基于Lora的橋梁拉索索力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

吳立鑫 孫玉國

摘 ?要： 拉索是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，索力對橋梁健康的監(jiān)測具有重要意義。研制了一套基于Lora的橋梁拉索索力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，還利用Lora無線通信技術(shù)設(shè)計了一套低功耗、低碰撞的星型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了振動頻率法測量索力原理，給出了監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)和模塊化設(shè)計，最后進(jìn)行了索力監(jiān)測測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的索力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)功能完善、實(shí)時性強(qiáng)，為橋梁遠(yuǎn)程、長期監(jiān)測提供了高效便捷的實(shí)施方法，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 索力;Lora;星型網(wǎng)絡(luò);振動頻率法;遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號： TP274+.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.047

本文著錄格式：吳立鑫，孫玉國. 基于Lora的橋梁拉索索力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（01）：216219

【Abstract】： Cable is an important component of bridge structure. Cable force is of great significance to bridge health monitoring. A remote monitoring system for cable tension of bridge cables based on Lora is developed. A low power consumption and low collision star wireless network structure is designed by using Lora wireless communication technology. The principle of cable tension measurement by vibration frequency method is introduced. The overall structure and modular design of the monitoring system are given. Finally， the cable tension monitoring test is carried out. Proven. The experimental results show that the developed cable force remote monitoring system has perfect functions and strong real-time performance. It provides an efficient and convenient implementation method for bridge remote and long-term monitoring， and has broad application prospects.

【Key words】： Cable force; Lora; Star network; Vibration frequency method; Remote monitoring

0 ?引言

拉索是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，拉索索力控制著整個體系的內(nèi)力分布及線形，任何一根拉索索力的變化都會影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[1]。大地脈動、風(fēng)雨等環(huán)境激勵引起的拉索振動，以及在橋梁的運(yùn)營過程中拉索遭受的損害都可能導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生改變，從而給橋梁結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性后果。因此，無論在施工期還是運(yùn)營期，對拉索索力的實(shí)時監(jiān)測具有保障安全的重要意義。

當(dāng)前有三種測量索力的方法得到廣泛應(yīng)用，油壓表法、磁通量法以及振動頻率法[2]。油壓表法大多情況下用于索的施工階段;磁通量法有著較好的應(yīng)用前景，但其理論基礎(chǔ)尚未完善且對裝置安裝有著較高的要求;振動頻率法是一種間接測量法，可在不影響拉索狀態(tài)的條件下測量索力。

傳統(tǒng)的索力監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線通信技術(shù)、Wifi或Zigbee技術(shù)，有線通信技術(shù)受限于有線結(jié)構(gòu)的裝置，成本較高且部署困難;Wifi和Zigbee技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)且傳輸距離較短，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，這些問題愈加突出。

為此，本文提出基于Lora無線通信技術(shù)的索力監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用振動頻率法計算索力，以Lora無線通信技術(shù)快速組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸，最后接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)索力的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。

1 ?監(jiān)測系統(tǒng)測試原理分析

振動頻率法通過采集拉索在人工激勵或者環(huán)境激勵下的振動信號，經(jīng)頻譜分析處理得到索的自振頻率，后由頻率與索力之間的關(guān)系求得拉索的索力值[3]。

在實(shí)際的索力測量過程中，會受到拉索的邊界約束、拉索垂度、抗彎剛度等因素的影響[4]。目前有很多方法已對上述公式進(jìn)行相應(yīng)的修正，但核心方式還是排除這些因素的干擾而準(zhǔn)確地得到拉索振動的基頻。

2 ?基于Lora的索力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 ?監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別為采集終端、網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器端。采集終端部署于橋梁各個拉索之上，負(fù)責(zé)采集拉索振動信息;網(wǎng)關(guān)與采集終端通過Lora技術(shù)星型組網(wǎng)，按照設(shè)定的時序?qū)⒔K端數(shù)據(jù)有序地推送至阿里云服務(wù)器;云服務(wù)器解析、計算、存儲并顯示最終有效數(shù)據(jù)，當(dāng)索力值超出設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)可在線作出預(yù)警。監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 ?采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

