一種無線橋梁健康監控系統的設計

張晶瑜　唐子波

摘 要 近年來，橋梁工程建設過程中事故頻發，存在隱患，本文擬通過應變放大的方法，設計一種遠程的橋梁健康狀況檢測系統。設計的系統能夠實現橋梁狀態數據的定時采集和無線上傳等功能，從而達到橋梁遠程監控的目的。

關鍵詞 橋梁 健康數據 遠程

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A

近年來，我國交通設施建設飛速發展，橋梁在交通設施中占有很大的比重。橋梁在長時間的使用過程中，由于多種多樣的自然侵蝕、人為等因素，必然導致出現各種損傷，嚴重時可坍塌引發嚴重事故，因此對橋梁的結構進行監測就顯得非常必要。橋梁的結構監測為橋梁的養護和管理提供基礎的數據依據。

本文設計的無線橋梁監測系統使用無線模塊實現橋梁的遠程動態監測，從而實現橋梁健康數據的實時反饋功能。

1系統設計方案

本文設計的橋梁健康監控系統能夠實現橋梁監測數據上傳功能，用戶可以對該數據進行下載處理。設計的系統分為四個部分：無線數據采集終端、數據轉發終端、云端服務器、用戶端。

系統總體設計流程圖如圖1所示：

無線數據采集終端由加速度和應變傳感器、信號調理模塊、數據采集模塊信號處理模塊及433M無線數據傳輸模塊五部分組成。加速度和應變傳感器將接收到的物理信號轉換成電信號，通過信號調理模塊，進入數據采集模塊，數據采集模塊將電信號轉換成數字信號，信號處理模塊將數據進行特征值提取處理后，通過433M無線模塊將數據發送至數據轉發終端。

數據轉發終端通過433M無線模塊定時提取來自轉發終端的數據進行存儲。存儲終端中的數據可通過內置4G模塊上傳至云服務器，用戶可從云服務器直接下載數據文件并進行相應操作。

2設計原理

2.1無線數據采集終端

無線數據采集終端的主要技術包括應變放大、無線數據轉發。

應變放大結構采用惠斯通電橋原理，對輸入信號進行放大，信號處理模塊實現了放大信號的處理，使之形成數據格式文件，無線模塊則將處理好的數據格式文件通過433M無線網絡進行發送，數據存儲終端通過433M無線網絡，定時提取加速度終端和應變終端的數據進行存儲。

應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為電橋的四個臂，當Vo無電流通過時，稱電橋達到平衡。平衡時，四個臂的阻值滿足平衡關系，利用這一關系就可測量電阻。惠斯通電橋原理如圖2所示。

應變放大器采用應變片傳感器原理，應變片與其他三個電阻組成惠斯通電橋，當應變片上有形變產生時，應變片電阻值發生變化，此應變全橋失去平衡而輸出差額電壓，即傳感器輸出電壓。輸出的微小信號Vo經過放大器放大1000倍到輸出Vo。 Vo即為放大后的信號電壓值。由此，使用惠斯通電橋原理，實現了輸入信號的放大輸出功能。

由于本系統的工作距離通常在幾百米以內，本系統的無線傳輸模塊選擇了433MH頻段的無線數據傳輸模塊。當數據采集終端收到存儲終端下發的讀取命令時，即將數據存儲緩存區中的數據通過串口轉433M協議進行提交。

2.2無線數據轉發終端

數據轉發模塊主要實現數據的讀取和轉發功能。數據存儲終端定時讀取無線數據采集終端獲取的加速度終端和應變終端的數據，通過內置4G模塊上傳至云服務器，用戶可從云服務器直接下載數據文件并進行相應操作。

3程序設計

程序設計包括無線數據采集端程序設計和遠程云服務器軟件流程設計兩個部分。

無線數據采集端程序設計：

上電后，主控芯片進行初始化工作。接下來，終端進入等待信號的狀態，當有車輛通過或者風吹等使橋梁產生振動變化，使傳感器輸出信號的幅值超過觸發電平時，主控芯片自動記錄固定長度的數據，當完成記錄時，將這個數據進行信號處理，提取特征值，等待無線轉發終端請求數據。當收到無線終端發送的請求數據時，通過433M無線網絡發送特征值數據。

數據轉發終端程序設計：

上電后，主控芯片進行初始化工作。隨即定時對無線數據采集終端進行點名讀取數據。當所有的無線數據采集終端數據讀取完成后，將數據傳輸到云服務器。

云服務器端程序設計：

云服務器端的程序主要包括兩個部分，第一部分是數據接收程序，實現遠程載荷數據采集終端采集到的數據文件的接收，第二部分是數據發送程序，實現將數據文件發送到用戶終端。

4實驗結果

將設計完成的系統進行模擬實驗，實驗中，將厚度為1mm的鋼尺釘固定于木板上，固定點間距26cm。將三個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，待穩定后，快速將鐵塊從鋼尺上移開，取信號的600ms到1400ms采集到的數據統計結果如表1所示：

5結論

本文介紹了一種橋梁健康遠程監控系統，該系統采用了433M無線模塊和云服務器上傳橋梁健康數據，從而能夠實現了橋梁健康狀態的動態監測。

基金項目：資助信息：成都信息工程大學校選項目CRF201620資助。