李云飛, 周 揚, 張 飛, 武金模

(1.清華大學合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230036；2.安徽辰控智能科技有限公司,安徽 合肥 230036)

0 引 言

橋梁健康狀態監測是一項規模大、復雜性高的綜合性系統工程，為了實現對橋梁健康狀態進行監測、對潛在危險預警，需要部署大量傳感器系統用以采集包括橋梁振動、位移、應變、壓力、溫濕度等各種狀態參數[1,2]。通過各種傳感器的優化布設，可以提高橋梁監測系統可靠性和靈活性[3]。然而，由于涉及傳感器種類多、接口形式不統一，使得橋梁健康狀態監測系統的開發集成和更新維護極為不便，因此需要一種統一的、標準化的傳感器接口技術來提高系統的一致性、可維護性和可擴展性。本文對橋梁健康狀態系統傳感器接口進行標準化設計，測試結果表明，系統接口標準化后擴展性、維護性較好。

1 傳感器接口標準

傳感器接口作為傳感網和物聯網系統中的重要技術單元，解決感知層的信息接入問題。國內外相關機構特別是標準組織，針對傳感器接口的標準化展開了研究[4～8]。

在國家傳感器網絡標準工作組(working group of sensor network,WGSN)的領導下，我國于2009年開始對傳感器接口相關數據模型和交互協議進行研究[9]，并研制了具有自主知識產權的傳感器接口標準GB/T 30269.701和GB/T 30269.702[10,11]。前者為傳感器信號接口標準，其規定了傳感器與傳感節點之間信號接口的信號類型、電氣參數及表述格式，旨在解決傳感器互換和即插即用問題，實現物聯網感知層到網絡層的無縫接入；后者為傳感器數據接口標準，其對傳感器信息編碼、傳感節點數據描述和傳感節點數據交互協議等內容進行規范，旨在解決上層網絡或應用系統對各種傳感節點的識別、訪問和配置等問題，其意義在于以統一的方式實現傳感器網絡數據的跨平臺訪問和共享。

兩個標準在傳感系統中的層次結構和相互關系如圖1所示。

圖1 傳感器接口標準層次結構和相互關系

2 橋梁監測系統

橋梁監測系統需要對橋梁全長度關鍵部位的狀態參數進行采集并融合計算處理，由于橋梁狀態多點監測的固有特性，橋梁健康狀態監測系統采用分布—集中式采集結構，其系統架構如圖2所示。多個橋梁狀態參數采集終端分布在橋梁的不同部位，每個采集終端連接多個不同類型傳感器采集橋梁狀態參數。橋梁監測綜合主機通過數據總線與每個橋梁狀態參數采集終端進行通信，對采集終端進行管理，匯集每個采集終端發送的橋梁狀態數據，并發送到后臺數據庫服務器。

圖2 橋梁狀態監測系統架構

3 橋梁監測系統標準化設計

3.1 橋梁狀態參數采集終端標準化設計

在硬件結構上，橋梁狀態參數采集終端分為通信母板和信號接口適配子板，兩部分通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)接口進行連接通信。通信母板可采用通用的網絡通信模塊。作為標準化設計的關鍵部分，信號接口適配子板主要包括微控制器單元(microcontroller unit,MCU)模塊、電源管理模塊、通信模塊、存儲模塊和傳感器接口調理模塊等5個部分，如圖3所示。依據傳感器信號接口標準GB/T 30269.701的要求對傳感器接口調理模塊進行設計，包括模擬信號調理電路和數字通信接口，實現對各種模擬型傳感器，開關型傳感器和數字總線型傳感器的適配接入。圖4為電壓型輸入接口調理電路，INA326為運算放大器。

圖3 信號接口適配子板硬件構成

圖4 電壓型輸入接口調理電路

在軟件設計上，橋梁狀態參數采集終端嵌入式軟件采用模塊化低耦合設計思想，其包括傳感器接入檢測、傳感器接口描述讀取、數據采集、數據處理、基礎通信等多個軟件模塊，如圖5所示。

