基于LoRa無線通信的分布式橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計*

李權接, 趙延明, 張澤瑞, 姚 迪, 谷振宗

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院,湖南 湘潭 411201)

0 引 言

當前我國除了部分特大橋梁以外,絕大部分橋梁均沒有任何橋梁監(jiān)測裝置,而因橋梁老化和質量問題導致的事故不斷發(fā)生。其中，橋梁失效的主要原因為設計缺陷、施工失誤、運營管理不善、水文地質與自然災害；具體引發(fā)橋梁失效的主要風險因素是意外碰撞、施工失誤和車輛超載[1～3],這些主要因素往往會導致橋梁產生裂縫甚至斷裂,從而使橋梁的強度、剛度、穩(wěn)定性降低進而失效變?yōu)槲颉?/p>

本文設計提出了一種基于無損探傷原理的分布式橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下,利用物質的聲、光、電等特性,對被檢驗部件的表面和內部質量進行測試,檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性,給出缺陷大小、位置、性質和數(shù)量等信息。

1 設計總體方案

針對目前市面上橋梁監(jiān)測設備在不同場景的兼容性差,成本高以及容易對橋梁造成二次傷害,本設計通過遠距離無線電(long range radio,LoRa)無線通信構建分布式橋梁監(jiān)測系統(tǒng),主要由主控單元、聲發(fā)射信號采集單元、模擬信號調理單元、無線通信單元、GPS授時定位單元及電池管理單元等部分組成。遠控軟件運行在各個橋梁監(jiān)測節(jié)點上,對采集的前端傳感器信號進行參數(shù)計算與分析,提取出聲發(fā)射信號關鍵的特征參數(shù),并通過無線通信方式將特征參數(shù)和各節(jié)點設備自身的狀態(tài)信號等傳送至監(jiān)測終端,遠控軟件利用各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)匯總與儲存、二次數(shù)據(jù)計算與分析,并根據(jù)數(shù)據(jù)綜合結果進行故障報警、故障定位與故障評估等。

2 主要電路設計與分析

2.1 主控單元

主控單元選用TI公司的單片機MSP430系列的 MSP430F149,其最大的特點為低功耗,非常適用于這種戶外便攜式電池供電設備。I/O分布表如表1所示。

表1 I/O分布表

2.2 模擬信號調理單元

模擬信號調理單元主要分為信號輸入處理模塊、增益放大模塊、模擬濾波模塊三部分。其中信號輸入處理模塊主要實現(xiàn)對輸入的模擬信號進行直流耦合、阻抗匹配及大信號保護等,使后端處理的模擬信號為X軸上下均勻分布且信號功率范圍在正常范圍；增益放大模塊主要實現(xiàn)對模擬信號的線性增益放大,使微弱信號能夠被放大以便于ADC采樣；模擬濾波模塊主要將帶外噪聲進行抑制處理,保證頻帶內信號的干凈度。

2.2.1 信號輸入處理單元

在前端傳感器輸出模擬信號之后,先是通過信號輸入處理模塊對其進行處理。信號輸入處理單元如圖1所示,其具有三部分功能：直流耦合、阻抗匹配、限幅保護。通過電容C134進行隔直處理,濾除信號中的直流成分,使直流耦合后的信號以零點為中心波動,能夠極大地發(fā)揮ADC全量程采樣能力；采用高阻形態(tài)進行阻抗匹配,減小信號在線路中傳輸?shù)哪芰繐p失,保證信號的抗干擾能力；限幅保護的目的在于限制大信號輸入,采用雙向鉗位二極管進行設計,將輸入信號幅度限制在±3 V范圍內,保證后端電路能夠正常處理該模擬信號而不會燒毀器件。

圖1 信號輸入處理單元

2.2.2 增益放大單元

增益放大模塊是使小信號進行合適增益倍數(shù)調整,使其盡可能匹配ADC輸入信號范圍。增益放大模塊具有0,20,40 dB三種可選增益倍數(shù),可實現(xiàn)對-60～0 dBm寬范圍的聲發(fā)射信號進行增益調整。通過兩級相同的增益放大電路來實現(xiàn),每級增益放大電路可實現(xiàn)0～20 dB增益,運算放大器選用高壓擺率、大增益帶寬積的AD8022進行設計,并通過低阻抗模擬開關ADG5401進行選擇增益反饋電阻R128(選擇D端口的270 Ω電阻是否并入AD8022的反饋電阻中)來實現(xiàn)不同增益倍數(shù)選擇滿足不同應用場景下不同信號強度的需求,增益放大單元如圖2所示。

圖2 增益放大單元

2.2.3 模擬濾波單元

模擬濾波單元如圖3所示,其采用兩階切比雪夫濾波器進行設計帶通濾波器,帶通頻率分布在20～400 kHz,帶外抑制能夠到-40 dB,過渡帶較陡峭,保證帶外信號的抑制能力和干凈度,使帶內信號的信噪比在40 dB以上。選用AD8022進行模擬濾波器設計。AD8022為雙通道低噪聲、高速率、電壓反饋型運放。電壓噪聲系數(shù)僅為2.5 nV/100 kHz,SFDR為110 dB/200 kHz,G=+1時帶寬為130 MHz。RFIN1—RFIN4與單片機P6.0～P6.3連接作為模擬信號采集接口。

