基于振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

張吉圭 陳敏 王義 馬劍鈞 唐春婷

摘 要：振弦式傳感器是橋梁應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的傳感器。針對振弦式傳感器的結(jié)構(gòu)特點，本文將FPGA和ARM作為核心處理器來構(gòu)建橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。其主要包括四個部分，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)。其間利用FPGA型號為EP4CE10E22C8N的處理器，構(gòu)建激振信號模塊、掃頻信號模塊、測頻信號模塊和頂層模塊，對傳感器的頻率信號進行測量，測量準(zhǔn)確率達99%。同時，利用ARM處理器型號為STM32F407的CPU和中國移動的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制及人機交互等操作。試驗表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性高，抗干擾能力強，可供工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：橋梁應(yīng)力;FPGA;ARM;OneNet;振弦式傳感器

中圖分類號：TP277文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0122-03

Abstract： Vibrating wire sensor is the most widely used sensor in bridge stress monitoring system. Aiming at the structural characteristics of the vibrating wire sensor， this paper used FPGA and ARM as the core processor to build a bridge stress structure monitoring system， which mainly included four parts， namely data acquisition subsystem， FPGA data processing system， data transmission system and data management and application system. In the meantime， the FPGA model EP4CE10E22C8N was used to construct the excitation signal module， the frequency sweep signal module， the frequency measurement signal module and the top-level module to measure the frequency signal of the sensor with a measurement accuracy rate of 99%. At the same time， the ARM processor model STM32F407 CPU and China Mobile's OneNet Internet of Things platform were used to realize data transmission， system control and human-computer interaction. The test shows that the system has high stability and reliability and strong anti-interference ability， which can be used as a reference for engineering and technical personnel.

Keywords： bridge stress;FPGA;ARM;OneNet;vibrating wire sensor

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國橋梁建設(shè)取得舉世矚目的成就。但受外界環(huán)境因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免會出現(xiàn)損傷和破壞，橋梁建筑健康問題備受社會各界關(guān)注。橋梁建筑災(zāi)害不僅對環(huán)境、資源及財產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失，還威脅人們的生命財產(chǎn)安全[1-3]。本文結(jié)合國內(nèi)外橋梁技術(shù)的發(fā)展和電子監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，搭建橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以期實現(xiàn)橋梁健康狀況的監(jiān)測，為橋梁結(jié)構(gòu)的維護防治工作提供依據(jù)。下面進行橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成分析。

為實現(xiàn)橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化，加強橋梁健康狀況監(jiān)測，本研究設(shè)計了基于振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，其框架如圖1所示。本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用及傳輸子系統(tǒng)組成[4-6]。

1 振弦式傳感器

振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號，而且剛弦頻率隨鋼絲應(yīng)力變化而變化，人們可以利用這一原理來測量橋梁應(yīng)力變化。振弦式傳感器輸出的是頻率信號，頻率信號是能獲得很高測量精度的信號，適合于遠距離傳輸，它的精度不會降低。從結(jié)構(gòu)來看，振弦式傳感器沒有活動元件，抗干擾能力強，適用于橋梁應(yīng)力系統(tǒng)的監(jiān)測。總的來說，振弦傳感器有如下特點：輸出信號穩(wěn)定性高，長期工作可靠性高，適合長距離傳輸，適宜在惡劣環(huán)境下工作[7-8]。

1.1 振弦式傳感器工作特性

振子在振動時具有一定阻尼，需要消耗能量，因而在工作時需要外部激勵，其工作原理框圖如圖2所示。激振信號激發(fā)振子振動，而拾振元件檢測產(chǎn)生的頻率信號通過放大電路輸送到激振信號。振弦式傳感器內(nèi)部的振弦受力不同，其產(chǎn)生的頻率發(fā)生變化。當(dāng)人們通過一組不同頻率值去激勵振弦振動，產(chǎn)生共振，依據(jù)得出的頻率值，就能計算出傳感器的受力情況。

1.2 振弦傳感器的溫度特性

振弦式傳感器是以金屬弦的張力變化為基礎(chǔ)而工作的，而溫度直接影響弦的張力變化。為了消除溫度對振弦式傳感器的影響，人們可以采用硬件補償法和軟件補償法。與硬件補償法相比，軟件補償法效果更好，精度更高。軟件補償法綜合利用數(shù)字溫度傳感器和微處理器，充分使用軟件的功能——溫度補償算法，如二維回歸法、多項式擬合法，實現(xiàn)傳感器溫度誤差的修正。而硬件補償法是在檢測電路中設(shè)計一個電橋電路，產(chǎn)生一個與溫度漂移值大小相等、符號相反的信號，相互抵消來實現(xiàn)溫度的補償。

