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、風(fēng)雨等環(huán)境激勵(lì)引起的拉索振動，以及在橋梁的運(yùn)營過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)帶來災(zāi)難性后果。因此在工程施工期和運(yùn)營期，都有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測拉索力的變化。拉索橋索力測量工程中，利用速度、加速度等傳感器對微弱振動進(jìn)行測量的索力測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、中長期監(jiān)測中，有線數(shù)據(jù)通信的后期維護(hù)問題日益突出。基于WiFi、ZigBee的無線索力監(jiān)測系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)現(xiàn)場測量需要布線的缺陷，但是卻無法實(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)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用振動法檢測橋梁拉索的振動基頻并計(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。

1 頻率法測量索力原理

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

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為索的自由長度，EI為抗彎剛度，n為振動頻率的階數(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關(guān)系中的影響，引入垂度無量綱常數(shù)λ，利用最小二乘擬合索力實(shí)用計(jì)算公式：

2 基于6LoWPAN的振動頻譜測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    監(jiān)測系統(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，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲。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軸加速度的信號調(diào)理設(shè)計(jì)得以簡化，只需要在加速度芯片的輸出信號端簡單濾波即可獲得信噪比很高的信號。

2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

    拉索振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度，對數(shù)據(jù)采集的速率、分辨率以及動態(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)研討和修改測試^[6-10]。本文基于當(dāng)前研究較為活躍的Contiki平臺開展研究，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)。

    各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池或者太陽能供電，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)測量點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于6LoWPAN的分布式索力測量。

3.1 傳感器性能對比

    此對比根據(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)測試系統(tǒng)由振動臺、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305、信號放大器、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)行對比，對比結(jié)果見表1。

3.1.2 空間串?dāng)_測試

    將量程設(shè)置為±2g，假設(shè)振動臺是理想的，測量Y軸的加速度響應(yīng)(只存在Z軸振動)，LIS344和ADXL335測量結(jié)果見如表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測試

    測試對象為武漢某橋拉索，將節(jié)點(diǎn)布置在索上測試。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)的功率譜測量結(jié)果。

3.3 組網(wǎng)測試實(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，則會帶來巨大的數(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)間對比。從實(shí)測數(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)還會引起網(wǎng)絡(luò)擁堵。數(shù)據(jù)壓縮策略帶來明顯的時(shí)間優(yōu)勢，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)場拉索的分布式索力測試。結(jié)果表明，在基于6LowWPAN的物聯(lián)網(wǎng)平臺上，利用MEMS加速度傳感器進(jìn)行索力測量，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良、低功耗在線監(jiān)測和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電式加速度傳感器測量方案，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式索力監(jiān)測。

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作者信息:

李東明，胡亞斌，王永濤

(中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 自動化學(xué)院，湖北 武漢430074)