文獻標識碼： 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)測系統(tǒng)無線索力計的設計及應用[J].電子技術應用，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,，我國橋梁勞損加速，結構病害的發(fā)生幾率與惡化風險顯著提高[1,，2],，運營安全保障工作日漸繁重,。對橋梁結構展開監(jiān)測，實現(xiàn)異常預警,、病害識別跟蹤,、損傷評估等功能，其帶來的安全效益受到重視[3],。對于斜拉橋,、系桿拱橋等索結構橋，索的拉張狀況具有決定交通承載力和結構穩(wěn)定度的關鍵意義,，但相對外露易受損傷,，又不便日常巡檢，因此對其展開索監(jiān)測意義更加顯著,。舊金山的金門大橋[4]、韓國Jindo雙橋[5],，以及國內(nèi)無錫蓉湖橋,、南通新江海河橋等[6]先后實施了此類監(jiān)測。但以上系統(tǒng)中索監(jiān)測設備在體積,、功耗,、網(wǎng)絡靈活性等方面存在各自的不足，應用推廣還有待進一步優(yōu)化提升,。
頻率法測索力是以上索監(jiān)測采用的典型方法[7],，但原始數(shù)據(jù)多，現(xiàn)場采集配合遠程分析的使用模式面臨線纜供電不可靠,、無線通信與網(wǎng)絡部署開銷高等問題,。本文提出的監(jiān)測用無線索力計通過硬件和基本系統(tǒng)低功耗化，將索頻算法嵌入設備內(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，增強了橋索監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性,。
1 系統(tǒng)整體結構
整體系統(tǒng)的設計主要由硬件設計,、索力檢測算法設計、網(wǎng)絡接入設計三大部分組成,。
系統(tǒng)的硬件部分結構示意圖如圖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，其與硬件適配構成了低功耗無線網(wǎng)絡化的傳感平臺,，采集控制,、索力分析,、數(shù)據(jù)輸出依托其上。
2 硬件系統(tǒng)設計
本索力計選擇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)絡協(xié)議棧運行提供支持,；低至2 μW的休眠功耗及動態(tài)可調(diào)的運行頻率,，則使設備具備低功耗長續(xù)航基礎條件；片內(nèi)集成的IEEE802.15.4射頻收發(fā)機擁有100 dB以上充裕的鏈路預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,。
振動頻率采集單元采用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800 Hz,，確保覆蓋索力監(jiān)測頻段的5倍以上量程；±8g的最大測量范圍和250 μg最佳分辨率滿足橋索不同振動強度時的監(jiān)測需要,；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存儲芯片AT45DB641E,，使本索力計可存儲一定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，必要時可導出供第三方工具分析研究,。
3 嵌入式索力算法設計實現(xiàn)
3.1 頻率法理論模型[8-10]
頻率法測量索力首先利用傳感系統(tǒng)采集的振動數(shù)據(jù),，再對這些原始數(shù)據(jù)進行分析和處理、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系推算出索力,。
索振動方程如下：
式中，fn是第n階固有頻率,。除fn以外,，其他參數(shù)均已由設計和施工材料給出，測得fn及其階數(shù)即可推算出索力值,。
3.2 索力采集分析設計
本文索力計測量索力在選取最優(yōu)軸,、完成振動采樣頻率校準的基礎上，主要通過峰值提取和窗口加權評估兩個階段分析獲取索力,。
3.2.1 峰值提取
本階段主要目的是對振動FFT功率譜進行信息提取,，去掉對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的峰值,，以便之后進一步進行基頻提取,。主要步驟如下：
(1)設置特殊參數(shù)M，F(xiàn)FT功率譜點數(shù)為2N時,，M的取值在[1,，2log2N]之間可調(diào),。
(2)對FFT功率譜進行滑動平均處理，得到平滑功率譜,?；瑒悠骄幚硭〉拇翱趯挾葹?～20個頻點。
(3)將平滑功率譜的前M點直接置零,。從第M點到第N點掃描FFT平滑功率譜,，保留FFT平滑功率譜中的所有極大值，其他非極大值點全部置0,。
(4)再次從第M點到第N點掃描FFT平滑功率譜中的非零點,，設第k點為當前掃描非零點，k-1點為上一個掃描到的非零點,，k+1為下一個掃描到的非零點,。
(5)若第k點的幅度大于第k-1點和第k+1點的幅度，則不做處理,，繼續(xù)掃描第k+1點,，否則，依據(jù)第k點與最近非零點的距離做處理,。如果第k點與最近非零點的距離小于K，則將第k點置零,，否則,，不作處理，繼續(xù)掃描第k+1點,。