采集終端節(jié)點(diǎn)采用現(xiàn)有的嵌入式處理技術(shù)模塊化集成，負(fù)責(zé)采集拉索的振動信息，主要包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊和無線通信模塊。圖2是采集終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

（1）傳感器模塊設(shè)計

拉索振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度以及數(shù)據(jù)采集的速率、分辨率都有較高的要求[5]。加速度傳感器采用的是ADXL335加速度計，相較于傳統(tǒng)的空間三軸加速度傳感器，具有更強(qiáng)的抗軸間串?dāng)_功能。

溫度傳感器采用的是由DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種的“一線總線”接口的DS18B20溫度傳感器[6]。由于DS18B20溫度傳感器是單總線器件，而所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的信號時序，以保證數(shù)據(jù)的完整性[7]。圖3是典型的DS18B20溫度讀取過程。

一般橋梁整體溫度變化基本不會引起索力的變化，這是因?yàn)榛炷梁弯摰木€性膨脹系數(shù)近似[8]。因此，在斜拉橋建成以后，能對索力產(chǎn)生影響的是日照溫差。由于日照溫差引起的索力變化分析較為困難，此處采集溫度信息以供后續(xù)研究分析使用。

（2）信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊采用性能強(qiáng)大的STM32F103C8T6微處理器，內(nèi)嵌頻譜分析算法，用于識別拉索振動的基頻。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可復(fù)用性并高效利用云服務(wù)器的存儲和計算能力，將拉索參數(shù)設(shè)置及索力計算處理置于云服務(wù)器中進(jìn)行。

定時器中斷頻率和DMA大小分別決定采樣頻率和數(shù)據(jù)幀長度;CPU對一個完整數(shù)據(jù)幀做一次頻譜分析;在捕捉到PA3引腳下降沿后觸發(fā)串口數(shù)據(jù)發(fā)送。

（3）無線通信模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的Wifi和Zigbee無線通信傳輸距離較短，在大跨度的橋梁上難以實(shí)際應(yīng)用，且網(wǎng)內(nèi)可組織節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。本文采用的是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域核心技術(shù)之一的Lora無線通信技術(shù)。Lora是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，用于超長距離擴(kuò)頻通信[9]。

Lora節(jié)點(diǎn)基于西門子SX1278芯片研制，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，降低了無線應(yīng)用的門檻。Lora節(jié)點(diǎn)接收到來自網(wǎng)關(guān)的信號后觸發(fā)MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后將有效數(shù)據(jù)回傳至網(wǎng)關(guān)。如圖5所示。

2.3 ?基于Lora的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述

無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有網(wǎng)型拓?fù)?、總線拓?fù)?、星型拓?fù)涞?，星型拓?fù)湟云涞蛡鬏斦`差、低網(wǎng)絡(luò)延遲、易于集中控制等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種無線數(shù)據(jù)傳輸場景[10]。因此，本文選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為采集終端節(jié)點(diǎn)和Lora網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)方式，在如圖6所示。

在上述星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，Lora網(wǎng)關(guān)作為中央節(jié)點(diǎn)與各采集終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，由該中央節(jié)點(diǎn)控制數(shù)據(jù)傳輸策略。由于SX1278芯片內(nèi)部只有一個通道，多終端條件下為避免數(shù)據(jù)上傳發(fā)生碰撞和丟包現(xiàn)象，利用時分多址（TDMA）算法為網(wǎng)內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)分配上報時序。采用TDMA的方式進(jìn)行通信，可減少數(shù)據(jù)傳輸時冗余的控制信息，且節(jié)點(diǎn)在空閑時能夠及時進(jìn)入休眠狀態(tài)，避免能量損耗。

2.4 ?服務(wù)器端設(shè)計

本文基于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，通過部署云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)針對橋梁索力的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，系統(tǒng)中采用阿里云作為監(jiān)測服務(wù)器，主要功能如圖8所示。

