傳感器接口標準在橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測中的應用設計*

李云飛, 周 揚, 張 飛, 武金模

(1.清華大學合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230036；2.安徽辰控智能科技有限公司,安徽 合肥 230036)

0 引 言

橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測是一項規(guī)模大、復雜性高的綜合性系統(tǒng)工程，為了實現(xiàn)對橋梁健康狀態(tài)進行監(jiān)測、對潛在危險預警，需要部署大量傳感器系統(tǒng)用以采集包括橋梁振動、位移、應變、壓力、溫濕度等各種狀態(tài)參數(shù)[1,2]。通過各種傳感器的優(yōu)化布設，可以提高橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和靈活性[3]。然而，由于涉及傳感器種類多、接口形式不統(tǒng)一，使得橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)集成和更新維護極為不便，因此需要一種統(tǒng)一的、標準化的傳感器接口技術來提高系統(tǒng)的一致性、可維護性和可擴展性。本文對橋梁健康狀態(tài)系統(tǒng)傳感器接口進行標準化設計，測試結果表明，系統(tǒng)接口標準化后擴展性、維護性較好。

1 傳感器接口標準

傳感器接口作為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的重要技術單元，解決感知層的信息接入問題。國內(nèi)外相關機構特別是標準組織，針對傳感器接口的標準化展開了研究[4～8]。

在國家傳感器網(wǎng)絡標準工作組(working group of sensor network,WGSN)的領導下，我國于2009年開始對傳感器接口相關數(shù)據(jù)模型和交互協(xié)議進行研究[9]，并研制了具有自主知識產(chǎn)權的傳感器接口標準GB/T 30269.701和GB/T 30269.702[10,11]。前者為傳感器信號接口標準，其規(guī)定了傳感器與傳感節(jié)點之間信號接口的信號類型、電氣參數(shù)及表述格式，旨在解決傳感器互換和即插即用問題，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層到網(wǎng)絡層的無縫接入；后者為傳感器數(shù)據(jù)接口標準，其對傳感器信息編碼、傳感節(jié)點數(shù)據(jù)描述和傳感節(jié)點數(shù)據(jù)交互協(xié)議等內(nèi)容進行規(guī)范，旨在解決上層網(wǎng)絡或應用系統(tǒng)對各種傳感節(jié)點的識別、訪問和配置等問題，其意義在于以統(tǒng)一的方式實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的跨平臺訪問和共享。

兩個標準在傳感系統(tǒng)中的層次結構和相互關系如圖1所示。

圖1 傳感器接口標準層次結構和相互關系

2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)需要對橋梁全長度關鍵部位的狀態(tài)參數(shù)進行采集并融合計算處理，由于橋梁狀態(tài)多點監(jiān)測的固有特性，橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用分布—集中式采集結構，其系統(tǒng)架構如圖2所示。多個橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端分布在橋梁的不同部位，每個采集終端連接多個不同類型傳感器采集橋梁狀態(tài)參數(shù)。橋梁監(jiān)測綜合主機通過數(shù)據(jù)總線與每個橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端進行通信，對采集終端進行管理，匯集每個采集終端發(fā)送的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫服務器。

圖2 橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構

3 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)標準化設計

3.1 橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端標準化設計

在硬件結構上，橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端分為通信母板和信號接口適配子板，兩部分通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)接口進行連接通信。通信母板可采用通用的網(wǎng)絡通信模塊。作為標準化設計的關鍵部分，信號接口適配子板主要包括微控制器單元(microcontroller unit,MCU)模塊、電源管理模塊、通信模塊、存儲模塊和傳感器接口調(diào)理模塊等5個部分，如圖3所示。依據(jù)傳感器信號接口標準GB/T 30269.701的要求對傳感器接口調(diào)理模塊進行設計，包括模擬信號調(diào)理電路和數(shù)字通信接口，實現(xiàn)對各種模擬型傳感器，開關型傳感器和數(shù)字總線型傳感器的適配接入。圖4為電壓型輸入接口調(diào)理電路，INA326為運算放大器。

圖3 信號接口適配子板硬件構成

圖4 電壓型輸入接口調(diào)理電路

在軟件設計上，橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端嵌入式軟件采用模塊化低耦合設計思想，其包括傳感器接入檢測、傳感器接口描述讀取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、基礎通信等多個軟件模塊，如圖5所示。

