方式聯網時需要通過調試軟件將網關接入當地Wi-Fi系統。網關接入網絡系統后可以在調試軟件中對網關和采集終端進行管理和參數設置。另外，為方便施工現場監測的使用，調試軟件能夠遠程控制網關的啟動和停止，同時還具有手動實時采集的功能。

5 工程應用

5.1 某鋼支撐應變監測

某基坑選定同一層3根鋼支撐開展應變監測。鋼支撐采用長20 m的φ609 mm×12 mm鋼管，在鋼支撐表面上下各布置1個應變傳感器，每根鋼支撐上的2個應變傳感器接入同一個采集終端，網關放置在距離施工現場200 m的辦公室內，采用Wi-Fi模式接入廣域網，采集終端采用普通鋰電池供電，網關由外接電源供電，設置應變采集頻率為15 min/次。自2019年4月11日開始采集至7月14日結束，歷時3個月，監測期間采集終端工作正常，數據采集穩定可靠，監測期間由于施工現場停電2次，停電期間應變數據儲存在采集終端存儲模塊內，待供電恢復后采集終端將斷電期間的數據進行了補發，數據未出現缺失現象。監測結束后采集終端顯示總共耗電8%，以此計算，該采集模塊在15 min/次采集頻率工作狀態下，依靠鋰電池能夠工作超過2年時間，具有明顯的低功耗特點。圖2為監測設備成品。

圖2 監測設備成品

5.2 某混凝土梁應變監測

采用振弦式應變計監測某混凝土梁受力狀態，傳感器設置在梁的4個角點，每個截面共4個傳感器，每個斷面傳感器接入同一個采集終端，共布置了10個采集終端。由于施工場地內無Wi-Fi，網關采用4G通信模式接入廣域網，采集終端同樣由鋰電池供電，網關由外接220 V電源供電，該工程示范應變采集頻率設置為10 min/次，自2019年4月底開始采集至7月底結束，歷時3個月，應變數據采集穩定可靠，示范采集期間采集設備經歷了多次斷電，后期數據全部補全。監測結束后采集終端顯示總共耗電11%，以此計算該采集模塊在10 min/次采集頻率工作狀態下依靠鋰電池能夠工作超過2年時間。2個工程的采集設備功耗較為接近。

6 結語

低功耗無線應變采集設備在普通采集頻率下能堅持2年不更換電池，且數據采集穩定可靠，避免了電源線及數據線因施工破壞造成的數據缺失。另外采集設備自帶的儲存功能、續傳功能，能夠有效避免網關斷電等異常造成的數據無法及時傳輸問題。研發的該類型設備尤其適用于施工期結構受力狀態監測，能夠為施工期結構質量和安全提供及時可靠的數據支撐。