基于LoRa+云服務的橋梁健康監測系統研究

鄭朋飛，楊 康，韓家山，陳新培，何平根

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

橋梁健康監測技術起步于20世紀80年代,最初主要用于測量橋梁應變、位移和溫度數據,后增加風力和結構動力等監測內容,隨著互聯網技術的發展,監測系統逐步向實時監測、同步分析和數據網絡共享等方向發展[1]。橋梁建設的高速發展使我國在橋梁設計理論、建造技術及建橋裝備等方面已經達到國際領先水平[2],但隨著橋梁服役年限的增長,服役環境的惡化,橋梁的安全與健康保障問題日益凸顯[3],傳統的管養模式呈現人工化、碎片化、低共享性以及評估標準不統一的特征,難以滿足現代橋梁建設與管養發展需求。因此,開展橋梁結構運營期間狀態的健康監測和檢測,有助于制定科學的評估養護決策,其已成為當今世界范圍內的研究熱點[4-8],橋梁建設與運營期間的健康監測實現智能化監測、智能化管理和智能化決策對促進經濟發展和保障生命安全具有雙重意義。

近年來,橋梁結構安全與健康保障問題越來越受到人們的關注,橋梁結構健康監測系統已經成為保障橋梁安全運營的重要手段之一,但同時也面臨著很多亟待解決的問題,如橋梁健康監測系統存在海量多源異構數據采集困難、數據傳輸滯后、通訊距離有限、設備功耗高以及數據存儲與數據共享等問題。針對上述描述的問題,本文設計了一種基于LoRa+云服務的橋梁健康監測系統,該系統基于物聯網三層架構的基礎,充分利用LoRa技術的功耗低、自組網快捷和通訊距離遠等特點將數據采集終端和數據采集網關連接,實現橋梁結構從整體到局部的實時監測,然后通過遠程無線通訊技術將監測數據上傳到橋梁健康監測云平臺,利用云服務器強大的數據存儲和計算能力,建立完善的橋梁集群健康監測數據平臺。該系統打破了傳統監測模式下“信息孤島”的現象,具備低功耗性、擴展能力強、系統組網便捷、運行成本低等優勢,可以滿足橋梁實時數據的遠程采集,實現數據資源的深度共享。

1 基于Lora+云服務的橋梁健康監測系統

1.1 系統總體架構設計

本文結合LoRa、云服務和移動通訊等技術提出的橋梁健康監測系統采用物聯網的三層架構,主要由橋梁數據感知層、橋梁健康監測云服務層和應用層三部分組成,其系統框架結構如圖1所示。該系統可以為橋梁相關企業和用戶在橋梁運營狀態數據的采集與集成、數據存儲、狀態評估、管理等方面提供一套完整的解決方案,確保橋梁安全運營,延長橋梁使用壽命。

1.2 監測系統功能

1)實時數據采集。系統采用LoRa數據采集終端采集各節點傳感器實時數據,降低系統復雜程度,同時實現數據遠程實時無線傳輸。

2)多源異構數據集成。數據的多源異構性和應用服務的多樣化對數據的集成提出了更高的要求。采集設備采用的標準不一致將導致采集的數據呈現多源異構的特性,因此在系統內搭建一個數據轉換層,將多源異構的數據轉換為統一的數據格式,方便數據的調用。

3)基于Web的云服務發布。用戶可以根據自己的需要通過對應的協議或者可編程的Web組件請求自己需要的服務。

2 監測系統硬件設計

本監測系統硬件主要由LoRa數據采集終端和LoRa數據采集網關組成。LoRa數據采集終端一方面負責現場節點傳感器數據的采集與控制;另一方面接收并執行網關下發的控制命令。LoRa數據采集網關是整個監測系統硬件的核心,控制系統內各數據采集終端,同時對上傳的數據進行多源異構集成,最后將同構化的數據打包發送給云平臺的數據存儲服務器,為云平臺進行橋梁健康狀態分析與評估提供數據基礎。

