基于LoRaTM 的高架橋體質量安全監(jiān)測系統設計

姜其敏

(南京信息工程大學自動化學院,江蘇 南京210044)

1 概述

2019 年無錫市跨橋由于汽車超載導致橋面?zhèn)确l(fā)社會關注。技術日新月異的變革,在高架橋體安裝實時檢測系統以成為可能。在此之前橋體監(jiān)控是通過敏感元件如電阻應變片,振弦式應變計等將被測量轉化為電學量,再通過專業(yè)的儀器測量記錄。傳統方式有以下不足：①敏感元件可以檢測的被測量有限,②采用專門的儀器記錄并不能做到實時檢測,示警及時。針對這種不足,提出基于LoRaTM多檢測的高架橋體質量監(jiān)測系統。

2 高架橋體監(jiān)測系統總體設計

高架橋體監(jiān)測系統包含2 部分：網關和節(jié)點,其中節(jié)點包含多種信號檢測、AD、ARM嵌入式、LoRaTM傳輸、其他外設；網關包含ARM、LoRaTM傳輸、SD 卡和4G 模塊,如圖1。振動檢測、溫度檢測和壓力傳感器將高架橋體的關鍵節(jié)點自然量轉化為電信號,通過預處理電路再經過AD,自然量被轉換為ARM數字量[1],再通過LoRaTM模塊將數據傳輸至網關,網關將附近節(jié)點采集到的數據匯總通過4G 傳輸至遠程服務器；同時也通過SDIO 接口將數據存儲在SD 卡中[2-3]。按鍵模塊設置系統工作模塊；LED 燈提示系統當前工作狀態(tài)。

圖1 高架橋體監(jiān)測系統總體設計框圖

3 高架橋體監(jiān)測系統硬件設計

高架橋體監(jiān)測系統節(jié)點處理器考慮到需要低功耗,所以采用32 位Cortex-M0+ STM32L051,主頻高達32MHz,64KB Flash、2KB EEPROM、8KB RAM,有多個高速IO 口。STML051的采集數據精度可達12bit,A/D 速度可達1.14 MSPS。網關部分ARM 采用Cortex-M4 STM32F407, 并通過4G 模塊將數據傳送出[4]。4G 模塊采用了MTK 公司MT7628,該模塊支持802.11 多種協議。STM32F407 SDIO 接口持對SD 卡讀寫校驗數據,工作在8 位數據模式,提高讀寫速率。LoRaTM無線模塊采用安信可的RA06 模塊[5],串口控制降低開發(fā)難度,提供開發(fā)效率。高架橋體監(jiān)測系統硬件設計框圖如圖2。

圖2 高架橋體監(jiān)測系統硬件設計框圖

3.1 傳感器信號采集硬件設計

傳感器信號采用多級放大。1 級運放,2 級為濾波。電流轉電壓采集,0 阻抗所以檢測電路對電流型傳感器影響小。將轉換信號的高頻噪聲去除,然后傳輸到A/D 口,原理如圖3。

圖3 傳感器信號采集硬件設計

3.2 LoRa 無線數據傳輸硬件設計

節(jié)點向網關無線傳輸采用LoRa 調制技術,硬件采用安信可公司RA06 模塊,采用串口直接與STML051 低功耗處理器相連[6]。

3.3 4G 無線數據傳輸硬件設計

以太網通信是利用STMF407 外接LAN8720 物理層(PHY)完成的,將RMII 與STMF407 內核連接,TX_EN 端口使能引腳,TXD、RXD 差分輸出信號,當接收數據有效,CRS_DV 信號變化,REF_CLK 提供時需參考,LAN8720 芯片沒有變壓器,所有采用變壓器通過TXD、RXD 連接4G 模塊,硬件設計圖如圖4。

圖4 4G 無線數據傳輸硬件設計

3.4 SD 卡數據存儲硬件設計

SD 存儲卡依托STMF407 自帶的SDIO 控制器,時序信號由SDIO_CLK 提供,SDIO_CMD 信號用于SD 判斷寫入的是數據還是命令,SDIO_D[3：0]數據線進行數據交互。

4 高架橋體監(jiān)測系統軟件設計

系統初始化,高架橋體傳感器采集物料信號并轉換,并通過LoRa 傳至目標網關,網關通過4G 無線傳出,服務器接收到數據寫入數據庫,前端軟件判斷,發(fā)現異常發(fā)送報警信號,另一方面用SD 卡設備存儲數據以備分析,軟件設置總流程圖如圖5。

圖5 軟件設計總流程圖

4.1 AD 數據采集軟件設計

初始化ADC 時鐘,設置ADC 復用寄存器、ADC CCR 寄存器、ADC 采集頻率寄存器,等ADC 相關寄存器。初始化ADC,12位的數據轉換,右對齊數據。接著開啟ADC 轉換,讀取一次ADC 的數值,軟件采用多次取均值進行數據濾波。

4.2 4G 無線數據傳輸軟件設計

系統初始化,設置I/O 復用時鐘,同時初始化LAN8720,LWIP,啟用DHCP 功能,由4G 模塊自動分配IP 地址給設備,然后創(chuàng)建目標TCP 連接,由于TCP 長時間無數據交互,TCP 連接就會斷開連接,而且采用定期傳輸數據的方式作為心跳包,且發(fā)送頻率可設。流程圖如圖6。

4.3 SD 卡數據存儲軟件設計

圖6 4G 無線數據傳輸流程圖

STMF407 自帶SDIO,第一步設置I/O 復用引腳功能,上電后等待75 個CLK 延時,循環(huán)等待結束后復位,第二步發(fā)送CMD8 激活SD,第三步發(fā)送ACMD41 確認電壓,初始化結束后,然后就可以對SD 設備進行操作。

4.4 LoRa 無線數據傳輸軟件設計

上電后STM32L051 首先初始化串口,然后設置RA06 模塊的工作模式,空中頻率,本地地址和網關地址等參數,發(fā)送傳輸數據指令后發(fā)送數據。

5 結論

本文提出的Lora 無線傳輸的安全監(jiān)測系統是為了有效避免傳統檢測無法實時的弊端,新型的Lora 無線傳輸的安全監(jiān)測系統減少了傳統設施因為布線困難的局限性,同時改善了傳輸示警及時準確。在高架橋體關鍵節(jié)點處放置多融合傳感器安全檢測系統,避免了人工檢測維護的局限性,為大型建筑的質量健康檢測提供了一個新的方向。