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橋梁作為市政交通基礎設施，其健康狀態(tài)與城市交通發(fā)展、市民安全出行存在密切關聯(lián)。本文從介紹系統(tǒng)的整體設計方案入手，圍繞主控模塊、GPRS通信電路、傳感器模塊、系統(tǒng)電源電路四個層面，針對橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的硬件模塊進行了具體設計，并探討了系統(tǒng)運行測試的結(jié)果，以供參考。
　　【關鍵詞】橋梁健康狀態(tài);在線監(jiān)測系統(tǒng);預警模塊
　　近年來城市化與交通運輸事業(yè)發(fā)展促使路橋工程建設規(guī)模日漸擴大，橋梁的質(zhì)量問題對于施工階段與后續(xù)使用階段具有關鍵影響。通常橋梁基礎、橋墩、支座等部位的受力與變形情況較為復雜，因此需在施工階段完善健康監(jiān)測系統(tǒng)的布設，在線獲取健康狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)揮預警功能、實現(xiàn)及時運維，保障橋梁質(zhì)量安全。
　　1、系統(tǒng)設計方案
　　1.1節(jié)點架構(gòu)設計
　　基于多節(jié)點形式進行橋梁監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計，綜合考慮橋梁在使用過程中存在的受力、變形、振動、應變等具體狀態(tài)，由各節(jié)點獨立承擔獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能，借助GPRS與云服務器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳，并利用遠程計算機、移動端APP訪問云服務器，將獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)值進行對比分析，以此評判橋梁的健康狀態(tài)，并在出現(xiàn)質(zhì)量安全問題時做到及時預警。采用 軟件平臺進行遠程計算機監(jiān)測系統(tǒng)設計，基于Ubuntu系統(tǒng)、Python語言與PYQT框架完成QY監(jiān)測軟件的建構(gòu)，形成計算機系統(tǒng)的監(jiān)測模塊。
　　基于節(jié)點劃分原則將橋梁監(jiān)測預警系統(tǒng)劃分為三部分：其一是信息采集模塊，由ADXL345加速度傳感器、應力傳感器、DHT-11溫濕度傳感器、WFS-1風速傳感器4個節(jié)點組成;其二是信號傳輸與網(wǎng)絡傳輸模塊，由ATMega2560微處理芯片、GPRS/GPS模塊2個節(jié)點組成;其三是云服務與數(shù)據(jù)處理模塊，由 云平臺、手機APP、遠程監(jiān)測計算機3個節(jié)點組成，其中遠程監(jiān)測計算機包含本地數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化顯示模塊[1]。
　　1.2功能模塊規(guī)劃
　　在功能模塊設計方面，信號采集模塊依靠四項傳感器采集橋梁運行狀態(tài)下的加速度、應力、溫濕度與風速數(shù)據(jù);信號處理與網(wǎng)絡傳輸模塊利用主控板實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的集成，針對采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理，定位節(jié)點獲取到精確的 時間，并將數(shù)據(jù)傳輸至云服務器端，起到遠程監(jiān)測功能;云服務與數(shù)據(jù)處理模塊主要利用計算機或移動智能設備獲取下載監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡模型、算法進行數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果進行可視化呈現(xiàn)、提供預警服務，并存儲至數(shù)據(jù)庫中供相關人員進行查詢。
　　2、橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的具體設計探討
　　2.1系統(tǒng)硬件設計
　　2.1.1主控模塊
