一種新型采集節點的設計及其在橋梁健康監測系統中的應用

史雪峰　朱世峰　代琛

摘 要： 針對現有橋梁結構健康監測系統數據采集節點的不足，基于傳統RS 485工作模式提出并設計了一種新型采集節點工作模式，總線上的其中任意一個采集節點均可作為控制主機使用，其余節點為從節點，以此使得采集系統更加簡潔。采集到的數據保存到內部存儲FLASH上，保證數據不會丟失，提高了其可靠性。該類采集節點已在某城市立交橋長期健康監測中得到了應用，結果表明：該采集節點具有采集精度高、可工作于主/從模式、操作方便等優點，為橋梁結構健康監測提供了一種新的選擇。

關鍵詞： 橋梁結構健康監測； 采集節點； 主/從工作模式； 操作方便

中圖分類號： TN911?34； TP216+.1； U447 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0023?04

Design of new acquisition node and its application in bridge health monitoring system

SHI Xue?feng1， 2， ZHU Shi?feng1， 2， DAI Chen3

（1. Bridge Science Research Institute， China Zhongtie Major Bridge Engineering Group， Wuhan 430034， China；

2. Hubei Province Key Laboratory of Bridge Structure Safety and Health， Wuhan 430034， China； 3. Hubei Hongshan Prison， Wuhan 430223， China）

Abstract： since it is inadequate for data acquisition nodes of the existing bridge structural health monitoring system， a new collection node operating mode is proposed and designed based on the traditional RS 485 mode. either one acquisition node on the bus can be used as a control host， the others are slave nodes， thus making the acquisition system more concise. The collec?ted data is stored to the internal storage Flash to ensure that data is not lost， which improves its reliability. Such acquisition node has been applied to long?term health monitoring of a city overpass. The results show that the acquisition node has the advantages of high acquisition accuracy， working in master/slave mode and easy operation. It provided a new choice for bridge and other structural health monitoring.

Keywords： bridge structural health monitoring； acquisition node； master/slave mode； easy operation

0 引 言

據不完全統計，我國現有橋梁60余萬座，在氣候、環境等自然因素和日益增加的交通流量及超載車輛不斷增加的情況下，伴隨橋齡的增長，橋梁的安全性和使用性能將發生退化，甚至導致橋梁垮塌等重大事故[1]。因此，對橋梁結構進行連續的健康監測，為保證交通順暢和生命財產安全提供了一種選擇。

但是，往往由于經費的限制，中小型橋梁無法同特大型、大型橋梁一樣安裝監測內容全面的健康監測系統[2]，而是更關注對其撓度、應變和裂縫等關鍵參數的靜態信號監測。該類系統具有架構簡單、監測參數少，費用低、便于實現遠程無線傳輸等優點，且能滿足橋梁安全監測的基本需求。于是，目前均選用技術成熟而且具有較高性價比的串口RS 485型采集節點，其一般是從市場上采購通用型采集節點得到。但目前市場上該類采集節點均需要增加額外的傳感器電源供電電路、傳感器信號線接口電路、無線模塊電路等，集成電路結構復雜，穩定性差，取樣電阻（電流信號采集）故障頻發，且在特定場合需要工控機作為控制主機發送采集指令。鑒于此，提出并設計了一種符合工程實際且經濟可靠、操作方便的采集節點。

1 采集節點功能設計

為滿足工程實際需求，所開發的新型采集節點具有以下特點：24 b分辨率；電流采樣精度<±0.1%，電壓采樣精度<±0.05%；每通道 24 Vdc/50 mA max對傳感器供電；總線上有且僅有一個采集節點可作為控制主機，向自身和其他采集節點發送采集指令，作為工控機功能使用，即主機工作模式，同時亦可方便地切換到從機工作模式；FLASH存儲：設置是否對采集數據進行自身存儲，保證數據不丟失；嵌入RF或GPRS無線傳輸模塊，便于實現不同環境下的數據無線傳輸[3?4]；全部接口均采用航空接頭，接插方便可靠；機體外殼和接頭防護等級均為IP65，可直接在戶外使用。

2 硬件電路的設計

根據該新型采集節點功能設計的需求，其硬件主要由電流/電壓轉換電路、模數轉換（ADC）電路、MCU電路、工作模式選擇電路、FLASH接口電路、串行通信接口電路、無線傳輸接口電路及其他如電源、復位等輔助電路組成，如圖1所示。

2.1 I/V轉換電路設計

由于模數轉換器（ADC）只能接收電壓信號，而設計時一般均選用電流輸出型傳感器以適應傳感器輸出信號的準確遠距離傳輸，需要將傳感器輸出的電流信號轉換為ADC能夠識別的電壓信號。此時，I/V電路設計是將取樣電阻并接在ADC輸入端，ADC接入取樣電阻兩端的電壓值，根據[I=UR]的關系換算出電流值。同時，在實際應用過程中，通用型節點在電壓接入面均采取較多的保護措施，而對取樣電阻基本無防護，故在浪涌或電磁干擾下，極易導致取樣電阻損壞，造成測試結果失真。

本設計采用自恢復保險、ESD和瞬變抑制二極管等措施保證取樣電阻穩定運行。但取樣電阻須選用高精度、低溫漂電阻，I/V轉換電路如圖2所示。

2.2 A/D轉換電路設計

該新型采集節點設計采用片內具有可編程增益設置、數字濾波功能的高精度24位Σ?Δ A/D轉換器AD7712，實現了模擬信號到數字信號的高精度轉換。24位模數轉換芯片AD7712適合低頻測量高精度的A/D轉換器，片內的雙輸入通道易于實現信號的變換及輸出，同時采用的受環境噪聲影響較小的Σ?Δ技術，使其成為工業和過程控制中的理想選擇。

