一种无线桥梁健康监控系统的设计

张晶瑜　唐子波

摘 要 近年来，桥梁工程建设过程中事故频发，存在隐患，本文拟通过应变放大的方法，设计一种远程的桥梁健康状况检测系统。设计的系统能够实现桥梁状态数据的定时采集和无线上传等功能，从而达到桥梁远程监控的目的。

关键词 桥梁 健康数据 远程

中图分类号：TP393文献标识码：A

近年来，我国交通设施建设飞速发展，桥梁在交通设施中占有很大的比重。桥梁在长时间的使用过程中，由于多种多样的自然侵蚀、人为等因素，必然导致出现各种损伤，严重时可坍塌引发严重事故，因此对桥梁的结构进行监测就显得非常必要。桥梁的结构监测为桥梁的养护和管理提供基础的数据依据。

本文设计的无线桥梁监测系统使用无线模块实现桥梁的远程动态监测，从而实现桥梁健康数据的实时反馈功能。

1系统设计方案

本文设计的桥梁健康监控系统能够实现桥梁监测数据上传功能，用户可以对该数据进行下载处理。设计的系统分为四个部分：无线数据采集终端、数据转发终端、云端服务器、用户端。

系统总体设计流程图如图1所示：

无线数据采集终端由加速度和应变传感器、信号调理模块、数据采集模块信号处理模块及433M无线数据传输模块五部分组成。加速度和应变传感器将接收到的物理信号转换成电信号，通过信号调理模块，进入数据采集模块，数据采集模块将电信号转换成数字信号，信号处理模块将数据进行特征值提取处理后，通过433M无线模块将数据发送至数据转发终端。

数据转发终端通过433M无线模块定时提取来自转发终端的数据进行存储。存储终端中的数据可通过内置4G模块上传至云服务器，用户可从云服务器直接下载数据文件并进行相应操作。

2设计原理

2.1无线数据采集终端

无线数据采集终端的主要技术包括应变放大、无线数据转发。

应变放大结构采用惠斯通电桥原理，对输入信号进行放大，信号处理模块实现了放大信号的处理，使之形成数据格式文件，无线模块则将处理好的数据格式文件通过433M无线网络进行发送，数据存储终端通过433M无线网络，定时提取加速度终端和应变终端的数据进行存储。

应变放大主要使用了惠斯通电桥原理，惠斯通电桥（又称单臂电桥）是一种可以精確测量电阻的仪器。如图1所示，电阻R1-R4为电桥的四个臂，当Vo无电流通过时，称电桥达到平衡。平衡时，四个臂的阻值满足平衡关系，利用这一关系就可测量电阻。惠斯通电桥原理如图2所示。

应变放大器采用应变片传感器原理，应变片与其他三个电阻组成惠斯通电桥，当应变片上有形变产生时，应变片电阻值发生变化，此应变全桥失去平衡而输出差额电压，即传感器输出电压。输出的微小信号Vo经过放大器放大1000倍到输出Vo。 Vo即为放大后的信号电压值。由此，使用惠斯通电桥原理，实现了输入信号的放大输出功能。

由于本系统的工作距离通常在几百米以内，本系统的无线传输模块选择了433MH频段的无线数据传输模块。当数据采集终端收到存储终端下发的读取命令时，即将数据存储缓存区中的数据通过串口转433M协议进行提交。

2.2无线数据转发终端

数据转发模块主要实现数据的读取和转发功能。数据存储终端定时读取无线数据采集终端获取的加速度终端和应变终端的数据，通过内置4G模块上传至云服务器，用户可从云服务器直接下载数据文件并进行相应操作。

3程序设计

程序设计包括无线数据采集端程序设计和远程云服务器软件流程设计两个部分。

无线数据采集端程序设计：

上电后，主控芯片进行初始化工作。接下来，终端进入等待信号的状态，当有车辆通过或者风吹等使桥梁产生振动变化，使传感器输出信号的幅值超过触发电平时，主控芯片自动记录固定长度的数据，当完成记录时，将这个数据进行信号处理，提取特征值，等待无线转发终端请求数据。当收到无线终端发送的请求数据时，通过433M无线网络发送特征值数据。

数据转发终端程序设计：

上电后，主控芯片进行初始化工作。随即定时对无线数据采集终端进行点名读取数据。当所有的无线数据采集终端数据读取完成后，将数据传输到云服务器。

云服务器端程序设计：

云服务器端的程序主要包括两个部分，第一部分是数据接收程序，实现远程载荷数据采集终端采集到的数据文件的接收，第二部分是数据发送程序，实现将数据文件发送到用户终端。

4实验结果

将设计完成的系统进行模拟实验，实验中，将厚度为1mm的钢尺钉固定于木板上，固定点间距26cm。将三个加速度传感器分别放置于桥1/4跨、桥1/2跨、桥3/4跨，将应变传感器放置于桥1/2跨，分别接入一起的CH1到CH4。在钢尺1/2跨上放48克的铁块，待稳定后，快速将铁块从钢尺上移开，取信号的600ms到1400ms采集到的数据统计结果如表1所示：

5结论

本文介绍了一种桥梁健康远程监控系统，该系统采用了433M无线模块和云服务器上传桥梁健康数据，从而能够实现了桥梁健康状态的动态监测。

基金项目：资助信息：成都信息工程大学校选项目CRF201620资助。