基于4G的火車站穹頂質(zhì)量健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 磊，姜 曼，王 軍，朱 可

（1．蘇州科技大學(xué) 信息建設(shè)與管理中心，江蘇 蘇州 215009；2．蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

2015年南通西站內(nèi)東側(cè)建筑發(fā)生垮塌事故造成5人輕傷，引起社會重視。傳統(tǒng)火車站穹頂質(zhì)量監(jiān)控檢測利用單個傳感器檢測振動，并采用有線485通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器中心。傳統(tǒng)方式的不足：單個傳感器檢測物理信號有限，且采用485傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)常受到地形布線的限制，傳輸速率慢，采集速率低。針對這種不足，提出一種基于4G的多傳感器融合的火車站穹頂鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量健康監(jiān)測系統(tǒng)。

1 4G健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

4G健康監(jiān)測系統(tǒng)包含六部分：多融合傳感檢測、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、ARM中央處理器、4G無線傳輸、SD卡存儲、其他外設(shè)。振動、壓力和溫度傳感器多融合將火車站穹頂鋼結(jié)構(gòu)自然量轉(zhuǎn)換為微小電流或電壓信號[1-2]，經(jīng)過預(yù)處理電路對信號濾波放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至ARM中央處理器，ARM中央處理器在數(shù)據(jù)前加上幀頭幀尾通過簡化媒體獨(dú)立接口（RMII）將數(shù)據(jù)傳輸至4G無線傳輸模塊，再傳輸至目標(biāo)服務(wù)器[3-4]；同時ARM中央處理器也通過安全數(shù)字輸入輸出接口（SDIO）將數(shù)據(jù)存儲在SD存儲設(shè)備中留以備份[5-6]。其他外設(shè)包括電池管理模塊給整個設(shè)備提供電能；按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)工作模塊；LED燈提示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。

ARM中央處理器采用ST公司32位Cortex-M4 STM32F407控制芯片，主頻高達(dá)168 MHz，并具有DSP指令集，1 MB Flash和4 kb RAM。高達(dá)136個快速 I/O口，最高頻率84 MHz。STM32F4包含3個ADC，19個采集通道，可工作在獨(dú)立、雙重、三重模式[6-9]。采集數(shù)據(jù)精度可達(dá)12位，A/D轉(zhuǎn)換模式可運(yùn)行在單次、連續(xù)等其他多種模式，A/D轉(zhuǎn)換速度可達(dá)2．4 MHz。采集數(shù)據(jù)可按左、右對齊緩存在A/D寄存器中。處理器自帶DMA的MAC控制器，通過簡化介質(zhì)獨(dú)立接口（RMII）與外部LAN8720A物理層連接，LAN8720A通過網(wǎng)絡(luò)變壓器將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至4G無線模塊。壓力傳感器采用壓力變送器MIK-P300，輸出4～20 mA電流信號，振動傳感器采用ZM-YB40，同樣輸出4～20 mA電流信號，溫度變送器采用WZP-PT1000，當(dāng)溫度變化時，溫度變送器的內(nèi)阻值隨著溫度的變化而變化。4G無線模塊采用HIWY-G40模塊，其CPU采用聯(lián)發(fā)科MTK公司MT7628處理器，支持802．11b/g/n協(xié)議，與中央處理器采用差分網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用SD設(shè)備，STM32F4安全數(shù)字輸入輸出接口（SDIO）支持SD卡讀寫數(shù)據(jù)，可工作在三種不同的數(shù)據(jù)總線：1位（默認(rèn)）、4位和8位，讀寫速率快。此外按鍵和指示燈連接到STM32F4的I/O口上，由軟件控制。4G健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1 4G健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 傳感器信號采集硬件設(shè)計(jì)

壓力變送器MIK-P300和振動傳感器ZM-YB40輸出4～20 mA電流，經(jīng)過R7精密電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，輸入到第一級運(yùn)放電路，其輸入阻抗為0，可以大幅降低檢測電路的噪聲干擾。而溫度變送器WZPPT1000可看成可變電阻，一端連接VCC，一端與R7精密電阻相連構(gòu)成分壓電路，將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到第一級運(yùn)放電路。第二級為二階有源低通濾波器，用于去除轉(zhuǎn)換后電壓信號中的高頻噪聲，由運(yùn)放輸出的處理后的電壓信號可以直接傳輸至STM32F4中央處理器A/D采集端口，硬件設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 傳感器信號采集硬件設(shè)計(jì)

