基于LoRa无线通信的分布式桥梁监测系统设计*

李权接, 赵延明, 张泽瑞, 姚 迪, 谷振宗

(湖南科技大学 信息与电气工程学院,湖南 湘潭 411201)

0 引 言

当前我国除了部分特大桥梁以外,绝大部分桥梁均没有任何桥梁监测装置,而因桥梁老化和质量问题导致的事故不断发生。其中，桥梁失效的主要原因为设计缺陷、施工失误、运营管理不善、水文地质与自然灾害；具体引发桥梁失效的主要风险因素是意外碰撞、施工失误和车辆超载[1～3],这些主要因素往往会导致桥梁产生裂缝甚至断裂,从而使桥梁的强度、刚度、稳定性降低进而失效变为危桥。

本文设计提出了一种基于无损探伤原理的分布式桥梁监测系统。在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下,利用物质的声、光、电等特性,对被检验部件的表面和内部质量进行测试,检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,给出缺陷大小、位置、性质和数量等信息。

1 设计总体方案

针对目前市面上桥梁监测设备在不同场景的兼容性差,成本高以及容易对桥梁造成二次伤害,本设计通过远距离无线电(long range radio,LoRa)无线通信构建分布式桥梁监测系统,主要由主控单元、声发射信号采集单元、模拟信号调理单元、无线通信单元、GPS授时定位单元及电池管理单元等部分组成。远控软件运行在各个桥梁监测节点上,对采集的前端传感器信号进行参数计算与分析,提取出声发射信号关键的特征参数,并通过无线通信方式将特征参数和各节点设备自身的状态信号等传送至监测终端,远控软件利用各个节点的数据进行数据汇总与储存、二次数据计算与分析,并根据数据综合结果进行故障报警、故障定位与故障评估等。

2 主要电路设计与分析

2.1 主控单元

主控单元选用TI公司的单片机MSP430系列的 MSP430F149,其最大的特点为低功耗,非常适用于这种户外便携式电池供电设备。I/O分布表如表1所示。

表1 I/O分布表

2.2 模拟信号调理单元

模拟信号调理单元主要分为信号输入处理模块、增益放大模块、模拟滤波模块三部分。其中信号输入处理模块主要实现对输入的模拟信号进行直流耦合、阻抗匹配及大信号保护等,使后端处理的模拟信号为X轴上下均匀分布且信号功率范围在正常范围；增益放大模块主要实现对模拟信号的线性增益放大,使微弱信号能够被放大以便于ADC采样；模拟滤波模块主要将带外噪声进行抑制处理,保证频带内信号的干净度。

2.2.1 信号输入处理单元

在前端传感器输出模拟信号之后,先是通过信号输入处理模块对其进行处理。信号输入处理单元如图1所示,其具有三部分功能：直流耦合、阻抗匹配、限幅保护。通过电容C134进行隔直处理,滤除信号中的直流成分,使直流耦合后的信号以零点为中心波动,能够极大地发挥ADC全量程采样能力；采用高阻形态进行阻抗匹配,减小信号在线路中传输的能量损失,保证信号的抗干扰能力；限幅保护的目的在于限制大信号输入,采用双向钳位二极管进行设计,将输入信号幅度限制在±3 V范围内,保证后端电路能够正常处理该模拟信号而不会烧毁器件。

图1 信号输入处理单元

2.2.2 增益放大单元

增益放大模块是使小信号进行合适增益倍数调整,使其尽可能匹配ADC输入信号范围。增益放大模块具有0,20,40 dB三种可选增益倍数,可实现对-60～0 dBm宽范围的声发射信号进行增益调整。通过两级相同的增益放大电路来实现,每级增益放大电路可实现0～20 dB增益,运算放大器选用高压摆率、大增益带宽积的AD8022进行设计,并通过低阻抗模拟开关ADG5401进行选择增益反馈电阻R128(选择D端口的270 Ω电阻是否并入AD8022的反馈电阻中)来实现不同增益倍数选择满足不同应用场景下不同信号强度的需求,增益放大单元如图2所示。

图2 增益放大单元

2.2.3 模拟滤波单元

模拟滤波单元如图3所示,其采用两阶切比雪夫滤波器进行设计带通滤波器,带通频率分布在20～400 kHz,带外抑制能够到-40 dB,过渡带较陡峭,保证带外信号的抑制能力和干净度,使带内信号的信噪比在40 dB以上。选用AD8022进行模拟滤波器设计。AD8022为双通道低噪声、高速率、电压反馈型运放。电压噪声系数仅为2.5 nV/100 kHz,SFDR为110 dB/200 kHz,G=+1时带宽为130 MHz。RFIN1—RFIN4与单片机P6.0～P6.3连接作为模拟信号采集接口。

