基于LoRaTM 的高架橋體質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜其敏

(南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京210044)

1 概述

2019 年無錫市跨橋由于汽車超載導(dǎo)致橋面?zhèn)确l(fā)社會(huì)關(guān)注。技術(shù)日新月異的變革,在高架橋體安裝實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)以成為可能。在此之前橋體監(jiān)控是通過敏感元件如電阻應(yīng)變片,振弦式應(yīng)變計(jì)等將被測量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量,再通過專業(yè)的儀器測量記錄。傳統(tǒng)方式有以下不足：①敏感元件可以檢測的被測量有限,②采用專門的儀器記錄并不能做到實(shí)時(shí)檢測,示警及時(shí)。針對這種不足,提出基于LoRaTM多檢測的高架橋體質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

2 高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)包含2 部分：網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn),其中節(jié)點(diǎn)包含多種信號檢測、AD、ARM嵌入式、LoRaTM傳輸、其他外設(shè)；網(wǎng)關(guān)包含ARM、LoRaTM傳輸、SD 卡和4G 模塊,如圖1。振動(dòng)檢測、溫度檢測和壓力傳感器將高架橋體的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)自然量轉(zhuǎn)化為電信號,通過預(yù)處理電路再經(jīng)過AD,自然量被轉(zhuǎn)換為ARM數(shù)字量[1],再通過LoRaTM模塊將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)將附近節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯總通過4G 傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器；同時(shí)也通過SDIO 接口將數(shù)據(jù)存儲在SD 卡中[2-3]。按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)工作模塊；LED 燈提示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。

圖1 高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處理器考慮到需要低功耗,所以采用32 位Cortex-M0+ STM32L051,主頻高達(dá)32MHz,64KB Flash、2KB EEPROM、8KB RAM,有多個(gè)高速IO 口。STML051的采集數(shù)據(jù)精度可達(dá)12bit,A/D 速度可達(dá)1.14 MSPS。網(wǎng)關(guān)部分ARM 采用Cortex-M4 STM32F407, 并通過4G 模塊將數(shù)據(jù)傳送出[4]。4G 模塊采用了MTK 公司MT7628,該模塊支持802.11 多種協(xié)議。STM32F407 SDIO 接口持對SD 卡讀寫校驗(yàn)數(shù)據(jù),工作在8 位數(shù)據(jù)模式,提高讀寫速率。LoRaTM無線模塊采用安信可的RA06 模塊[5],串口控制降低開發(fā)難度,提供開發(fā)效率。高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3.1 傳感器信號采集硬件設(shè)計(jì)

傳感器信號采用多級放大。1 級運(yùn)放,2 級為濾波。電流轉(zhuǎn)電壓采集,0 阻抗所以檢測電路對電流型傳感器影響小。將轉(zhuǎn)換信號的高頻噪聲去除,然后傳輸?shù)紸/D 口,原理如圖3。

圖3 傳感器信號采集硬件設(shè)計(jì)

3.2 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)無線傳輸采用LoRa 調(diào)制技術(shù),硬件采用安信可公司RA06 模塊,采用串口直接與STML051 低功耗處理器相連[6]。

3.3 4G 無線數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信是利用STMF407 外接LAN8720 物理層(PHY)完成的,將RMII 與STMF407 內(nèi)核連接,TX_EN 端口使能引腳,TXD、RXD 差分輸出信號,當(dāng)接收數(shù)據(jù)有效,CRS_DV 信號變化,REF_CLK 提供時(shí)需參考,LAN8720 芯片沒有變壓器,所有采用變壓器通過TXD、RXD 連接4G 模塊,硬件設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 4G 無線數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

3.4 SD 卡數(shù)據(jù)存儲硬件設(shè)計(jì)

SD 存儲卡依托STMF407 自帶的SDIO 控制器,時(shí)序信號由SDIO_CLK 提供,SDIO_CMD 信號用于SD 判斷寫入的是數(shù)據(jù)還是命令,SDIO_D[3：0]數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 高架橋體監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化,高架橋體傳感器采集物料信號并轉(zhuǎn)換,并通過LoRa 傳至目標(biāo)網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)通過4G 無線傳出,服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫,前端軟件判斷,發(fā)現(xiàn)異常發(fā)送報(bào)警信號,另一方面用SD 卡設(shè)備存儲數(shù)據(jù)以備分析,軟件設(shè)置總流程圖如圖5。

圖5 軟件設(shè)計(jì)總流程圖

4.1 AD 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

初始化ADC 時(shí)鐘,設(shè)置ADC 復(fù)用寄存器、ADC CCR 寄存器、ADC 采集頻率寄存器,等ADC 相關(guān)寄存器。初始化ADC,12位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,右對齊數(shù)據(jù)。接著開啟ADC 轉(zhuǎn)換,讀取一次ADC 的數(shù)值,軟件采用多次取均值進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波。

4.2 4G 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化,設(shè)置I/O 復(fù)用時(shí)鐘,同時(shí)初始化LAN8720,LWIP,啟用DHCP 功能,由4G 模塊自動(dòng)分配IP 地址給設(shè)備,然后創(chuàng)建目標(biāo)TCP 連接,由于TCP 長時(shí)間無數(shù)據(jù)交互,TCP 連接就會(huì)斷開連接,而且采用定期傳輸數(shù)據(jù)的方式作為心跳包,且發(fā)送頻率可設(shè)。流程圖如圖6。

4.3 SD 卡數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計(jì)

圖6 4G 無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

STMF407 自帶SDIO,第一步設(shè)置I/O 復(fù)用引腳功能,上電后等待75 個(gè)CLK 延時(shí),循環(huán)等待結(jié)束后復(fù)位,第二步發(fā)送CMD8 激活SD,第三步發(fā)送ACMD41 確認(rèn)電壓,初始化結(jié)束后,然后就可以對SD 設(shè)備進(jìn)行操作。

4.4 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

上電后STM32L051 首先初始化串口,然后設(shè)置RA06 模塊的工作模式,空中頻率,本地地址和網(wǎng)關(guān)地址等參數(shù),發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)指令后發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文提出的Lora 無線傳輸?shù)陌踩O(jiān)測系統(tǒng)是為了有效避免傳統(tǒng)檢測無法實(shí)時(shí)的弊端,新型的Lora 無線傳輸?shù)陌踩O(jiān)測系統(tǒng)減少了傳統(tǒng)設(shè)施因?yàn)椴季€困難的局限性,同時(shí)改善了傳輸示警及時(shí)準(zhǔn)確。在高架橋體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處放置多融合傳感器安全檢測系統(tǒng),避免了人工檢測維護(hù)的局限性,為大型建筑的質(zhì)量健康檢測提供了一個(gè)新的方向。