圖3 模擬濾波單元

2.3 LoRa無線通信單元

采用Semtech公司最新推出的SX1262芯片進行設計遠距離低功耗無線通信單元。在具有傳統(tǒng)SX1278射頻芯片超長距離擴頻通信以及高靈敏度可達-148 dBmde的特點[3]之外,其擴頻因子、空速等參數(shù)都優(yōu)于SX1278芯片。SX1262的SX_NSS,SX_MOSI,SX_MISOSX_SCK分別與與單片機P3.0～P3.3連接進行SPI通信；SX_NRESET,SX_BUSY與單片機P3.4,P3.5連接分別作為復位和占線指示器,SX_DIO1,SX_DIO1與單片機P4.0,P4.1連接作為多用途數(shù)字I/O口；ANT_SW與單片機P4.6連接作為無線開關控制口。LoRa無線通信單元具體如圖4所示。

圖4 LoRa無線通信單元

2.4 電池管理單元

系統(tǒng)采用具備電池管理功能的超低功耗能量采集器進行設計,通過太陽能電池板回收太陽能并將其存儲在鋰電池中,供整個系統(tǒng)工作,與此同時還能實現(xiàn)對鋰電池進行充電保護管理等。具體采用的芯片是 TI 公司的 BQ25504,通過單片機的P4.3口與芯片VBAT_OK連接實時監(jiān)測工作狀態(tài)。電池管理單元如圖5所示。

圖5 電池管理單元

2.5 GPS授時定位單元

GPS授時定位單元采用NEO—6系列的U—BLUX 6GPS模塊進行設計,這是一種低成本、高性能的小封裝模塊,非常適合于體積較小的設備中使用,單片機P4.2口與GPS_PPS脈沖口連接,來獲得精準的時間,P3.6,P3.7口與GPS_RXD、GPS_TXD連接進行串行輸入輸出。GPS授時定位單元如圖6所示。

圖6 GPS授時定位單元

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 TDOA定位算法[5]

聲發(fā)射采集器按正方形(邊長2L)布局,如圖7所示,S點為當前裂縫的位置,其坐標為(x,y)。A,B,C,D為4個聲發(fā)射采集器,當產生裂縫信號時,由于A,B,C,D四點接收到裂縫聲發(fā)射信號的時間有所不同,根據(jù)聲發(fā)射采集器B,C,D相對于A的時差Δt2,Δt3,Δt4,以及聲發(fā)射信號在混凝土中的傳播速度為c=3 400 m/s,經歸一化正方形方程可以推導出S點的坐標位置,方程如下

(1)

(2)

圖7 聲發(fā)射采集器布局

3.2 小波去噪[6]

聲發(fā)射信號模型表示如下

s(k)=f(k)+δe(k)，k=0,1,…,n

(3)

式中s=(s1,s2,…,sn)為含噪信號,f=(f1,f2,…,fn)為所需信號,e=(e1,e2,…,en)為噪聲信號,δ為噪聲強度。信號去噪的過程的本質是抑制不需要的信號,保留需要的信號,步驟如下：1)確定出合適的小波及其分解的層次,進行分解計算。2)對不同分解尺度下的高頻系數(shù)進行軟閾值量化處理。3)通過小波分解不同頻段的系數(shù)進行小波重構。

3.3 軟件設計流程

分布式橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)待機、數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)傳送、裂縫定位等功能。系統(tǒng)在無需監(jiān)測工作時進入待機狀態(tài),在信號到來時,進行實時監(jiān)測,并對各傳感器的回傳數(shù)據(jù)進行處理判斷；先采用A/D轉換電路進行前端數(shù)據(jù)采集,然后由主控器進行頻率、峰值、位置等重要參

數(shù)的提取,再與無線通信單元的數(shù)據(jù)接口協(xié)同工作發(fā)送給電腦終端的上位機,上位機通過聲發(fā)射信號參數(shù)對比,來確定是否有裂縫產生,若有裂縫,則采用TDOA定位算法計算出裂縫的具體位置并顯示在上位機上面并且發(fā)出警報。上位機顯示界面如圖8所示。

圖8 上位機顯示界面

4 結束語

分布式橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)在不損害對象使用性能的前提下,對檢驗部件質量進行監(jiān)測。當被監(jiān)測物體出現(xiàn)缺陷或不均勻性,給出缺陷大小、位置、性能和數(shù)量等信息,及早發(fā)現(xiàn)事故隱患,采取有效措施,避免事故發(fā)生。本監(jiān)測系統(tǒng)成本低、使用方便、系統(tǒng)兼容性比較好,可用于多種不同的橋梁,克服了市場上橋梁監(jiān)測系統(tǒng)需要定制、兼容性差的情況,通過太陽能獨立供電,使得整個系統(tǒng)更加環(huán)保。