基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测系统设计实现

徐 钦,谢 虹,周世虎,包理群,黎 泉,李智敏

(1.兰州工业学院,甘肃 兰州 730050;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000;3.青海省地震局,青海 西宁 814000)

0 引言

随着我国城市化进程不断加快,高层建筑能够有效利用土地资源,缓解城市用地紧张,但这些大型建筑物结构形式复杂,受到日常使用环境如材料老化、环境侵蚀等的影响,不可避免会产生损伤累积和抗力衰减。在风振、地震等灾害性荷载作用下大型建筑物结构容易发生破坏,一旦发生灾害事故,将造成巨大的生命与财产损失[1]。因此,在高层建筑上布设地震响应和结构安全健康监测系统,不仅可观测建筑物在地震作用下的响应,获取结构在地震作用下振动反应的第一手资料——“结构强震动记录”,供抗震设计、震害评估、烈度速报等相关研究使用[2],而且可以对建筑物结构的健康状态进行长期持续观测,及时发现结构损伤,为建筑物的安全运行评估提供科学依据。

目前,高层结构地震响应和健康监测系统所涉及的传感器数目以及系统的复杂性都在不断增加[3],传统的有线传输方式具有技术成熟、可靠性高等优点,但存在安装维护繁琐、布线成本高等问题,而无线网络传输方式因安装维护简便、成本低、可靠性高和部署灵活等优点得到广泛的研究应用[4]。国外智能建筑结构健康监测的研究工作主要以美国和日本较为先进,研究出了多个应用于结构健康监测的无线传感网平台[5-7],但这些硬件平台较难实现实时的远距离通信。近年来,国内众多学者也开展了相关应用研究:杨海斌等[8]设计了基于无线传感器网络的建筑物结构健康监测系统,实现对建筑物结构健康的无线监测;朱俊明等[9]将ZigBee技术引入建筑结构健康监测系统,发挥了其实时传输监测数据的功能。目前可满足无线传输与控制的标准有Zigbee、WiFi、6LoWPAN等,但是这些标准在复杂建筑空间结构影响下具有组网困难、能耗高、传输距离受限等问题,导致监测数据无法有效获取。

LoRa(Long Range Radio)技术是低功耗广域网(LPWAN)通信技术的一种,是Semtech公司开发的一种低功耗无线通信标准。LoRa通信技术具有更远的通信距离、更强的抗干扰性和更高的传输效能,这些关键特点使得其在智慧农业、智慧城市、智慧交通等领域中得到广泛应用,但在结构健康监测平台中的应用较为少见。基于此,针对传统高层结构地震响应和健康监测系统中存在的远距离数据传输能力较弱、灵活性差等问题,本研究拟设计实现一种基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测系统,以实现高层建筑结构监测数据低功耗、远距离的高效传输。

1 系统总体结构设计

系统整体设计方案包括LoRa终端节点、LoRa网关、OneNET服务器、用户4个部分。LoRa终端节点将采集到的传感器数据经过LoRa网络发送至LoRa网关;LoRa网关通过无线WiFi将数据发送到OneNET服务器,作为数据信息显示、保存和处理的平台;用户通过PC、手机等对OneNET进行访问。各LoRa终端节点与LoRa网关构成星形网络结构,结构的中心节点为LoRa网关。系统总体架构设计如图1所示。

