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

吳立鑫 孫玉國(guó)

摘 ?要： 拉索是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，索力對(duì)橋梁健康的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，還利用Lora無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套低功耗、低碰撞的星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了振動(dòng)頻率法測(cè)量索力原理，給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了索力監(jiān)測(cè)測(cè)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(cè)系統(tǒng)功能完善、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，為橋梁遠(yuǎn)程、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(dòng)頻率法;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274+.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.047

本文著錄格式：吳立鑫，孫玉國(guó). 基于Lora的橋梁拉索索力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(gè)體系的內(nèi)力分布及線形，任何一根拉索索力的變化都會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[1]。大地脈動(dòng)、風(fēng)雨等環(huán)境激勵(lì)引起的拉索振動(dòng)，以及在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)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(lái)災(zāi)難性后果。因此，無(wú)論在施工期還是運(yùn)營(yíng)期，對(duì)拉索索力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有保障安全的重要意義。

當(dāng)前有三種測(cè)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(dòng)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(duì)裝置安裝有著較高的要求;振動(dòng)頻率法是一種間接測(cè)量法，可在不影響拉索狀態(tài)的條件下測(cè)量索力。

傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)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(wú)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(wèn)題愈加突出。

為此，本文提出基于Lora無(wú)線通信技術(shù)的索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用振動(dòng)頻率法計(jì)算索力，以Lora無(wú)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(shí)監(jiān)測(cè)。

1 ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試原理分析

振動(dòng)頻率法通過(guò)采集拉索在人工激勵(lì)或者環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，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(cè)量過(guò)程中，會(huì)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(duì)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(dòng)的基頻。

2 ?基于Lora的索力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)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(gè)拉索之上，負(fù)責(zé)采集拉索振動(dòng)信息;網(wǎng)關(guān)與采集終端通過(guò)Lora技術(shù)星型組網(wǎng)，按照設(shè)定的時(shí)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(jì)算、存儲(chǔ)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(shí)，系統(tǒng)可在線作出預(yù)警。監(jiān)測(cè)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(jì)

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(dòng)信息，主要包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和無(wú)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(jì)

拉索振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)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(jì)，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(hào)時(shí)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(guò)程。

一般橋梁整體溫度變化基本不會(huì)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(duì)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(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)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(shí)別拉索振動(dòng)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(chǔ)和計(jì)算能力，將拉索參數(shù)設(shè)置及索力計(jì)算處理置于云服務(wù)器中進(jìn)行。

定時(shí)器中斷頻率和DMA大小分別決定采樣頻率和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度;CPU對(duì)一個(gè)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(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的Wifi和Zigbee無(wú)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(wú)線通信技術(shù)。Lora是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信[9]。

Lora節(jié)點(diǎn)基于西門(mén)子SX1278芯片研制，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，降低了無(wú)線應(yīng)用的門(mén)檻。Lora節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自網(wǎng)關(guān)的信號(hào)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有網(wǎng)型拓?fù)洹⒖偩€拓?fù)洹⑿切屯負(fù)涞龋切屯負(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(shì)被廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)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(gè)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(shí)分多址（TDMA）算法為網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配上報(bào)時(shí)序。采用TDMA的方式進(jìn)行通信，可減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)冗余的控制信息，且節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，避免能量損耗。

2.4 ?服務(wù)器端設(shè)計(jì)

本文基于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，通過(guò)部署云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)橋梁索力的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)中采用阿里云作為監(jiān)測(cè)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(guò)TCP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換;通信建立成功后，實(shí)時(shí)接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)包解析及索力計(jì)算后，與底層數(shù)據(jù)庫(kù)和前端監(jiān)測(cè)頁(yè)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(cè)裝置模型，如圖8所示，模擬真實(shí)環(huán)境中的索力監(jiān)測(cè)。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(jì)采用兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(zhǎng)度為0.712 m，單位質(zhì)量為0.225 kg/m，2#索的直徑為8 mm，長(zhǎng)度為0.973 m，單位質(zhì)量為0.410 kg/m，分別對(duì)兩根拉索進(jìn)行了激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)置節(jié)點(diǎn)上報(bào)時(shí)序?yàn)楣?jié)點(diǎn)1在節(jié)點(diǎn)2之前，節(jié)點(diǎn)時(shí)隙為1 s。

3.1 ?頻譜分析

拉索振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析采用ST官方的DSP庫(kù)，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(duì)應(yīng)的頻率值即為拉索振動(dòng)的主頻。

3.2 ?監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)界面基于主流Web框架開(kāi)發(fā)完成，用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉索振動(dòng)時(shí)各有效參數(shù)，包括振動(dòng)基頻、索力值、溫度值，同時(shí)記錄了拉索編號(hào)、組網(wǎng)狀態(tài)以及長(zhǎng)度等信息，如圖11所示。

據(jù)監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)系統(tǒng)很好地完成了針對(duì)拉索索力的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，各模塊功能完備且數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。

4 ?結(jié)論

本文論述了使用振動(dòng)頻率法測(cè)量橋梁拉索索力的原理，介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，并通過(guò)在系統(tǒng)中嵌入頻譜分析算法識(shí)別基頻，完成了對(duì)索力的監(jiān)測(cè)。模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地完成了對(duì)橋梁模型拉索索力的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，且具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。總之，本系統(tǒng)為橋梁遠(yuǎn)程、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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。

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