基于樹莓派的橋梁安全監測系統設計

劉欣雨，肖廣兵

（210037 江蘇省 南京市 南京林業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

橋梁作為交通道路的重要節點之一，在交通運輸中發揮著重要作用。但由于橋梁長期遭受自然環境（如橫風、酸雨等）和人為因素的影響，易造成其結構破損、退化等后果[1-2]，加之缺乏科學的防護措施，橋梁的安全性和穩定性問題日益凸出，若不能及時洞察和處理存在的橋梁安全隱患，易影響行車安全，甚至引發嚴重的交通事故，因此，加強對橋梁的實時監測和維護工作具有重要意義[3-4]。傳統的橋梁監測通常為有線監測和人工巡查，其中，有線監測的方法成本昂貴，維護工作難以實施[5]，而人工巡查的方法時效性差，無法實現對橋梁信息的實時監測[6]。上述方法雖在一定程度上獲取了橋梁信息，提高了道路行駛安全性，但仍無法滿足未來交通對信息獲取時效性、可靠性的要求。

針對傳統的橋梁監測方法缺乏時效性和可靠性的弊端，陸驍旻[7]提出利用FBG 傳感器作為橋梁健康傳感設備中的主要光纖材料，雖實現了對傳感信號長度的自動調節，也不會受到光源起伏的影響，但這種局部分布式傳感器不能有效覆蓋橋梁等龐大的基礎設施，應用效果不佳。

本文設計了基于樹莓派的橋梁安全監測系統，其通過外部設備采集監測橋梁區域的橫風大小、鋼索腐蝕程度以及車流量等參數信息，經過數據處理，利用無線傳感網絡[8-9]完成數據的傳遞，達到對橋梁參數信息的實時監測，提高了橋梁路段行車的安全性，實現了橋梁開放狀態的合理掌控。

1 系統設計

橋梁安全監測系統由樹莓派主處理器模塊、橋梁橫風監測模塊、鋼索銹蝕監測模塊、車流量監測模塊、無線通信模塊以及上位機管理系統等組成。

系統結構如圖1 所示，主要實現對橋梁路段橫風大小、鋼索銹蝕程度以及道路車流量進行實時監測，樹莓派處理實時數據信息，把監測信息傳送至PC 終端，一旦評估出監測數據超出安全標準，便發出警報并將相關指令發送到管理部門，管理人員可根據監測數據決定橋梁開放狀態，制定科學的橋梁維護方案。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2 硬件電路設計

橋梁安全監測系統硬件結構主要包括：電源模塊、樹莓派主處理器模塊、橋梁橫風監測模塊、鋼索銹蝕監測模塊、車流量監測模塊、無線通信模塊以及上位機管理系統。系統結構如圖2 所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of the system

1.1 電源模塊

橋梁安全監測系統中，樹莓派主控模塊采用1.8～3.3 V 的直流電，車流量監測模塊正常工作電壓為5 V 的直流電，無線通信模塊則需采用2.0～3.6 V 的直流電，因此，電源電路需要將電池輸出的12 V 電壓分別降至5 V 和3.3 V，以保證各個模塊的正常運行。電源電路如圖3 所示。其中，LM2596 芯片實現對12 V 轉5 V 的直流降壓，其采用150 kHz 的內部振蕩頻率，擁有低功耗待機模式，具有外圍電路簡單，轉化效率可達80%～90%等優點，是一款較高效的集成穩壓芯片[10]。電路經過AMS1117-3.3 型號穩壓器，保證輸出電壓為3.3 V 穩壓，為硬件設備供電。該模塊電路簡潔安全，輸出電壓電流穩定，符合系統正常工作的需要。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

