湯 韜1，2，鄧勇軍3，葉華榮3，李 亞2，李文華2，王鵬軍1，2，鄧北星2
（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.北京源清慧虹信息科技公司，北京100085；
3.瀘州市交通運(yùn)輸局，四川 瀘州646000）
針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一款智能無線索力計(jì)。該傳感器具有超低功耗、前端智能算法、無線自組織網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特點(diǎn)。提出并實(shí)現(xiàn)了嵌入式硬件平臺(tái)上的索頻提取方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際工程檢驗(yàn)，該方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。該設(shè)計(jì)整機(jī)可在電池供電環(huán)境下實(shí)現(xiàn)常年連續(xù)工作。此設(shè)計(jì)有效地解決了拉索監(jiān)測(cè)過程中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)冗繁、數(shù)據(jù)分析難度大、系統(tǒng)成本偏高、維護(hù)復(fù)雜等實(shí)際工程問題。
中圖分類號(hào)：TN925；TU18
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172576
中文引用格式：湯韜，鄧勇軍，葉華榮，等. 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線索力計(jì)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(12)：52-54，58.
英文引用格式：Tang Tao，Deng Yongjun，Ye Huarong，et al. Design and application of wireless cable tension sensor in the structure monitoring system of bridges[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：52-54，58.
0 引言
隨著道路交通增長(zhǎng)，我國(guó)橋梁勞損加速，結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生幾率與惡化風(fēng)險(xiǎn)顯著提高[1，2]，運(yùn)營(yíng)安全保障工作日漸繁重。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)展開監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)異常預(yù)警、病害識(shí)別跟蹤、損傷評(píng)估等功能，其帶來的安全效益受到重視[3]。對(duì)于斜拉橋、系桿拱橋等索結(jié)構(gòu)橋，索的拉張狀況具有決定交通承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度的關(guān)鍵意義，但相對(duì)外露易受損傷，又不便日常巡檢，因此對(duì)其展開索監(jiān)測(cè)意義更加顯著。舊金山的金門大橋[4]、韓國(guó)Jindo雙橋[5]，以及國(guó)內(nèi)無錫蓉湖橋、南通新江海河橋等[6]先后實(shí)施了此類監(jiān)測(cè)。但以上系統(tǒng)中索監(jiān)測(cè)設(shè)備在體積、功耗、網(wǎng)絡(luò)靈活性等方面存在各自的不足，應(yīng)用推廣還有待進(jìn)一步優(yōu)化提升。
頻率法測(cè)索力是以上索監(jiān)測(cè)采用的典型方法[7]，但原始數(shù)據(jù)多，現(xiàn)場(chǎng)采集配合遠(yuǎn)程分析的使用模式面臨線纜供電不可靠、無線通信與網(wǎng)絡(luò)部署開銷高等問題。本文提出的監(jiān)測(cè)用無線索力計(jì)通過硬件和基本系統(tǒng)低功耗化，將索頻算法嵌入設(shè)備內(nèi)，大幅減少數(shù)據(jù)傳輸開銷，并以無線自組網(wǎng)接入取代線纜布設(shè)，增強(qiáng)了橋索監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由硬件設(shè)計(jì)、索力檢測(cè)算法設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)三大部分組成。
系統(tǒng)的硬件部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。系統(tǒng)包括主控制器、射頻模塊、傳感器接口等。
軟件系統(tǒng)層次如圖2所示，其與硬件適配構(gòu)成了低功耗無線網(wǎng)絡(luò)化的傳感平臺(tái)，采集控制、索力分析、數(shù)據(jù)輸出依托其上。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本索力計(jì)選擇Microchip的無線微控制器Mega256rfr2作為主控兼通信芯片。最高逾20 MIPS的運(yùn)算能力，配合256 KB閃存及32 KB RAM，為索力數(shù)據(jù)分析的嵌入與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧運(yùn)行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及動(dòng)態(tài)可調(diào)的運(yùn)行頻率，則使設(shè)備具備低功耗長(zhǎng)續(xù)航基礎(chǔ)條件；片內(nèi)集成的IEEE802.15.4射頻收發(fā)機(jī)擁有100 dB以上充裕的鏈路預(yù)算以及可降低多徑衰減影響的接收分集功能，無線通信覆蓋與穩(wěn)定性得以加強(qiáng)。
振動(dòng)頻率采集單元采用NXP公司的3軸MEMS加速度傳感器MMA8451，其通過高速I2C接口與主控通信。內(nèi)部過采樣可達(dá)800 Hz，確保覆蓋索力監(jiān)測(cè)頻段的5倍以上量程；±8g的最大測(cè)量范圍和250 μg最佳分辨率滿足橋索不同振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的監(jiān)測(cè)需要；輸出緩沖區(qū)的存在有效避免采集過程喚醒主控。
電源方面借助德州儀器的TPS62740轉(zhuǎn)換電壓令系統(tǒng)各部分電壓保持較低水平，從而減少芯片內(nèi)嵌壓降單元上的能量損耗。