掃描完所有的點,，得到FFT峰值功率譜G(n)。
3.2.2 窗口加權評估
對頻點x,，如果在x和它的各次諧波頻點處構建以其為對稱中心的凸函數(shù)形狀窗函數(shù)w(n-kx),，則可以形成如式(3)所示、與相關度類似的指標,。
本階段以上述指標為依據(jù),，尋找E(x)的最大值，該處x即對應最可能的索力基頻,。
4 網(wǎng)絡接入設計
小體積,、電池供電和無線通信的設計為本文索力計帶來部署便利性，但也使之能源受限,。射頻模塊屬于索力計的大功耗單元,，其上網(wǎng)絡協(xié)議設計需要兼顧自組網(wǎng)和低功耗特性，避免索纜高處的索力計節(jié)點電池快速耗盡情況造成維護問題,。
本文首先將無線索力計定義為監(jiān)測網(wǎng)絡的末端節(jié)點,，避免其承擔轉(zhuǎn)發(fā),、路由等高開銷任務。在此基礎上設計具有高占空比射頻休眠狀態(tài)的自組織網(wǎng)絡接入機制如圖3,。索力計通過此方式接入靈活部署的自組織網(wǎng)主干部分,，實現(xiàn)常年連續(xù)的監(jiān)測。
5 應用與驗證
本文研究團隊2017年在泰安長江大橋部署了無線智能傳感器網(wǎng)絡進行結構監(jiān)測,，所用索力傳感器即本文設計的無線索力計,。其在系統(tǒng)中運行穩(wěn)定，索力測算值與理論值范圍相符,，各索的數(shù)據(jù)變化趨勢相互印證,。圖4展示了2017年1月25日到3月5日期間該橋某跨6枚索力計上報的數(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)為索力最大波動區(qū)段,，其余時段變化較平緩一致,。
表1統(tǒng)計了同一跨段12根索的索力監(jiān)測值，并與設計值進行對比,。從偏差情況可見,，本文算法所得各索張力與相應參考值偏差不超過3.7%，符合監(jiān)測應用的工程需要,。
6 結語
本文以Mega256rfr2射頻SOC及MEMS加速度傳感器等搭建了無線索力計平臺,，在其上實現(xiàn)了索力算法嵌入和網(wǎng)絡接入優(yōu)化，軟硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡接入的穩(wěn)定性,、內(nèi)嵌索力算法的準確性均通過了實際工程驗證,。本文的索力計對于索力監(jiān)測具有較大的應用價值。
參考文獻
[1] 王太.交通運輸部專題新聞發(fā)布會文字實錄[EB/OL].(2015-02-26)[2015-02-26].http：//www.moc.gov.cn/zhuzhan/wangshangzhibo/2015zhuanti2/wenzishilu/.
[2] 中華人民共和國交通運輸部綜合規(guī)劃司.2013年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].(2014-05-13)[2014-05-13].http：//www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.
[3] 赫爾穆特文策爾.橋梁健康監(jiān)測[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,，2014.
[4] KIM S,，PAKZAD S，CULLER D,，et al.Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks[C].Proceedings of the 6th International Conference n Information Processing in Sensor Networks,，New York，NY,，USA：ACM,，2007：254-263.
[5] CHO S，JO H,，JAN S,，et al.Structural health monitoring of a cable-stayed bridge using smart sensor technology：deployment and evaluation[J].Smart Structures and Systems，2010,，6(6)：439-459.
[6] 費曉天.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡可靠傳輸設計[D].北京：清華大學,，2013.
[7] 徐郁峰，蘇成,，陳兆栓,，等.頻率法索力測量的參數(shù)靈敏度概率分析[J].中外公路,，2010(4)：132-136.
[8] 蘇成，郭奮濤,，徐郁峰.斜拉橋索力測量的可靠度研究[J].橋梁建設,，2009(6)：27-30，36.
[9] 張宇鑫.大跨度張弦梁結構索力檢測方法研究[D].上海：同濟大學,，2006.
[10] 朱金國,，陳宣民.頻率法測定拉索索力[J].安徽建筑，2003(2)：84-85.
作者信息：
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 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.瀘州市交通運輸局,，四川 瀘州646000）