图1 系统总体架构Fig.1 General structure of the system

2 系统硬件设计

2.1 LoRa终端节点硬件设计

LoRa终端节点的主要功能是将地震计、位移计等传感器采集到的数据周期性地发送至LoRa网关,同时接收LoRa网关的控制指令,从而实现LoRa终端节点和LoRa网关之间的双向通信。LoRa终端节点的硬件结构主要包括:主控芯片、LoRa射频芯片SX1278、传感器设备、电源模块、外围电路等(图2)。主控芯片是ST公司开发的STM32F系列中的32位增强型单片机,具体型号STM32F103RCT6,速度72 MHz,其IO口支持多种功能,价格与其他大多数STM32F系列相比较低且程序化模块设计编程简单。LoRa通信模块核心是射频芯片SX1278,模块本身由SX1278和简单外围电路组成。该模块主要借助LoRa调制技术，将LoRa终端节点数据无线发送至LoRa网关,同时无线接收LoRa网关的控制信息。主控芯片STM32F103RCT6通过SPI接口连接射频芯片SX1278,实现对SX1278的数据读取和控制。传感器设备与主控芯片通过串口或以太网接口进行连接,系统目前选用的传感器设备为WT61C和ENTA2:WT61C为数字姿态传感器,主要由高精度的陀螺加速度计MPU6050、稳压电路以及集成的姿态计算器组成[10],输出时间、加速度、角速度、角度;ENTA2内置3个正交分向的EpiSensor力平衡加速度传感器,传感器信号通过独立的通道模数转换电路转换为数字信号,提供一个以太网通信接口,输出时间、加速度。电源模块为整个LoRa终端节点提供电源保证,采用市政供电同时配合电瓶组的供电方式。外围电路包括时钟电路、复位电路等,具体硬件电路如图3所示(调试下载电路和电源电路略)。系统LoRa终端节点实物图如图4所示。

图2 LoRa终端节点硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of LoRa terminal node

图3 LoRa终端节点硬件电路图Fig.3 Hardware circuit diagram of LoRa terminal node

图4 LoRa终端节点实物图Fig.4 Physical drawing of LoRa terminal node

2.2 LoRa网关节点硬件架构设计

LoRa网关节点主要负责数据上传,控制WiFi模块,连接路由器和OneNET服务器进行通信。OneNET物联网云平台是中国移动通信公司旗下子公司开发的专业运营物联网的专用平台,具有多协议配置、API、免费开放等功能,因此选用其作为数据的存储转发平台。LoRa网关节点发送用户控制和应答指令至LoRa终端节点,并接收多个LoRa终端节点发送的数据信息,使各LoRa终端节点数据有序传输,并对数据进行打包后发送至OneNET服务器。LoRa网关节点的硬件结构主要包括:主控芯片、LoRa射频芯片SX1278、WiFi模块、电源模块、外围电路等(图5)。

图5 LoRa网关节点硬件结构图Fig.5 Hardware structure diagram of LoRa gateway

主控芯片STM32F103RCT6通过SPI接口与射频芯片SX1278连接,通过UART与WiFi模块相连。射频芯片SX1278负责无线接收LoRa终端的采集数据,发送控制命令以控制LoRa终端。WiFi模块采用的是安信可的ESP8266模块。ESP8266由乐鑫公司开发,提供了一套高度集成的Wi-Fi SoC解决方案,其低功耗、紧凑设计和高稳定性可满足本系统的设计需求[11]。ESP8266芯片接到STM32开发板的串口PA2和PA3上,同时WiFi模块的复位引脚可以通过STM32的IO口PC2进行控制,WiFi部分将数据发送到OneNET服务器,用于显示和数据转发,同时接收服务器的命令。LoRa网关节点硬件电路和硬件实物图如图6、7所示。

图6 LoRa网关节点硬件电路图Fig.6 Hardware circuit diagram of LoRa gateway

3 软件设计

本项目的软件程序是在STM32CubeMX和Keil相结合的软件开发环境下编写完成的。LoRa数据包由3个部分组成:前导码(地址和功能码)、报头(CRC校验)、数据有效负载(数据段)。LoRa终端和LoRa网关模块工作的频带均为450 MHz。

图7 LoRa网关节点硬件实物图Fig.7 Physical drawing of LoRa gateway

LoRa网关模块负责接收数据和数据上传。具体来说，LoRa网关发送控制命令，接收不同地址编号的LoRa终端数据，并判断数据的正确性和完整性。同时，LoRa网关通过主控芯片STM32-F103RCT6发送AT指令，控制WiFi模块(ESP8266)以实现联网：首先对连接到WiFi模块的IO口进行初始化，其次通过指令设置配网完成WiFi连接，最后通过MQTT协议与OneNET平台实现数据传输，连接完成后设备便可向OneNET平台发送和接收数据。LoRa网关模块初始化程序包括:系统硬件设备初始化(包括SPI和其他IO口、时钟等硬件设备初始化)、配网初始化(包括WiFi模块的连接、模式选择等)、MQTT初始化(包括MQTT地址端口号配置、连接OneNET MQTT服务器等)。LoRa网关软件流程图如图8所示。