图3 模拟滤波单元

2.3 LoRa无线通信单元

采用Semtech公司最新推出的SX1262芯片进行设计远距离低功耗无线通信单元。在具有传统SX1278射频芯片超长距离扩频通信以及高灵敏度可达-148 dBmde的特点[3]之外,其扩频因子、空速等参数都优于SX1278芯片。SX1262的SX_NSS,SX_MOSI,SX_MISOSX_SCK分别与与单片机P3.0～P3.3连接进行SPI通信；SX_NRESET,SX_BUSY与单片机P3.4,P3.5连接分别作为复位和占线指示器,SX_DIO1,SX_DIO1与单片机P4.0,P4.1连接作为多用途数字I/O口；ANT_SW与单片机P4.6连接作为无线开关控制口。LoRa无线通信单元具体如图4所示。

图4 LoRa无线通信单元

2.4 电池管理单元

系统采用具备电池管理功能的超低功耗能量采集器进行设计,通过太阳能电池板回收太阳能并将其存储在锂电池中,供整个系统工作,与此同时还能实现对锂电池进行充电保护管理等。具体采用的芯片是 TI 公司的 BQ25504,通过单片机的P4.3口与芯片VBAT_OK连接实时监测工作状态。电池管理单元如图5所示。

图5 电池管理单元

2.5 GPS授时定位单元

GPS授时定位单元采用NEO—6系列的U—BLUX 6GPS模块进行设计,这是一种低成本、高性能的小封装模块,非常适合于体积较小的设备中使用,单片机P4.2口与GPS_PPS脉冲口连接,来获得精准的时间,P3.6,P3.7口与GPS_RXD、GPS_TXD连接进行串行输入输出。GPS授时定位单元如图6所示。

图6 GPS授时定位单元

3 系统软件设计

3.1 TDOA定位算法[5]

声发射采集器按正方形(边长2L)布局,如图7所示,S点为当前裂缝的位置,其坐标为(x,y)。A,B,C,D为4个声发射采集器,当产生裂缝信号时,由于A,B,C,D四点接收到裂缝声发射信号的时间有所不同,根据声发射采集器B,C,D相对于A的时差Δt2,Δt3,Δt4,以及声发射信号在混凝土中的传播速度为c=3 400 m/s,经归一化正方形方程可以推导出S点的坐标位置,方程如下

(1)

(2)

图7 声发射采集器布局

3.2 小波去噪[6]

声发射信号模型表示如下

s(k)=f(k)+δe(k)，k=0,1,…,n

(3)

式中s=(s1,s2,…,sn)为含噪信号,f=(f1,f2,…,fn)为所需信号,e=(e1,e2,…,en)为噪声信号,δ为噪声强度。信号去噪的过程的本质是抑制不需要的信号,保留需要的信号,步骤如下：1)确定出合适的小波及其分解的层次,进行分解计算。2)对不同分解尺度下的高频系数进行软阈值量化处理。3)通过小波分解不同频段的系数进行小波重构。

3.3 软件设计流程

分布式桥梁监测系统软件实现系统待机、数据采集与分析、数据传送、裂缝定位等功能。系统在无需监测工作时进入待机状态,在信号到来时,进行实时监测,并对各传感器的回传数据进行处理判断；先采用A/D转换电路进行前端数据采集,然后由主控器进行频率、峰值、位置等重要参

数的提取,再与无线通信单元的数据接口协同工作发送给电脑终端的上位机,上位机通过声发射信号参数对比,来确定是否有裂缝产生,若有裂缝,则采用TDOA定位算法计算出裂缝的具体位置并显示在上位机上面并且发出警报。上位机显示界面如图8所示。

图8 上位机显示界面

4 结束语

分布式桥梁监测系统可实现在不损害对象使用性能的前提下,对检验部件质量进行监测。当被监测物体出现缺陷或不均匀性,给出缺陷大小、位置、性能和数量等信息,及早发现事故隐患,采取有效措施,避免事故发生。本监测系统成本低、使用方便、系统兼容性比较好,可用于多种不同的桥梁,克服了市场上桥梁监测系统需要定制、兼容性差的情况,通过太阳能独立供电,使得整个系统更加环保。