1.2 主處理器模塊

本系統以樹莓派為核心處理器，實現對橋梁安全信息的采集、預處理以及其他相關控制，達到橋梁安全實時監測的目的。

樹莓派作為一款基于ARM 的微型電腦處理器，具有體積小、功能全面等特點，其能夠控制與單片機相同的IO 引腳，擁有比其它單片機更高的處理能力[11]。如圖4 所示，處理器以PAM2306AYPKE 芯片為核心，并作為模塊的DC-DC 開關穩壓芯片，有效保證電壓穩定輸出。橫風監測模塊、鋼索銹蝕監測模塊以及車流量監測模塊通過無線傳感網絡，實現橋梁安全信息的傳遞，最終經過處理器的分析、預處理與控制，為評估橋梁安全度提供可靠的實時數據。

圖4 樹莓派電路Fig.4 Raspberry Pie circuit

1.3 無線通信模塊

系統采用嵌入式無線通信模塊，該模塊集成ZigBee 協議，具有功耗低、穩定性好、抗干擾性強、靈敏度高等特點，適合于使用人員對系統低功耗、低開銷的要求[12]。該模塊以nRF24L401 單片無線收發芯片作為主工作核心，其工作電壓為3.3 V，最高通信速率為20 kb/s，可以直接與樹莓派相接，控制簡單方便，并且無需對數據進行編碼，易實現各個監測模塊、上機位管理系統之間的無線通信。nRF24L401 具體電路結構如圖5 所示。

圖5 無線通信模塊電路Fig.5 Wireless communication module circuit

1.4 橋梁橫風監測模塊

系統橫風監測模塊采用PH100SX 三杯式風速傳感器，其風速風向測量范圍為 0～60 m/s 和0～360°，啟動風速小于0.5 m/s[13]。在風力作用下，風杯繞軸旋轉，轉速將正比于風速，并以電觸點形式輸出。PH100SX 三杯式風速傳感器具有測量精度高、量程范圍寬、穩定性好、功耗低、電路壽命長、能長期穩定工作等優點，廣泛用于氣象、交通等領域。具體的電路結構如圖6 所示。

圖6 橫風監測模塊電路Fig.6 Circuit of crosswind monitoring module

1.5 鋼索銹蝕監測模塊

橋梁鋼索銹蝕監測模塊采用CST700 鋼筋銹蝕測試儀，其集成電路由CMOS 和BiFET?組成，正常工作電壓可選用220 V 交流電壓或4 節AA電池。具體電路原理如圖7 所示。

圖7 CST700 電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of CST700 circuit

測試儀操作簡易，從測量區域表面即可獲得鋼索腐蝕速率，廣泛應用于大壩、橋梁中的的鋼筋銹蝕監測及阻銹劑評價，是一款性能穩定、功耗低、易操作和控制的監測儀器。此外，儀器內置的RS232 接口可以將歷史測量數據上傳到PC機，有利于管理人員對測量數據的整體把握。

1.6 車流量監測模塊

車流量監測模塊以智能攝像頭為設備基礎，通過監控跟蹤，定位分析[14]，從而把握橋梁路段車輛通行以及道路車流量狀況。智能攝像頭還可以為管理人員調取實時視頻畫面，傳遞監測區域的交通道路情況。

其中，攝像頭以OV7620 圖像采集集成芯片作為核心，分辨率可達640×480，傳輸速率可達到30 幀，內置A/D 轉換器，正常工作電壓采用5 V 直流電，具有自動增益和自動平衡控制功能，能夠滿足本系統對車流量的監測要求。OV7620具體電路結構如圖8 所示。

圖8 OV7620 電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of OV7620 circuit

2 系統軟件設計

系統軟件在Visual Basic6.0 環境中編譯和控制，其各個模塊的界面設計由Visual Basic6.0 中的各種控件構成。

如圖9 所示，系統操作主界面由橋段橫風實時監測，橋梁鋼索銹蝕監測，車輛信息實時監測，天氣，個性化設置，以及退出登錄按鈕組成。

圖9 軟件主界面Fig.9 Main interface of the software

其對應的功能依次為：橋梁橫風監測；鋼索銹蝕程度監測；交通載荷動態監測；查看實時天氣；軟件界面個性化設置；最后是退出系統。

圖10 是橋段橫風實時監測界面。主要實現對風力、風向以及平均風速等參數的實時監測，管理員可以通過數據終端獲取實時的橫風參數信息，當風力超出安全范圍時，點擊發送警報按鈕可及時向監測區域的管理部門傳遞預警信息，為調整橋梁開放時間以及采取防護措施提供充足的準備時間。