圖5 橋梁狀態參數采集終端嵌入式軟件結構

依據GB/T30269.701對信號接口的規范要求，構建了標準的信號接口描述文件并保存在內部存儲器中，設計了信號接口描述數據結構、解碼模塊和信號接口匹配模塊，其中信號接口描述數據結構定義了橋梁狀態參數采集終端各個采集通道的信號接口參數，解碼模塊以GB/T 30269.701規定的格式對采集終端和所接傳感器的信號接口描述信息進行解析提取相關信號接口參數，信號接口匹配模塊對提取的信號接口參數進行對比計算以判斷所接傳感器與所接采集終端通道是否匹配。依據GB/T30269.702關于數據接口描述文件和交互協議的要求，設計了橋梁狀態參數采集終端通信協議棧，包括數據接口描述信息結構、解碼模塊、標準數據包構造模塊、標準數據包解析模塊和基礎通信模塊等，其中數據接口描述信息結構定義了橋梁狀態參數采集終端的ID識別號、通道編碼、轉換映射關系等信息，數據接口描述解碼模塊以標準格式對采集終端的數據接口信息進行解析提取數據接口參數，標準數據包構造和解析模塊按照標準交互通信協議進行通信數據幀構造解析工作。

3.2 橋梁監測綜合主機標準化設計

橋梁監測綜合主機硬件可以采用高性能工業控制計算機，軟件設計和實現是橋梁監測綜合主機研發的主要內容。

為了實現傳感器接口標準化的同時又不失通用性和靈活性，橋梁監測綜合主機在軟件整體架構上分系統調用層、中間層和應用層，如圖6所示。系統調用層主要功能是調用操作系統底層應用編程接口(application programming interface,API)來驅動通信接口實現數據通信功能。應用層主要功能是獲取橋梁狀態數據進行計算、分析、預警和顯示。中間層是實現傳感器接口標準化的關鍵，位于系統調用層傳和應用層之間，其依據GB/T30269.702關于傳感節點通信協議的規范，向下需要實現與橋梁狀態參數采集終端的通信，從而獲取或配置參數并讀取橋梁狀態數據，向上為上層應用軟件提供采集終端數據編碼獲取和解析的服務，使得采集終端對于上層應用軟件是透明的，這樣上層應用軟件可以更專注于各項功能策略的實現。根據GB/T 30269.702關于通信協議的規范要求，中間層提供移除采集終端參數函數族、讀取采集終端參數函數族、配置采集終端參數函數族和讀取采集終端傳感數據函數族等四類函數。

圖6 橋梁監測綜合主機軟件架構

4 系統實現與測試

采用通用的工業控制計算機作為橋梁監測綜合主機的硬件平臺，其通過以太網與橋梁狀態參數采集終端的通信母板進行連接，采集終端信號接口適配子板的其中兩個通道分別連接振動傳感器和應變傳感器。搭建的測試系統實物如圖7所示。

圖7 實現的測試系統實物

基于LabVIEW編程環境開發的橋梁健康狀態參數采集測試軟件作為應用層軟件運行在橋梁監測綜合主機上。中間層軟件通過C/C++語言編程實現，橋梁健康狀態參數采集測試軟件利用LabVIEW開發環境嵌入的C/C++語言接口調用中間層軟件提供的標準接口函數，實現橋梁狀態參數如振動和應變等數據的獲取，測試軟件運行界面如圖8所示。

圖8 橋梁健康狀態參數采集測試軟件界面

5 結 論

本文對傳感器接口標準GB/T30269.701和GB/T30269.702的內容進行了解析，在提出的“分布—集中”式橋梁監測系統架構基礎上，對橋梁健康狀態監測系統進行傳感器接口標準化設計，實現了符合傳感器接口標準的橋梁狀態參數采集終端和橋梁監測綜合主機。所搭建的測試系統工作穩定，性能良好，具有較好可擴展性和可維護性。