0 引言

    橋梁中承擔(dān)橋梁荷載的一個(gè)重要構(gòu)件是拉索，該構(gòu)件控制整個(gè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力分布，整座橋的應(yīng)力分布可以作為衡量結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的重要指標(biāo)^[1-3]。大地脈動(dòng)、風(fēng)雨等環(huán)境激勵(lì)引起的拉索振動(dòng)，以及在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中拉索遭受的損害都可能導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生改變，從而給大跨度結(jié)構(gòu)帶來(lái)災(zāi)難性后果。因此在工程施工期和運(yùn)營(yíng)期，都有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉索力的變化。拉索橋索力測(cè)量工程中，利用速度、加速度等傳感器對(duì)微弱振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的索力測(cè)量方法是目前廣泛使用的一類方法^[2-6]，但是該類方案中數(shù)據(jù)通信一般基于有線數(shù)據(jù)通信，尤其在一些大跨度橋梁的巡檢、中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中，有線數(shù)據(jù)通信的后期維護(hù)問(wèn)題日益突出。基于WiFi、ZigBee的無(wú)線索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要布線的缺陷，但是卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)低功耗大規(guī)模組網(wǎng)，且ZigBee還需要單獨(dú)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)才能接入互聯(lián)網(wǎng)^[4]。基于此，本文提出基于6LoWPAN的分布式索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用振動(dòng)法檢測(cè)橋梁拉索的振動(dòng)基頻并計(jì)算索力，最后利用IPV6快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了分布式遠(yuǎn)程索力監(jiān)測(cè)。

1 頻率法測(cè)量索力原理

    頻率法測(cè)量索力的基本原理是利用拉索自由振動(dòng)時(shí)其內(nèi)部應(yīng)力與頻率之間的關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量。一根能夠自由振動(dòng)的拉索，其自由振動(dòng)方程如下：

其中，F(xiàn)為內(nèi)部非實(shí)變應(yīng)力，m為每米拉索質(zhì)量質(zhì)量（假設(shè)質(zhì)量均勻），l為索的自由長(zhǎng)度，EI為抗彎剛度，n為振動(dòng)頻率的階數(shù)。式(2)的假設(shè)條件在很多應(yīng)用中存在誤差，另外，由于拉索垂度的影響，導(dǎo)致拉索在自由空間的3個(gè)維度上的頻譜表現(xiàn)不同。所以，該理論只能用做索力值的大致估算。毛幸全等^[8]考慮了垂度在基本振動(dòng)關(guān)系中的影響，引入垂度無(wú)量綱常數(shù)λ，利用最小二乘擬合索力實(shí)用計(jì)算公式：

2 基于6LoWPAN的振動(dòng)頻譜測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件體系可以分3層：第一層為布置在拉索上的基于6LoWPAN的MEMS加速度傳感器節(jié)點(diǎn)；第二層為由6LoWPAN 組成的Mesh網(wǎng)絡(luò)中的Router節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將若干節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并傳輸至遠(yuǎn)程云端；第三層為云端服務(wù)器，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)6LoWPAN連接Router節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)IPV6到IPV4的轉(zhuǎn)換，直接進(jìn)入Internet，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫連接。

2.2 加速度傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 加速度傳感器電路設(shè)計(jì)

    加速度傳感節(jié)點(diǎn)采用ST公司的MEMS加速度器件LIS344作為加速度傳感核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)分別如圖3、圖4所示。由于AD芯片內(nèi)置程控放大可達(dá)64倍，因此Z軸加速度的信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，只需要在加速度芯片的輸出信號(hào)端簡(jiǎn)單濾波即可獲得信噪比很高的信號(hào)。

2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

    拉索振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)加速度傳感器的低頻特性、靈敏度，對(duì)數(shù)據(jù)采集的速率、分辨率以及動(dòng)態(tài)范圍都有較高的要求。A/D轉(zhuǎn)換器采用1通道、24位轉(zhuǎn)換器ADS1255，采用標(biāo)準(zhǔn)4線SPI接口與CPU連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，如圖5所示。

2.2.3 基于6LoWPAN技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    6LoWPAN技術(shù)以精簡(jiǎn)IPv6為核心，使低功耗、小成本的傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠采用IP技術(shù)方便地連接到互聯(lián)網(wǎng)。協(xié)議棧模型如圖6所示。目前能夠較完整或全部支持6LoWPAN協(xié)議的開(kāi)源操作系統(tǒng)主要有加州大學(xué)伯克利分校的Tinyos系統(tǒng)和瑞典計(jì)算機(jī)研究院的Contiki系統(tǒng)，可較好地進(jìn)行學(xué)術(shù)研討和修改測(cè)試^[6-10]。本文基于當(dāng)前研究較為活躍的Contiki平臺(tái)開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)。