另外硬件系統(tǒng)配置SPI接口的片外Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB641E，使本索力計(jì)可存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，必要時(shí)可導(dǎo)出供第三方工具分析研究。
3 嵌入式索力算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1 頻率法理論模型[8-10]
頻率法測(cè)量索力首先利用傳感系統(tǒng)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，再對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理、提取自振頻率，最后通過自振頻率和索力之間存在的固有關(guān)系推算出索力。
索振動(dòng)方程如下：
式中，fn是第n階固有頻率。除fn以外，其他參數(shù)均已由設(shè)計(jì)和施工材料給出，測(cè)得fn及其階數(shù)即可推算出索力值。
3.2 索力采集分析設(shè)計(jì)
本文索力計(jì)測(cè)量索力在選取最優(yōu)軸、完成振動(dòng)采樣頻率校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，主要通過峰值提取和窗口加權(quán)評(píng)估兩個(gè)階段分析獲取索力。
3.2.1 峰值提取
本階段主要目的是對(duì)振動(dòng)FFT功率譜進(jìn)行信息提取，去掉對(duì)于基頻提取無效的干擾信息，保留功率譜中與基頻提取相關(guān)的峰值，以便之后進(jìn)一步進(jìn)行基頻提取。主要步驟如下：
(1)設(shè)置特殊參數(shù)M，F(xiàn)FT功率譜點(diǎn)數(shù)為2N時(shí)，M的取值在[1，2log2N]之間可調(diào)。
(2)對(duì)FFT功率譜進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，得到平滑功率譜。滑動(dòng)平均處理所取的窗口寬度為5～20個(gè)頻點(diǎn)。
(3)將平滑功率譜的前M點(diǎn)直接置零。從第M點(diǎn)到第N點(diǎn)掃描FFT平滑功率譜，保留FFT平滑功率譜中的所有極大值，其他非極大值點(diǎn)全部置0。
(4)再次從第M點(diǎn)到第N點(diǎn)掃描FFT平滑功率譜中的非零點(diǎn)，設(shè)第k點(diǎn)為當(dāng)前掃描非零點(diǎn)，k-1點(diǎn)為上一個(gè)掃描到的非零點(diǎn)，k+1為下一個(gè)掃描到的非零點(diǎn)。
(5)若第k點(diǎn)的幅度大于第k-1點(diǎn)和第k+1點(diǎn)的幅度，則不做處理，繼續(xù)掃描第k+1點(diǎn)，否則，依據(jù)第k點(diǎn)與最近非零點(diǎn)的距離做處理。如果第k點(diǎn)與最近非零點(diǎn)的距離小于K，則將第k點(diǎn)置零，否則，不作處理，繼續(xù)掃描第k+1點(diǎn)。
掃描完所有的點(diǎn)，得到FFT峰值功率譜G(n)。
3.2.2 窗口加權(quán)評(píng)估
對(duì)頻點(diǎn)x，如果在x和它的各次諧波頻點(diǎn)處構(gòu)建以其為對(duì)稱中心的凸函數(shù)形狀窗函數(shù)w(n-kx)，則可以形成如式(3)所示、與相關(guān)度類似的指標(biāo)。
本階段以上述指標(biāo)為依據(jù)，尋找E(x)的最大值，該處x即對(duì)應(yīng)最可能的索力基頻。
4 網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)
小體積、電池供電和無線通信的設(shè)計(jì)為本文索力計(jì)帶來部署便利性，但也使之能源受限。射頻模塊屬于索力計(jì)的大功耗單元，其上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)需要兼顧自組網(wǎng)和低功耗特性，避免索纜高處的索力計(jì)節(jié)點(diǎn)電池快速耗盡情況造成維護(hù)問題。
本文首先將無線索力計(jì)定義為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)，避免其承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)、路由等高開銷任務(wù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有高占空比射頻休眠狀態(tài)的自組織網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制如圖3。索力計(jì)通過此方式接入靈活部署的自組織網(wǎng)主干部分，實(shí)現(xiàn)常年連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
5 應(yīng)用與驗(yàn)證
本文研究團(tuán)隊(duì)2017年在泰安長(zhǎng)江大橋部署了無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，所用索力傳感器即本文設(shè)計(jì)的無線索力計(jì)。其在系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，索力測(cè)算值與理論值范圍相符，各索的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相互印證。圖4展示了2017年1月25日到3月5日期間該橋某跨6枚索力計(jì)上報(bào)的數(shù)據(jù)情況，所在區(qū)域2月20日到2月26日的大面積降雨積水影響在圖中體現(xiàn)為索力最大波動(dòng)區(qū)段，其余時(shí)段變化較平緩一致。
表1統(tǒng)計(jì)了同一跨段12根索的索力監(jiān)測(cè)值，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。從偏差情況可見，本文算法所得各索張力與相應(yīng)參考值偏差不超過3.7%，符合監(jiān)測(cè)應(yīng)用的工程需要。
6 結(jié)語
本文以Mega256rfr2射頻SOC及MEMS加速度傳感器等搭建了無線索力計(jì)平臺(tái)，在其上實(shí)現(xiàn)了索力算法嵌入和網(wǎng)絡(luò)接入優(yōu)化，軟硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)接入的穩(wěn)定性、內(nèi)嵌索力算法的準(zhǔn)確性均通過了實(shí)際工程驗(yàn)證。本文的索力計(jì)對(duì)于索力監(jiān)測(cè)具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
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