基于AD7712的高精度信號采集系統原理見圖3，其中STM32F107為控制器，系統采用電壓為2.5 V的基準源。AD7712工作在10 MHz的外部時鐘模式，其[DRDY，]A0，[RFS]和[TFS]經光耦隔離后與控制器的PA4，PA5，PA6和PA7引腳相連，其中[DRDY]每個下降沿代表一次數據轉換完成， 當數據傳送完成后變為高電平[5]。

2.3 工作模式選擇電路設計

該新型采集節點與既有RS 485采集設備的主要區別為：采集節點能夠工作于主/從模式。在主機工作模式下，采集節點能夠按照設置的參數自動采集對外輸出采集值，并且能夠向總線上其他采集節點發送采集指令，作為控制主機使用，在該模式下有且只有一個采集節點可配置為主機工作模式，其他采集節點必須配置為從機工作模式。在從機工作模式下，采集節點在控制主機（如PC）的要求下進行數據的收發，與RS 485采集設備使用方法相同。

上述設計在MCU電路中設置PE12為主/從工作模式標志位，MCU在初始化時根據檢測到的標志位結果，決定采集節點工作于主機模式還是從機模式。

2.4 串行接口電路設計

該新型采集節點采用RS 485總線實現測量數據的遠距離傳輸。采用的串行接口通信芯片為采用磁耦隔離技術的增強型RS 485收發器ADM2483，其最高傳輸速率為500 Kb/s。與其他RS 485接口芯片相比，集成了磁隔離技術，僅需一個外部的DC/DC電源進行電源隔離即可實現可靠穩定工作，串行接口電路設計如圖4所示。

3 軟件設計

采集節點在上電后，首先進行系統初始化操作，對I/O口、FLASH、UART和主/從模式標志位進行初始化。初始化完成后，根據檢測到的主/從模式標識位結果進入采集通道。當標識位結果為主機工作模式時，讀取節點采集參數，按照間隔時間、模塊數量等參數進行數據采集；當標識位結果為從機模式時，等待上位機數據請求，當有請求發生時，將寄存器中的采集值發送到串行接口，工作流程如圖5所示。

主機工作模式主要有采樣周期、延時和從機模塊數量3個參數。采樣周期是完成兩次總線上全部采集節點采樣的時間差；延時是發送兩個采集指令的時間差；從機模塊數量是指總線上全部采集節點的數量，包含工作于主機模式的節點本身，該節點地址必須為0x01。采集節點主機工作模式流程如圖6所示。

4 對比實驗及數據分析

4.1 對比實驗

利用0.02%精度的電壓電流校驗儀對采集節點采集值的準確性進行對比檢驗。電壓電流校驗儀輸出值作為真值，節點采集值作為測試值，兩者對比檢驗結果如表1所示。

由表1可以看出，測試值與真值幾乎完全一致，精度非常高，完全可滿足橋梁結構健康監測系統數據采集的需要。

4.2 工程案例

某大型城市立交橋在維修加固后安裝健康監測系統，對橋墩傾斜和墩梁相對位移進行連續監測，現場照片如圖7所示。健康監測系統主要監測4種變量：溫度（溫濕度）、橋墩傾斜、墩梁相對位移、箱梁豎向撓度，分別采用溫度傳感器、精密傾角儀、拉繩位移計和撓度傳感器對各參量進行監測，傳感器均輸出4～20 mA電流型號，電源需求為24 Vdc。

健康監測系統采集設備選用本系統設計的采集節點， 5個節點共40通道。其中，地址為0x01的采集節點配置為主機工作模式，內部配置GPRS無線傳輸模塊，其他4個采集節點配置為從機工作模式，地址為0x02～0x05。0x01采集節點按采樣周期為600 s，延時50 ms，模塊數量為5，依次向各采集節點發送指令，節點將采集值發送到總線時通過GPRS無線模塊傳輸到遠程數據中心，進行數據的解算、分析處理、存儲和顯示等操作。A1匝道10#墩梁相對位移采集數據如圖8所示。

對圖8數據分析可知，4個月的監測數據（圖中直線部分因現場斷電導致數據缺失）顯示墩梁相對位移值均處于閾值范圍內，表明箱梁和橋墩運行正常。

5 結 語

針對現有中小型橋梁結構健康監測特點，提出并設計了一種新型數據采集節點。該采集節點解決了傳統既有采集節點操作不便、故障率高的不足，且具有采樣精度高、能夠工作于主/從模式、保證數據不丟失、操作方便等特點，對比實驗和工程應用均表明，該新型采集節點能夠滿足健康監測系統采集的需要，為中小型橋梁等結構監測系統的完善與發展提供了一種技術選擇。

參考文獻

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[2] 紀為詳，郭翠翠，李星新.貴州壩陵河大橋健康監測系統設計[J].世界橋梁，2012，40（3）：15?19.

[3] 史雪峰，陳開利，鐘繼衛，等.高速鐵路橋梁基礎沉降遠程無線監測技術研究[J].橋梁檢測與加固，2011（1）：1?4.

[4] 鐘繼衛，史雪峰，吳巨峰.基于無線網絡的橋梁在線監測系統研究[J].橋梁建設，2009（z2）：93?96.

[5] 李晉華.基于AD7712的高精度數據采集系統的設計與實現[J].現代電子技術，2007，30（10）：39?40.

[6] 蔣新花，丁華平，沈慶宏.基于現場實驗的無線與有線加速度系統橋梁振動監測比較研究[J].現代電子技術，2014，37（7）： 101?104.