云服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)之間通過TCP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時交換;通信建立成功后，實(shí)時接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)包解析及索力計算后，與底層數(shù)據(jù)庫和前端監(jiān)測頁面進(jìn)行交互。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文搭建了一套橋梁拉索索力監(jiān)測裝置模型，如圖8所示，模擬真實(shí)環(huán)境中的索力監(jiān)測。為驗(yàn)證多終端條件下系統(tǒng)各模塊及星型傳感網(wǎng)絡(luò)的工作性能，設(shè)計采用兩個終端節(jié)點(diǎn)同時采集兩根拉索的數(shù)據(jù)。

模型中使用的拉索為鋼索結(jié)構(gòu)，1#索的直徑為6 mm，長度為0.712 m，單位質(zhì)量為0.225 kg/m，2#索的直徑為8 mm，長度為0.973 m，單位質(zhì)量為0.410 kg/m，分別對兩根拉索進(jìn)行了激勵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)置節(jié)點(diǎn)上報時序?yàn)楣?jié)點(diǎn)1在節(jié)點(diǎn)2之前，節(jié)點(diǎn)時隙為1 s。

3.1 ?頻譜分析

拉索振動信號的頻譜分析采用ST官方的DSP庫，由于是匯編實(shí)現(xiàn)且是基4算法，因此FFT速度較快。實(shí)驗(yàn)中采用1024點(diǎn)FFT，采樣頻率設(shè)置為100 HZ，頻譜圖中峰值對應(yīng)的頻率值即為拉索振動的主頻。

3.2 ?監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測界面基于主流Web框架開發(fā)完成，用于遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測拉索振動時各有效參數(shù)，包括振動基頻、索力值、溫度值，同時記錄了拉索編號、組網(wǎng)狀態(tài)以及長度等信息，如圖11所示。

據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，兩根拉索上的采集終端節(jié)點(diǎn)均處于正常工作狀態(tài)，并且嚴(yán)格按照設(shè)定的時序和間隙進(jìn)行工作。1#索當(dāng)前拉力為139.7 N，2#索當(dāng)前拉力為397.5 N。監(jiān)測系統(tǒng)很好地完成了針對拉索索力的遠(yuǎn)程監(jiān)測，各模塊功能完備且數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時、穩(wěn)定。

4 ?結(jié)論

本文論述了使用振動頻率法測量橋梁拉索索力的原理，介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，并通過在系統(tǒng)中嵌入頻譜分析算法識別基頻，完成了對索力的監(jiān)測。模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)很好地完成了對橋梁模型拉索索力的遠(yuǎn)程監(jiān)測，且具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)時性。總之，本系統(tǒng)為橋梁遠(yuǎn)程、長期監(jiān)測提供了高效便捷的實(shí)施方法，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱偉平. 基于索力估計的索支承橋梁結(jié)構(gòu)恒載效應(yīng)識別[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2016.

[2] 曹洪. 基于振動頻率法的體外預(yù)應(yīng)力索力自動監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 重慶交通大學(xué)， 2013.

[3] 田厚斌. 基于多階頻率擬合法監(jiān)測短粗拉索索力的研究與應(yīng)用[D]. 長安大學(xué)， 2014.

[4] 謝福君， 廖龍輝. 衡山湘江公路大橋換索方案研究[J]. 公路， 2013（4）： 64-67.

[5] 蔡鄂， 李東明， 胡亞斌， et al. 基于MEMS的遠(yuǎn)程橋梁索力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2015， 41（10）.

[6] 秦國梁. 基于GSM和嵌入式Web技術(shù)的集控系統(tǒng)設(shè)計[D]. 東北大學(xué)， 2012.

[7] 蔣松云. 基于單片機(jī)溫度和煙霧檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子制作， 2017（11）： 21-22.

[8] 王祥. 穗鹽路斜拉橋施工控制中溫度變化對索力及預(yù)拱度的影響分析[D]. 武漢理工大學(xué)， 2013.

[9] 江武志， 許娜芬， 鐘煒杰， et al. 基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa智能水表的研究與設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2018， v. 8; No. 90（08）： 83-85.

[10] 鄒勝雄. 面向多節(jié)點(diǎn)復(fù)雜傳感網(wǎng)的低功耗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[D]. 北京交通大學(xué)， 2015.