圖5 橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端嵌入式軟件結構

依據(jù)GB/T30269.701對信號接口的規(guī)范要求，構建了標準的信號接口描述文件并保存在內(nèi)部存儲器中，設計了信號接口描述數(shù)據(jù)結構、解碼模塊和信號接口匹配模塊，其中信號接口描述數(shù)據(jù)結構定義了橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端各個采集通道的信號接口參數(shù)，解碼模塊以GB/T 30269.701規(guī)定的格式對采集終端和所接傳感器的信號接口描述信息進行解析提取相關信號接口參數(shù)，信號接口匹配模塊對提取的信號接口參數(shù)進行對比計算以判斷所接傳感器與所接采集終端通道是否匹配。依據(jù)GB/T30269.702關于數(shù)據(jù)接口描述文件和交互協(xié)議的要求，設計了橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端通信協(xié)議棧，包括數(shù)據(jù)接口描述信息結構、解碼模塊、標準數(shù)據(jù)包構造模塊、標準數(shù)據(jù)包解析模塊和基礎通信模塊等，其中數(shù)據(jù)接口描述信息結構定義了橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端的ID識別號、通道編碼、轉換映射關系等信息，數(shù)據(jù)接口描述解碼模塊以標準格式對采集終端的數(shù)據(jù)接口信息進行解析提取數(shù)據(jù)接口參數(shù)，標準數(shù)據(jù)包構造和解析模塊按照標準交互通信協(xié)議進行通信數(shù)據(jù)幀構造解析工作。

3.2 橋梁監(jiān)測綜合主機標準化設計

橋梁監(jiān)測綜合主機硬件可以采用高性能工業(yè)控制計算機，軟件設計和實現(xiàn)是橋梁監(jiān)測綜合主機研發(fā)的主要內(nèi)容。

為了實現(xiàn)傳感器接口標準化的同時又不失通用性和靈活性，橋梁監(jiān)測綜合主機在軟件整體架構上分系統(tǒng)調(diào)用層、中間層和應用層，如圖6所示。系統(tǒng)調(diào)用層主要功能是調(diào)用操作系統(tǒng)底層應用編程接口(application programming interface,API)來驅動通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。應用層主要功能是獲取橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)進行計算、分析、預警和顯示。中間層是實現(xiàn)傳感器接口標準化的關鍵，位于系統(tǒng)調(diào)用層傳和應用層之間，其依據(jù)GB/T30269.702關于傳感節(jié)點通信協(xié)議的規(guī)范，向下需要實現(xiàn)與橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端的通信，從而獲取或配置參數(shù)并讀取橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，向上為上層應用軟件提供采集終端數(shù)據(jù)編碼獲取和解析的服務，使得采集終端對于上層應用軟件是透明的，這樣上層應用軟件可以更專注于各項功能策略的實現(xiàn)。根據(jù)GB/T 30269.702關于通信協(xié)議的規(guī)范要求，中間層提供移除采集終端參數(shù)函數(shù)族、讀取采集終端參數(shù)函數(shù)族、配置采集終端參數(shù)函數(shù)族和讀取采集終端傳感數(shù)據(jù)函數(shù)族等四類函數(shù)。

圖6 橋梁監(jiān)測綜合主機軟件架構

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

采用通用的工業(yè)控制計算機作為橋梁監(jiān)測綜合主機的硬件平臺，其通過以太網(wǎng)與橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端的通信母板進行連接，采集終端信號接口適配子板的其中兩個通道分別連接振動傳感器和應變傳感器。搭建的測試系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 實現(xiàn)的測試系統(tǒng)實物

基于LabVIEW編程環(huán)境開發(fā)的橋梁健康狀態(tài)參數(shù)采集測試軟件作為應用層軟件運行在橋梁監(jiān)測綜合主機上。中間層軟件通過C/C++語言編程實現(xiàn)，橋梁健康狀態(tài)參數(shù)采集測試軟件利用LabVIEW開發(fā)環(huán)境嵌入的C/C++語言接口調(diào)用中間層軟件提供的標準接口函數(shù)，實現(xiàn)橋梁狀態(tài)參數(shù)如振動和應變等數(shù)據(jù)的獲取，測試軟件運行界面如圖8所示。

圖8 橋梁健康狀態(tài)參數(shù)采集測試軟件界面

5 結 論

本文對傳感器接口標準GB/T30269.701和GB/T30269.702的內(nèi)容進行了解析，在提出的“分布—集中”式橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構基礎上，對橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行傳感器接口標準化設計，實現(xiàn)了符合傳感器接口標準的橋梁狀態(tài)參數(shù)采集終端和橋梁監(jiān)測綜合主機。所搭建的測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，具有較好可擴展性和可維護性。