2.1 LoRa采集節點布置方式

LoRa的全稱為“Long Range Radio”,是一種低功耗廣域網(LPWAN)無線標準,主要采用窄帶擴頻技術,實現了低功耗和遠距離通訊的統一,抗干擾能力強[9]。本監測系統中數據采集終端節點和數據采集網關節點之間采用星型網絡拓撲結構相連接,系統由數據采集網關作為數據傳輸中央節點,與各數據采集終端節點之間進行數據傳輸和指令交互,各數據采集節點直接與數據采集網關節點進行遠程通信,有效降低系統復雜度并降低網絡傳輸延遲,提高了網絡容量,其系統采集節點拓撲結構如圖2所示。

2.2 LoRa數據采集終端

LoRa數據采集終端負責采集各節點傳感器數據,同時還需要通過LoRa的組網網絡與網關節點完成傳輸數據和命令交互,其關系到整個橋梁健康監測系統數據采集的實時性和穩定性。本文設計了8路的模擬量輸入和8路的數字量輸入的LoRa數據采集終端,其主要包括以下模塊:LoRa終端節點模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、電源模塊等模塊,其結構如圖3所示。

2.3 LoRa數據采集網關

LoRa數據采集網關在硬件設計時需考慮橋梁特殊的工作環境,必須保證數據采集網關的穩定運行。在硬件系統上考慮搭建Broadcom最小系統,在嵌入式操作系統的基礎上擴展各功能模塊,主要由控制器模塊、電源模塊、LoRa主站通信模塊、RS485串口通信模塊、本地數據存儲模塊、移動通訊模塊等組成,其數據采集網關硬件系統的結構框架如圖4所示。其中LoRa主站通信模塊和RS485串口通信模塊負責結束數據采集終端采集的數據;電源模塊主要由電源開關和電流穩定器組成,以保證數據采集網關電流的整體穩定;移動通訊模塊主要是實現網關與云服務器之間的遠程通訊,實現數據的遠程傳輸功能;控制器模塊是整個數據采集網關的核心,選用Linux操作系統的Raspberry作為核心部件,其內置高性能的CPU可以滿足數據采集網關控制的需求;此外,該網關還設置了本地存儲模塊,可以根據設計需求采用不同規格的TF存儲卡來滿足數據采集網關操作系統本地數據存儲的要求。

數據采集網關作為數據采集終端與云服務器之間的“橋梁紐帶”,在功能上需要滿足對復雜通訊協議和控制算法的運行需求,且能滿足多源異構設備及系統之間的數據采集與集成,最終可以實現數據采集與遠程傳輸,達到數據共享的目的。

3 監測系統軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

數據采集終端在負責各節點傳感器數據采集的同時還需要完成傳輸數據和命令交互,當數據采集終端接收到數據采集網關節點下發的命令后,首先針對指令的CRC進行校驗,在無誤的條件下根據指令中的幀命令的操作要求執行對應的操作指令,即針對對應節點進行數據采集并將采集的數據傳輸到對應的網關節點,終端節點設備軟件工作流程如圖5所示。

3.2 數據采集網關軟件設計

數據采集網關負責將現場相關設備的信息進行采集與集成,經過網關集成層的語義、語法集成后,解決了不同設備之間數據傳輸協議不相同和數據多源異構的問題,在完成數據的同構化處理后將數據打包發送至數據存儲節點,數據存儲節點通過移動無線通訊網絡將監測數據傳輸至云服務器,完成感知層的數據采集與集成,其軟件工作流程如圖6所示。

3.3 健康監測云平臺設計

橋梁健康監測數據云平臺利用云服務強大的數據存儲和計算能力,為橋梁健康監測提供海量存儲、超級計算、動態擴展等優秀服務。橋梁健康監測數據云平臺用于存儲、處理、分析、展示和查詢橋梁監測數據,可以根據應用層的需求動態調用相關數據和模型進行數據集成和分析,然后進行橋梁健康狀態的評估,最后通過Web服務提供統一的應用數據訪問接口,用戶通過計算機或者移動智能設備訪問監測數據云平臺,實現橋梁健康狀態數據的實時共享,打破傳統監測模式下“信息孤島”的現象。