2 FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

振弦式傳感器用于采集弦振動的頻率，必須先激振。激振方法有兩種：一是給傳感器一個瞬時的高電壓、大電流信號，需要設(shè)計升壓電路;二是共振法，文中利用FPGA處理器給傳感器一個激振的方波信號，當(dāng)方波信號頻率跟傳感器振子振動的頻率接近時，產(chǎn)生共振。激振之后，撤去激振信號，傳感器會產(chǎn)生一個頻率信號，系統(tǒng)根據(jù)這個信號就能夠計算出振弦式傳感器的頻率，進而計算出橋梁的應(yīng)力。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA，型號為EP4CE10E22C8N可編程邏輯控制器，采用共振的方法來實現(xiàn)多路振弦傳感器頻率的測量，因此在軟件上構(gòu)建激振信號模塊、掃頻信號模塊、測頻信號模塊、頂層模塊四個狀態(tài)機來測量振弦傳感器的頻率，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，激振信號模塊主要用于控制激振時序，給測頻模塊和掃頻模塊發(fā)出控制指令。掃頻模塊以一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和掃頻增量為基礎(chǔ)不斷發(fā)出不同頻率的掃頻信號，掃頻增量由ARM處理器、型號為STM32F407的處理器配置調(diào)節(jié)。測頻模塊用于接收激振模塊、掃頻模塊的控制信號來測量弦振傳感器的頻率數(shù)據(jù)。

圖3設(shè)計了16路的傳感器及掃頻信號，掃頻信號通過達林頓管驅(qū)動為高頻高壓的激振脈沖信號，去激振振子，使振弦振動，產(chǎn)生測量的頻率信號，由于振弦式傳感器產(chǎn)生的信號微弱，人們需要對信號進行放大，因此利用濾波、放大、整形輸出來實現(xiàn)信號的處理。圖3中，測頻模塊測量出傳感器的頻率信號后，會將其發(fā)送給FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的頂層模塊，該模塊就負責(zé)和ARM處理器搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，對橋梁應(yīng)力的數(shù)據(jù)進行上傳。

3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由ST公司的ARM處理器、型號為STM32F407的CPU來實現(xiàn)通信功能，該傳輸系統(tǒng)一端通過串口連接FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，一端通過4G模塊連接移動的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺。

OneNet中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放的平臺，支持主流的設(shè)備接入?yún)f(xié)議，可以使設(shè)備快速接入OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，其圍繞“云管邊端”的布局，提供了專網(wǎng)專號、海量連接、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、消息并發(fā)、能力輸出、事件警告、數(shù)據(jù)分析八大功能，為設(shè)備的接入提供了便捷可靠的連接，為數(shù)據(jù)的存儲及分析提供了安全有效的保障。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接了OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，使得數(shù)據(jù)傳送更為可靠、安全。進而實現(xiàn)橋梁應(yīng)力數(shù)據(jù)、云服務(wù)器、人和物的互聯(lián)互通。人們使用APP或小程序能夠直接查看當(dāng)前橋梁的應(yīng)力數(shù)據(jù)及健康情況，同時可以通過人機界面發(fā)出控制指令給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)功能。

4 數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)由云服務(wù)器、Web端、小程序及APP應(yīng)用程序來實現(xiàn)。云服務(wù)器連接了OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺、APP、Web端及小程序，OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺把感知層采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給云數(shù)據(jù)服務(wù)器進行存儲，而APP、Web端及小程序作為應(yīng)用端，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和人機互聯(lián)的功能。云服務(wù)器對感知層采集的橋梁數(shù)據(jù)進行管理存儲，而Web端及APP可以對該橋梁的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化進行動態(tài)監(jiān)測、分析及預(yù)警。如果遇橋梁的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力發(fā)生較大變化，就會實時轉(zhuǎn)發(fā)對橋梁結(jié)構(gòu)性造成影響的報警數(shù)據(jù)，避免橋梁因應(yīng)力變化而垮塌，從而消除因橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患給社會帶來的影響。可見，應(yīng)力數(shù)據(jù)是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一項重要數(shù)據(jù)，可以為橋梁分析和維護提供可靠的依據(jù)，便于排除橋梁應(yīng)力隱患，保證橋梁的安全性和可靠性，消除橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成的垮塌給社會帶來的影響。

5 結(jié)語

本文采用兩種高性能處理器，即Altera公司的EP4CE10E22C8N和ST公司的STM32F407，兩個CPU協(xié)同工作，減輕了CPU的工作負擔(dān)，解決了系統(tǒng)多路傳感器數(shù)據(jù)傳輸、測量及分析方面的難題，保障數(shù)據(jù)傳輸和存儲的有效性和實時性，提高系統(tǒng)可靠性及響應(yīng)速度。數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)采用中國移動的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺對數(shù)據(jù)進行存儲及應(yīng)用管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享、實時開放、人物互聯(lián)和物物互聯(lián)，為橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況及后期維護提供有效的數(shù)據(jù)保障。該橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中仍需要改進，以FPGA處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心，利用ARM處理器進行數(shù)據(jù)傳輸、顯示、存儲，兩個CPU之間的通信協(xié)議和通信接口需要規(guī)范。下一步主要研究兩個處理器之間的CAN通信，提高系統(tǒng)傳輸?shù)乃俾屎途取?/p>

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