圖10 橫風實時監測界面Fig.10 Crosswind real-time monitoring interface

此外，管理人員還可以通過點擊橋段橫風實時監測界面的設備管理按鈕實現對監測儀器的整體掌握，具體界面如圖11 所示。該界面主要包括信號強弱、設備連接情況、運行狀態以及巡檢報告等數據信息。當設備出現故障時，管理人員還可以通過點擊上報維修按鈕，將設備故障信息和故障時間發送給數據終端，實現對故障設備的及時維修。

圖11 設備管理界面Fig.11 Device management interface

圖12 為橋梁鋼索銹蝕監測界面。該界面從橋梁結構銹蝕位置、結構材料、銹蝕原因、銹蝕速率等因素綜合考量橋梁鋼索銹蝕情況，并結合橋梁結構特點評估出銹蝕結構是否滿足正常安全要求，有利于管理人員及時了解各個監測橋梁鋼索銹蝕程度，分析鋼索銹蝕原因，并可以通過警報按鈕及時發送警報信息。

圖12 鋼索銹蝕監測界面Fig.12 Cable corrosion monitoring interface

圖13 為車輛信息監測界面。該界面記錄了車流量以及駛入的車型信息，并以圖14 中的柱狀圖形式呈現出來。同時，該界面還具備自動警告功能，當監測的車流量到達閾值后，后臺就會向管理員自動發出報警信息，及時調整該橋梁的開放狀態。

圖13 車輛信息監測界面Fig.13 Vehicle information monitoring interface

圖14 車流量監測界面Fig.14 Vehicle flow monitoring interface

實時監控按鈕則提供管理人員對道路情況的直接掌控。如圖15 所示，該界面能有效記錄駛入橋梁的每個車輛，并將監測到的大量數據如車型等匯集成圖表的形式，為管理人員提供了真實的歷史數據，以便道路安全的評定。同時，此監控具有回放功能，方便管理人員對交通事故的評測，了解不同橋梁安全情況，為不同橋段制定獨特的方案。

圖15 監控界面Fig.15 Monitoring interface

軟件的核心功能在于對橋梁橫風大小、鋼索銹蝕程度以及車輛信息的監測，通過三杯式風速傳感器、鋼索銹蝕儀等設備的動態監測以及主處理器的數據處理，管理人員可以在數據終端接收監測信息，提出科學的決策方案。系統具體軟件流程如圖16 所示。

圖16 系統軟件流程圖Fig.16 Software flow chart of the system

此外，軟件還兼具查詢天氣、個性化設置等輔助功能，如圖17 所示。

圖17 天氣查詢界面Fig.17 Weather query interface

在天氣界面設計了預警、降水強度查詢、歷史天氣查詢以及未來天氣預測等按鈕，點擊降水強度按鈕后，便可以了解監測區域的降水強度，管理人員可以根據雨量、降水強度等環境因素生成輿情簡報，輿情簡報將詳細簡述各個監測區域的水位情況，并分出輿情嚴重和輕緩不同程度，以評估出不同監測區域的情況。

3 結論

本文中基于樹莓派的橋梁安全監測系統，通過外部設備采集監測橋梁區域的橫風大小、鋼索腐蝕程度以及車流量等參數信息，經過無線通信將實時信息傳遞到客戶端，使管理人員及時掌控橋梁實時監測信息，提高了橋梁路段車輛行車的安全性，實現對橋梁開放狀態的合理掌控。