图8 LoRa网关软件流程图Fig.8 Software flow chart of LoRa gateway

LoRa终端模块负责采集传感器数据,周期性地传送数据到LoRa网关,同时需要接收网关的命令,用于控制接口传感器设备。LoRa终端模块初始化程序为系统硬件设备初始化,包括SPI和其他IO口、时钟等硬件设备初始化。LoRa终端软件流程图如图9所示。

图9 LoRa终端软件流程图Fig.9 Software flow chart of LoRa terminal node

4 测试

4.1 监控界面测试

监控管理系统负责远程查看由LoRa网关实时上传到OneNET服务器的监测数据,其中OneNET服务器需要在有网络的情况下进行测试操作,用户可以通过手机或者电脑登录平台查看数据[12-13]。监控管理界面中可进行数据可视化管理,在操作界面中将获取到的监测数据进行图表设计(图10),还可以根据需要绘制成自己需要的展示图形,如折线图、柱状图、仪表盘等,也可以在界面中灵活选择添加设备按钮,如开关、旋钮等。图10中对应的数据为加速度、角速度和倾斜角,若增加位移、应变、风速等其他测项,只需要增加相应图表即可。测试过程中2个LoRa终端数据均可顺利上传到OneNET平台上,后期亦可增加终端个数。

图10 监控界面测试Fig.10 Monitoring interface test

4.2 通信距离及丢包率测试

为检测本系统的传输可靠性和优越性,在相同测试环境下分别对基于LoRa和ZigBee的高层结构地震响应和健康监测系统进行点对点通信距离和丢包率的现场测试。

(1) 基于LoRa的监测系统测试

在天气晴朗的情况下,选用某高层建筑的10楼、20楼分别作为LoRa终端1号、2号的放置地点,LoRa网关则选择周围环境空旷且有少量植被和房屋的测量地点。测试步骤如下:将LoRa终端1号、2号作为测量起点,另一测量人员携带电脑和LoRa网关,通过串口助手点对点测量通信传输数据。系统设置测试波特率为115 200,具体通信距离及丢包率测试结果列于表1。由表1可知,点对点传输距离为3 km时,系统整体丢包率在8%以内。

(2) 基于ZigBee的监测系统测试

由于现阶段较常见的是利用ZigBee标准的无线传感网来搭建结构健康监测应用平台[14],因此将本系统终端和网关模块主控芯片替换为TI公司的CC2530单片机(一款搭载了 Zigbee 协议的单片机),继续选用同样的测试环境进行点对点通信距离和丢包率测试,结果列于表2。由表2可知,ZigBee系统在0.02 km内尚可收到测试数据,丢包率为44%,3 km外已经收不到数据包。对比表1和表2可知,在通信距离及丢包率测试中,LoRa系统具有更好的传输性能。

表1 LoRa系统通信距离及丢包率测试Table 1 Test of communication distance and packet loss rate on LoRa system

表2 ZigBee系统通信距离及丢包率测试Table 2 Test of communication distance and packet loss rate on ZigBee system

5 结语

本文针对传统高层结构地震响应和健康监测系统中存在的远距离数据传输能力较弱、灵活性差等问题,在我国建造行业智能化发展战略的背景下,设计实现了一种基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测系统。

(1) 基于高层结构地震响应和健康监测系统需求,设计了基于LoRa技术的系统架构。系统由多个LoRa终端节点、LoRa网关、OneNET服务器、用户4个部分组成:LoRa终端节点负责采集系统所需的监控数据,如加速度、角速度、角度等,各采集点的数据通过LoRa网络传输到LoRa网关节点,由LoRa网关负责将监测数据传输到OneNET服务器,供用户进行建筑结构状态评估和设施管理。

(2) 根据系统整体设计架构,设计相关节点硬件电路和软件驱动程序。核心采用ST公司开发的STM32F103RCT6作为主控芯片,SX1278作为射频芯片和其他外围电路构建相关节点模块。

(3) 对系统进行了点对点通信距离和丢包率的现场测试,测试发现系统监测结果可视化界面良好,与基于ZigBee技术的无线传感网系统相比,传输距离更远,在城市空旷环境中3 km内丢包率小于8%。

因此,本系统可实现高层建筑数据远距离、高稳定性、低成本传输,为实时数据监测提供了可能。同时本文的研究成果可为建筑结构智能监测提供新的思路,可拓展至桥梁、大坝等城市结构健康监测项目中,具有广泛的应用价值。