基于Lora的桥梁拉索索力远程监测系统设计

吴立鑫 孙玉国

摘  要： 拉索是桥梁结构的重要构件，索力对桥梁健康的监测具有重要意义。研制了一套基于Lora的桥梁拉索索力远程监测系统，还利用Lora无线通信技术设计了一套低功耗、低碰撞的星型无线网络结构，介绍了振动频率法测量索力原理，给出了监测系统整体架构和模块化设计，最后进行了索力监测测试实验。实验结果表明，研制的索力远程监测系统功能完善、实时性强，为桥梁远程、长期监测提供了高效便捷的实施方法，具有较为广阔的应用前景。

关键词： 索力;Lora;星型网络;振动频率法;远程监测

中图分类号： TP274+.2    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.047

本文著录格式：吴立鑫，孙玉国. 基于Lora的桥梁拉索索力远程监测系统设计[J]. 软件，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

拉索是橋梁结构的重要构件，拉索索力控制着整个体系的内力分布及线形，任何一根拉索索力的变化都会影响整体结构的稳定和安全[1]。大地脉动、风雨等环境激励引起的拉索振动，以及在桥梁的运营过程中拉索遭受的损害都可能导致应力分布发生改变，从而给桥梁结构带来灾难性后果。因此，无论在施工期还是运营期，对拉索索力的实时监测具有保障安全的重要意义。

当前有三种测量索力的方法得到广泛应用，油压表法、磁通量法以及振动频率法[2]。油压表法大多情况下用于索的施工阶段;磁通量法有着较好的应用前景，但其理论基础尚未完善且对装置安装有着较高的要求;振动频率法是一种间接测量法，可在不影响拉索状态的条件下测量索力。

传统的索力监测系统大多采用有线通信技术、Wifi或Zigbee技术，有线通信技术受限于有线结构的装置，成本较高且部署困难;Wifi和Zigbee技术无法实现快速组网且传输距离较短，随着网络规模的扩大，这些问题愈加突出。

为此，本文提出基于Lora无线通信技术的索力监测系统。本系统利用振动频率法计算索力，以Lora无线通信技术快速组网，实现数据高效传输，最后接入互联网，实现索力的远程实时监测。

1  监测系统测试原理分析

振动频率法通过采集拉索在人工激励或者环境激励下的振动信号，经频谱分析处理得到索的自振频率，后由频率与索力之间的关系求得拉索的索力值[3]。

在实际的索力测量过程中，会受到拉索的边界约束、拉索垂度、抗弯刚度等因素的影响[4]。目前有很多方法已对上述公式进行相应的修正，但核心方式还是排除这些因素的干扰而准确地得到拉索振动的基频。

2  基于Lora的索力远程监测系统

2.1  监测系统整体架构

监测系统主要由3个部分组成，分别为采集终端、网关和云服务器端。采集终端部署于桥梁各个拉索之上，负责采集拉索振动信息;网关与采集终端通过Lora技术星型组网，按照设定的时序将终端数据有序地推送至阿里云服务器;云服务器解析、计算、存储并显示最终有效数据，当索力值超出设定的阈值时，系统可在线作出预警。监测系统的整体架构如图1所示。

2.2  采集终端节点设计

采集终端节点采用现有的嵌入式处理技术模块化集成，负责采集拉索的振动信息，主要包括传感器模块、信号调理模块和无线通信模块。图2是采集终端节点硬件结构图。

（1）传感器模块设计

拉索振动信号检测属于弱信号检测范畴，对加速度传感器的低频特性、灵敏度以及数据采集的速率、分辨率都有较高的要求[5]。加速度传感器采用的是ADXL335加速度计，相较于传统的空间三轴加速度传感器，具有更强的抗轴间串扰功能。

温度传感器采用的是由DALLAS半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的DS18B20温度传感器[6]。由于DS18B20温度传感器是单总线器件，而所有的单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性[7]。图3是典型的DS18B20温度读取过程。

一般桥梁整体温度变化基本不会引起索力的变化，这是因为混凝土和钢的线性膨胀系数近似[8]。因此，在斜拉桥建成以后，能对索力产生影响的是日照温差。由于日照温差引起的索力变化分析较为困难，此处采集温度信息以供后续研究分析使用。