1.2 4G無線數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

STM32F4外接 LAN8720物理層（PHY）芯片完成以太網(wǎng)通信，LAN8720芯片可以通過RMII接口與STM32F4內(nèi)部MAC連接，TXD、RXD數(shù)據(jù)傳輸信號，TX_EN發(fā)送使能信號，CRS_DV接收數(shù)據(jù)有效信號，REF_CLK連續(xù)時鐘信號，為LAN8720芯片其它信號提供時序參考，LAN8720芯片經(jīng)過一個變壓器通過TXD、RXD差分線與4G無線模塊連接，硬件設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 4G無線數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

1.3 SD卡數(shù)據(jù)存儲硬件設(shè)計(jì)

STM32F4自帶SDIO控制器支持SD存儲卡，SDIO_CLK給SD卡信號提供時序參考，SDIO_CMD信號用于SD判斷寫入的是數(shù)據(jù)還是命令、SDIO_D[3：0]數(shù)據(jù)線與SD進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，連接示意圖如圖4。

圖4 SD卡數(shù)據(jù)存儲硬件設(shè)計(jì)

2 4G健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電工作，中央處理器STM32F4采集火車站穹頂各節(jié)點(diǎn)的傳感器的數(shù)據(jù)，一方面通過4G無線模塊傳輸至目標(biāo)服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理，如果超過預(yù)先設(shè)定的閾值就會向管理員示警，另一方面通過SDIO接口將傳感器數(shù)據(jù)存儲在SD設(shè)備中留以備用，軟件設(shè)置總流程圖如圖5。

圖5 軟件設(shè)計(jì)總流程圖

2.1 AD數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

初始化I/O引腳時鐘，并將ADC復(fù)用引腳設(shè)置工作在模擬輸入模式，然后設(shè)置ADC CCR寄存器，配置ADC采集頻率，工作在獨(dú)立模式。初始化ADC參數(shù)，設(shè)置ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換12位，數(shù)據(jù)存儲右對齊，然后開啟ADC轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)過幾個周期后讀取ADC的數(shù)值，系統(tǒng)采用10次取均值，增加數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定性，AD數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6。

2.2 4G無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先設(shè)置RMII接口的I/O引腳的時鐘，并且開啟復(fù)用模式，同時設(shè)置LAN8720工作參數(shù)，啟動輕型IP協(xié)議棧（LWIP），判斷有無開啟DHCP功能，如果開啟則獲取動態(tài)IP地址，否則設(shè)置靜態(tài)IP地址，然后建立TCP連接，同時與目標(biāo)服務(wù)器嘗試連接，連接服務(wù)器成功后檢測發(fā)送標(biāo)志位是否有效，當(dāng)標(biāo)志位有效將發(fā)送數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)服務(wù)器IP，流程圖如圖7。

圖6 AD數(shù)據(jù)采集流程圖

圖7 4G無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.3 SD卡數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F4系列內(nèi)部SDIO硬核接口，首先初始化SDIO的I/O引腳時鐘，然后設(shè)置其工作在SDIO復(fù)用模式下，上電后先等待75個時鐘頻率周期，完成后向SD設(shè)置CMD0命令對SD卡進(jìn)行復(fù)位，之后設(shè)置CMD8命令激活卡設(shè)備，獲取設(shè)備類型，設(shè)置ACMD41確認(rèn)設(shè)備的操作電壓，SD設(shè)備初始化結(jié)束后，通過 CMD7命令，選中SD設(shè)備，并對 SD設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，SD設(shè)備數(shù)據(jù)存儲流程圖如圖8。

圖8 SD卡數(shù)據(jù)存儲流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

前端采集裝置如圖9節(jié)點(diǎn)采集裝置前面板圖、圖10節(jié)點(diǎn)采集裝置后面板圖所示，前面板包含電源接口、通訊接口以及10路傳感器輸入端口；后面板包括4G卡槽、天線接口、SD卡卡槽以及6個狀態(tài)指示燈。打開檢測系統(tǒng)軟件，出現(xiàn)如圖11登錄界面，輸入用戶名和密碼，進(jìn)入圖12數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面，從圖中用戶可以實(shí)時觀察檢測節(jié)點(diǎn)各參數(shù)，為后續(xù)繪制3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖提供實(shí)時數(shù)據(jù)，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，快速示警通知管理員。

圖9 采集裝置前面板圖

圖10 采集裝置后面板圖

圖11 登錄界面圖

圖12 數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面

4 結(jié)語

采用4G無線傳輸有效避免了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的布線限制，且傳輸速率比2G更快。在火車站穹頂關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處放置多傳感器健康檢測系統(tǒng)，實(shí)時檢測建筑狀態(tài)，降低人工高空檢測維護(hù)安全隱患，為大型建筑的質(zhì)量健康檢測提供了一個新的方向。