健康監測云平臺系統采用JAVA,JavaScript,HTML和CSS等技術開發,云服務器采用阿里云服務器,云平臺兼容目前各大主流瀏覽器,其功能模塊如圖7所示。健康監測云平臺主要由項目管理、配置管理、數據分析、狀態評估和系統管理五大功能模塊組成,共同實現橋梁健康監測數據的實時共享、數據存儲、數據分析及數據展示等功能。系統用戶可以通過Web網頁或者移動端APP遠程登錄健康監測云平臺,直觀地查看到不同橋梁健康監測項目的實時數據。

3.4 網關轉發和斷點續傳

為滿足橋梁健康監測系統實時監測的功能,數據采集網關接收到數據采集終端的數據后,利用移動通信技術與云平臺數據服務器之間進行數據遠程傳輸。當數據采集網關與數據服務器之間建立通信后并保持常連接狀態,然后健康監測云平臺對數據采集網關進行身份認證,當驗證通過后數據采集網關傳輸加密的數據包[10],其網關通信流程如圖8所示。

面對橋梁復雜的工作環境,在數據采集網關傳輸的過程中若出現系統斷電或者通訊信號不佳等情況導致數據傳輸失敗的情況,系統采用斷點續傳的通訊方式,即監測系統利用本地存儲模塊,當供電恢復或信號恢復后,將本地存儲的數據按照時間戳進行打包加密,再遠程傳輸到云平臺的數據服務器,保證數據可追溯及完整性。

4 系統實現于驗證

基于LoRa+云服務的橋梁健康監測系統設計完成后,為驗證系統的可行性在實橋上開展監測系統的相關應用測試。本文選取位移傳感器、溫濕度傳感器、裂縫傳感器以及測力傳感器等作為感知層的數據采集節點,LoRa終端節點模塊通過LoRa的組網網絡與網關節點完成傳輸數據和命令交互。系統設置定時上傳采集數據,網關設置為實時監聽模式,實時監測各數據采集節點數據的變化情況,一旦監測到上傳數據,立即啟動通訊接口,接收實時監測數據。通過測試,結果表明監測的穩定性和實時性可以滿足需求,運行效果良好,其監測系統橋梁梁體裂縫傳感器安裝示意和云平臺應用端如圖9,圖10所示。

5 結論

隨著物聯網技術與橋梁工程的不斷結合,對橋梁健康監測的智能化提出了越來越高的需求,構建一個共享型、開放式以及多元化的健康監測平臺已成為一種必然的趨勢。因此,本文基于LoRa+云服務技術設計了橋梁健康監測系統,研制了健康監測系統的硬件采集終端設備,開發了橋梁健康監測系統的云平臺,并進行系統的搭建與驗證,得出的結論如下:

1)本系統采用物聯網的三層架構,由橋梁數據感知層、橋梁健康監測云服務層和應用層組成,系統具備拓展性強、數據傳穩定且延時小、部署方便等特點,可以實現對橋梁結構進行多維度的信息監測。

2)本系統利用LoRa星型自組網技術搭建了具備遠程無線傳輸的橋梁數據采集系統,實現了橋梁監測數據的分布式采集與集成,其具備組網便捷、功耗低以及擴展性強等特點,符合橋梁結構健康監測的應用場景。

3)本文開發的橋梁健康監測云平臺可以隨時隨地查閱各時段的監測數據,為專家進行橋梁健康狀態的分析提供數據支撐,同時用戶可以使用計算機或移動端APP訪問云平臺,獲取橋梁結構的健康狀態。若系統數據超出設定的閾值,云平臺觸發報警設置,并向相關用戶發送報警信息,保證橋梁的安全運營。