    各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池或者太陽(yáng)能供電，其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采用1節(jié)18650鋰離子電池供電，主芯片選用TI公司ARM Cortex-M3內(nèi)核的CC2538SF53，其內(nèi)部集成了工作頻率為2.4 GHz并符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)器。在低功耗外部中斷模式下，該芯片的待機(jī)電流僅為0.4 μA。為了增加節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)距離，系統(tǒng)外擴(kuò)了CC2592，本系統(tǒng)使用CC2538的PC4、PC5與PC6，實(shí)現(xiàn)CC2538對(duì)CC2592收發(fā)控制。

2.2.4 數(shù)據(jù)采集流程與數(shù)據(jù)傳輸策略

    在加速度測(cè)量中，需要較高的數(shù)據(jù)采樣率和較大的通信帶寬，而這種需求與6LoWPAN的低速率數(shù)據(jù)傳輸形成一個(gè)矛盾，尤其當(dāng)在一個(gè)應(yīng)用中布置大量節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通信壓力更大，因此有必要優(yōu)化數(shù)據(jù)采集流程，壓縮通信數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。一組有效的加速度原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮之后再進(jìn)行傳輸，可以有效降低通信數(shù)據(jù)量，提高通信效率及節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間。壓縮計(jì)算流程如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)部分：檢驗(yàn)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的性能指標(biāo)；將MEMS節(jié)點(diǎn)布置在拉索上進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)；將設(shè)計(jì)的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于6LoWPAN的分布式索力測(cè)量。

3.1 傳感器性能對(duì)比

    此對(duì)比根據(jù)加速度計(jì)檢定規(guī)程JJG233-19%標(biāo)準(zhǔn)中13進(jìn)行。該試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC等組成。

3.1.1 傳感器頻率響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)將MEMS節(jié)點(diǎn)和目前常用的電磁式傳感器、AD公司ADXL335系列MEMS加速度傳感器進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

3.1.2 空間串?dāng)_測(cè)試

    將量程設(shè)置為±2g，假設(shè)振動(dòng)臺(tái)是理想的，測(cè)量Y軸的加速度響應(yīng)(只存在Z軸振動(dòng))，LIS344和ADXL335測(cè)量結(jié)果見(jiàn)如表2。

    根據(jù)以下計(jì)算式計(jì)算軸間串?dāng)_：

3.2 武漢某橋?qū)嶋H測(cè)試

    測(cè)試對(duì)象為武漢某橋拉索，將節(jié)點(diǎn)布置在索上測(cè)試。圖9為節(jié)點(diǎn)的PCB，圖10為節(jié)點(diǎn)組裝后布置在索上的照片，圖11為MEMS節(jié)點(diǎn)的功率譜測(cè)量結(jié)果。

3.3 組網(wǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

    當(dāng)大量節(jié)點(diǎn)部署在橋梁上時(shí)，如果數(shù)據(jù)全部實(shí)時(shí)傳輸至云端，則會(huì)帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)通信壓力，因此結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮方案，對(duì)比不同傳輸策略下的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。通信時(shí)間T_t、平均待機(jī)時(shí)間T_a計(jì)算方法如下：

其中T_j為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間(1節(jié)18650電池電量3 000 mAh，充滿電后直至電壓將至3.5 V為存活時(shí)間)。表3為云端服務(wù)器輪詢MESH網(wǎng)絡(luò)耗費(fèi)的時(shí)間對(duì)比。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，由于直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要上傳的數(shù)據(jù)量龐大，因此耗時(shí)、耗能，設(shè)計(jì)不當(dāng)還會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)擁堵。數(shù)據(jù)壓縮策略帶來(lái)明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)，原因是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸之前利用較少的耗能進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，極大地減少了通信數(shù)據(jù)量，大量節(jié)省了通信時(shí)間，提高了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間。

4 結(jié)論

    本文首先論述頻率法測(cè)量橋梁拉索索力的原理，介紹了基于MEMS和6LoWPAN接入互聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)的整體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)拉索的分布式索力測(cè)試。結(jié)果表明，在基于6LowWPAN的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，利用MEMS加速度傳感器進(jìn)行索力測(cè)量，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良、低功耗在線監(jiān)測(cè)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電式加速度傳感器測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式索力監(jiān)測(cè)。

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作者信息:

李東明，胡亞斌，王永濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074)