湯 韜1，2，鄧勇軍3，葉華榮3，李 亞2，李文華2，王（wáng）鵬軍1，2，鄧北（běi）星2
（1.清華大學 電子工程係，北京100084；2.北京源清慧虹信息科技公司，北京（jīng）100085；
3.瀘州市交通（tōng）運輸局，四川（chuān） 瀘州646000）
針對（duì）橋梁監測係統的索力監測應用場景，設計了一款智能無線索力計。該傳感器具有超低功耗、前端智能（néng）算（suàn）法、無線自（zì）組織網絡等技術（shù）特點。提出並實現了（le）嵌入式硬件平台上的索頻（pín）提取方法，經實驗及實際工程檢驗，該方（fāng）法（fǎ）測（cè）量結（jié）果準確。該設計整機可（kě）在電池供（gòng）電環境下實現常年連續（xù）工作。此設計有效地（dì）解決了拉索監測過程中監測係統（tǒng）建設冗繁、數據分析難（nán）度大、係統（tǒng）成本偏高、維護複雜等實（shí）際工程問題。
中圖分類號：TN925；TU18
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172576
中文引用格式：湯韜，鄧（dèng）勇（yǒng）軍，葉華榮，等. 橋梁監（jiān）測（cè）係統無線索力計的設計及應用[J].電子技術應用，2017，43(12)：52-54，58.
英文（wén）引（yǐn）用格式：Tang Tao，Deng Yongjun，Ye Huarong，et al. Design and application of wireless cable tension sensor in the structure monitoring system of bridges[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：52-54，58.
0 引言
隨著（zhe）道路交通增長，我國橋梁勞損加速（sù），結構病（bìng）害的發生幾率與惡化風險顯（xiǎn）著提高[1，2]，運營安全保障工（gōng）作日漸繁重（chóng）。對橋梁結構（gòu）展開監測，實現異常預警、病害識別跟蹤、損傷評估等功能，其帶來的安全（quán）效益受到重（chóng）視（shì）[3]。對於斜拉橋、係杆拱橋等索結（jié）構橋，索的拉張狀況具有決定交通（tōng）承載力和結構穩定度的關鍵意義，但相對外露易受損傷（shāng），又不（bú）便日常巡檢（jiǎn），因此對其展開索監測意義更加（jiā）顯著。舊金山的金門大橋[4]、韓國（guó）Jindo雙橋[5]，以及（jí）國內無錫蓉湖（hú）橋、南通新江海河橋等[6]先後實施了此類監測。但以上係統（tǒng）中索監測（cè）設備在體積、功耗、網絡靈活性等方麵存在各自的不足，應用推廣還有待進一步優化提升。
頻率法測索力是以上索監測采用的典型（xíng）方法[7]，但原始數據（jù）多，現場采集配合遠程分析的使用模式麵臨線纜（lǎn）供（gòng）電不可靠、無線通信與網絡部署開銷高等問題。本文提出的監（jiān）測用無線索力計通過硬件和基本係統低功耗化，將索頻算法嵌入設（shè）備內，大幅減少數據傳輸開銷，並以無（wú）線自（zì）組網接入取代線纜（lǎn）布設，增強了（le）橋（qiáo）索監測係統（tǒng）的靈（líng）活性。
1 係統整體結構
整體係統的設計主要由硬件設計、索力檢測算法設計、網絡接入設計三大部分組成。
係統的硬件部（bù）分結構示意（yì）圖如圖1。係統包括主控製器、射頻模塊、傳感器接（jiē）口等。
軟件係統層次如圖2所示，其與硬件適配構成了低功耗無線網絡化的傳感平台，采集控製、索力分（fèn）析、數（shù）據輸出依托其上。
2 硬件係統設計
本索力計（jì）選擇（zé）Microchip的無線微控製器Mega256rfr2作（zuò）為主（zhǔ）控兼通信芯片。最高（gāo）逾20 MIPS的運算能力，配合256 KB閃存及（jí）32 KB RAM，為索（suǒ）力數據分（fèn）析的（de）嵌入與網絡（luò）協議棧運行提供支持（chí）；低至2 μW的休（xiū）眠功耗（hào）及動態可調的運（yùn）行頻率，則使設備具備低功耗長續航基礎條件；片內集成（chéng）的IEEE802.15.4射頻（pín）收發機（jī）擁有（yǒu）100 dB以上充裕的鏈路預算（suàn）以及可降低多徑衰減（jiǎn）影響的接收分（fèn）集功能，無線通信覆蓋與穩定性得以加強。