　　主控模塊用于實現(xiàn)監(jiān)測預警系統(tǒng)模塊架構(gòu)的整體搭建，主要包含以下三要素：其一是單片機，基于Mega2560開發(fā)板、USB接口完成 Mega2560單片機與核心電路板的開發(fā)設計，用于控制信號采集模塊的四種傳感器，采集橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，并利用遠程計算機、 云服務器完成數(shù)據(jù)分析處理、存儲與顯示;其二是復位電路，利用復位功能實現(xiàn)對單片機運行過程的保護作用，既能夠用于實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，同時還能夠在系統(tǒng)程序運行錯誤時實現(xiàn)單片機的復位;其三是晶振電路，為單片機提供時鐘信號，供其執(zhí)行軟件程序操作，保障單片機時序電路的正常運轉(zhuǎn)。
　　2.1.2 GPRS通信電路
　　選取 GPRS模塊將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行上傳，將其工作電壓設為 ，將 接口與 接口與主控單元對應接口相連，并基于串口通信方式將 接口、 接口與 Mega2560的接口13、接口15相連，實現(xiàn)與主控單元間的數(shù)據(jù)傳輸，完成GPRS通信電路設計。
　　2.1.3傳感器模塊
　　選用 加速度傳感器、 應力傳感器、 溫濕度傳感器與 風速傳感器完成傳感器模塊的設計，分別用于測量橋梁的振動、應變、溫濕度、風速等參數(shù)。其中 加速度傳感器是一款超低功耗、3軸加速度計，在測量狀態(tài)下的功耗為 、待機狀態(tài)下功耗僅為 ，采用數(shù)字型輸出模式與 位二進制補碼，可利用 通信接口或 數(shù)字接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，具有體積小、質(zhì)地輕薄特點; 應力傳感器為電阻式壓力傳感器，基于感測區(qū)域接收到的壓力值，將其轉(zhuǎn)化為電阻值形式，進而由此生成測量信息，具有敏感度高、抗干擾性能強、可實現(xiàn)動態(tài)檢測、成本低等性能優(yōu)勢; 溫濕度傳感器采用數(shù)字型輸出口，基于數(shù)字采集、溫濕度傳感技術(shù)輸出 位數(shù)字信號，并選取電容式感濕元件與 型測溫元件完成硬件部分設計，實現(xiàn)與單片機的直接通信; 風速傳感器選取 、 兩種供電方式，可實現(xiàn)脈沖、模擬電流、模擬電壓、 數(shù)字傳輸?shù)榷喾N輸出方式，具有檢測精確、抗氧化、抗電磁干擾等性能優(yōu)勢[2]。
　　2.1.4系統(tǒng)電源電路
　　該系統(tǒng)采用  單片機與USB接口直接供電方式，利用電源適配器可將其與計算機、220V市電間進行直接連接，選取DC插頭與主控電路 插座進行直接連接，完成系統(tǒng)電源電路的設計。
　　2.2系統(tǒng)運行測試
　　采用 編輯器進行橋梁監(jiān)測預警系統(tǒng)的測試，用戶可直接利用開發(fā)的QY監(jiān)測軟件訪問云服務器，獲取控制單元檢測到的傳感器數(shù)據(jù)，實時掌握橋梁的健康狀態(tài)信息。在啟動QY監(jiān)測軟件后，將呈現(xiàn)出直觀的傳感器節(jié)點列表，供用戶點擊任意節(jié)點、跳轉(zhuǎn)到相應的傳感器節(jié)點界面，并顯示出橋梁的撓度、振動、風速參數(shù)，實現(xiàn)對橋梁運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。同時，該軟件將獲取到的傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)進行算法分析，利用折線圖控件展現(xiàn)出傳感器數(shù)據(jù)的歷史變化趨勢;當用戶切換至地圖界面時，軟件將為用戶提供任一節(jié)點所處的地理位置區(qū)域，供用戶定位橋梁節(jié)點所處定位;當用戶切換至橋梁運行狀態(tài)界面時，可通過觀察餅狀圖掌握橋梁的運行狀態(tài)，分別表現(xiàn)為“正常狀態(tài)”、“待維修”與“危險”三種類型;在用戶退出軟件后，該程序在后臺仍與 服務器間建立通信傳輸關系，用于實現(xiàn)橋梁運行狀態(tài)的實時更新，當檢測到狀態(tài)數(shù)據(jù)超出設定閾值時，即會自動觸發(fā)報警裝置，基于 機制通知用戶出現(xiàn)異常狀態(tài)信息，以此發(fā)揮在線監(jiān)測與有效預警功能。
　　結(jié)論：
　　本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行了橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的設計，選取傳感器布設在相應節(jié)點實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的有效采集，配合無線通信技術(shù)完成組網(wǎng)與上傳，通過訪問云服務端掌握橋梁健康狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，并基于標準值偏差觸發(fā)報警功能，實現(xiàn)橋梁質(zhì)量安全問題的有效預警，進一步提升橋梁維護效率。