（2）信号调理模块设计

信号调理模块采用性能强大的STM32F103C8T6微处理器，内嵌频谱分析算法，用于识别拉索振动的基频。为实现系统的可复用性并高效利用云服务器的存储和计算能力，将拉索参数设置及索力计算处理置于云服务器中进行。

定时器中断频率和DMA大小分别决定采样频率和数据帧长度;CPU对一个完整数据帧做一次频谱分析;在捕捉到PA3引脚下降沿后触发串口数据发送。

（3）无线通信模块设计

传统的Wifi和Zigbee无线通信传输距离较短，在大跨度的桥梁上难以实际应用，且网内可组织节点数量较少。本文采用的是当前物联网领域核心技术之一的Lora无线通信技术。Lora是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，用于超长距离扩频通信[9]。

Lora节点基于西门子SX1278芯片研制，使用串口进行数据收发，降低了无线应用的门槛。Lora节点接收到来自网关的信号后触发MCU发送数据，随后将有效数据回传至网关。如图5所示。

2.3  基于Lora的无线传感网络拓扑结构概述

无线传感网络拓扑结构通常有网型拓扑、总线拓扑、星型拓扑等，星型拓扑以其低传输误差、低网络延迟、易于集中控制等优势被广泛应用于各种无线数据传输场景[10]。因此，本文选择星型拓扑结构作为采集终端节点和Lora网关的组网方式，在如图6所示。

在上述星型网络结构中，Lora网关作为中央节点与各采集终端节点进行交互，由该中央节点控制数据传输策略。由于SX1278芯片内部只有一个通道，多终端条件下为避免数据上传发生碰撞和丢包现象，利用时分多址（TDMA）算法为网内各个节点分配上报时序。采用TDMA的方式进行通信，可减少数据传输时冗余的控制信息，且节点在空闲时能够及时进入休眠状态，避免能量损耗。

2.4  服务器端设计

本文基于实际应用环境，通过部署云服务，实现针对桥梁索力的远程实时监测，系统中采用阿里云作为监测服务器，主要功能如图8所示。

云服务器与网关之间通过TCP协议建立网络通信，实现数据的实时交换;通信建立成功后，实时接收网关数据，完成数据包解析及索力计算后，与底层数据库和前端监测页面进行交互。

3  实验结果与分析

本文搭建了一套桥梁拉索索力监测装置模型，如图8所示，模拟真实环境中的索力监测。为验证多终端条件下系统各模块及星型传感网络的工作性能，设计采用两个终端节点同时采集两根拉索的数据。

模型中使用的拉索为钢索结构，1#索的直径为6 mm，长度为0.712 m，单位质量为0.225 kg/m，2#索的直径为8 mm，长度为0.973 m，单位质量为0.410 kg/m，分别对两根拉索进行了激励实验。实验中，网关设置节点上报时序为节点1在节点2之前，节点时隙为1 s。

3.1  频谱分析

拉索振动信号的频谱分析采用ST官方的DSP库，由于是汇编实现且是基4算法，因此FFT速度较快。实验中采用1024点FFT，采样频率设置为100 HZ，频谱图中峰值对应的频率值即为拉索振动的主频。

3.2  监测结果分析

监测界面基于主流Web框架开发完成，用于远程实时监测拉索振动时各有效参数，包括振动基频、索力值、温度值，同时记录了拉索编号、组网状态以及长度等信息，如图11所示。

据监测结果可知，两根拉索上的采集终端节点均处于正常工作状态，并且严格按照设定的时序和间隙进行工作。1#索当前拉力为139.7 N，2#索当前拉力为397.5 N。监测系统很好地完成了针对拉索索力的远程监测，各模块功能完备且数据传输实时、稳定。

4  结论

本文论述了使用振动频率法测量桥梁拉索索力的原理，介绍了监测系统的整体结构和模块化设计，并通过在系统中嵌入频谱分析算法识别基频，完成了对索力的监测。模型实验结果表明，监测系统很好地完成了对桥梁模型拉索索力的远程监测，且具有较高的稳定性和实时性。总之，本系统为桥梁远程、长期监测提供了高效便捷的实施方法，具有较为广阔的应用前景。

参考文献

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