振動頻率采集（jí）單元采用NXP公司的3軸MEMS加速度傳感器MMA8451，其通過高速I2C接口與主控通信（xìn）。內部過采樣可達800 Hz，確保覆蓋（gài）索力監（jiān）測頻段的（de）5倍以上量程；±8g的最大（dà）測量範圍和250 μg最（zuì）佳分辨率滿足橋索不同（tóng）振動（dòng）強度時的（de）監測需要；輸出緩衝區的存在（zài）有效避免（miǎn）采集過程喚醒主控（kòng）。
電源方麵借助德州儀器的TPS62740轉換電壓（yā）令係統（tǒng）各部分電壓保持較低水平，從而減少芯片內嵌壓降單元上的能量損耗。
另外硬件係統配（pèi）置SPI接口的片外Flash存儲芯片AT45DB641E，使本（běn）索力計可存儲一定時間內的曆史數據，必要時可導出供第三方工具（jù）分析研究。
3 嵌入式索力算法設計（jì）實現
3.1 頻率法理論模型[8-10]
頻率（lǜ）法測量索（suǒ）力首先利用傳感係統采集的振動數據，再（zài）對（duì）這（zhè）些原始數據進行分析和處理、提取自振（zhèn）頻率，最後通過自振頻率和索力之間存在的（de）固有關係推算出索力。
索振動方程如下：
式中，fn是第（dì）n階固有頻率。除fn以外，其他參數均已由設計和施（shī）工材料給出，測得fn及其階數即可推算出索力值。
3.2 索力采集分析設計
本（běn）文索力計測量索力在選取最優軸、完成振動采樣頻率校準的基礎上，主要通過峰值提取和窗口（kǒu）加（jiā）權評估兩個階段分析獲取索力。
3.2.1 峰值提取
本（běn）階段主要目的是（shì）對振動FFT功率（lǜ）譜進行信息提取，去掉對於基頻提取無效的幹擾信（xìn）息，保留功（gōng）率譜中（zhōng）與基（jī）頻提取相關的峰值，以便之後進一步進（jìn）行基頻提取。主要步驟如下（xià）：
(1)設置特殊參數（shù）M，FFT功率譜點數為2N時，M的取值在[1，2log2N]之間（jiān）可調。
(2)對FFT功率譜進行滑動平均處理，得到平（píng）滑功（gōng）率譜。滑動平（píng）均處理所取的窗口寬度為5～20個（gè）頻點。
(3)將平滑功率譜（pǔ）的前（qián）M點直接（jiē）置（zhì）零。從第M點到第N點（diǎn）掃描FFT平滑功率譜，保留FFT平滑（huá）功率譜中的所有極大值，其（qí）他非極（jí）大值點全部置0。
(4)再次從（cóng）第M點到第N點掃描FFT平滑功率譜中的非零點，設第k點為當前掃描非零點，k-1點為上（shàng）一個掃描到（dào）的非零點，k+1為下一個掃描到的非零點。
(5)若第k點的幅（fú）度（dù）大於第k-1點和第k+1點的幅度，則不做處理，繼續掃描第k+1點（diǎn），否則，依據第k點與最近非零點的距離做處理。如果第（dì）k點與最近非零（líng）點的距離小於（yú）K，則（zé）將第k點置零，否則，不（bú）作處理，繼續掃描第k+1點。
掃描完所有的點，得到FFT峰值功率譜G(n)。
3.2.2 窗口加（jiā）權評估
對頻點x，如果（guǒ）在x和（hé）它的各次諧波頻點處構（gòu）建以其為對稱中（zhōng）心的凸函數形狀窗函數w(n-kx)，則可以形成如式(3)所示、與相關度類似的指（zhǐ）標。
本（běn）階段以上述指標為依據，尋找E(x)的最大值，該處x即對應最可能的索力基頻。
4 網絡接入設計（jì）
小體積、電池供電和無線通信的設計為本（běn）文索力計帶來部署便利性，但也使之能源受限。射頻模塊屬於索力計（jì）的大功耗單元，其上網絡協議設計（jì）需要兼顧自（zì）組網和（hé）低功耗特性，避免索纜高處的索力計節點（diǎn）電池快速耗盡情況造（zào）成（chéng）維護問題。
本（běn）文首先將無線索（suǒ）力計（jì）定（dìng）義為監測網絡的末端（duān）節點，避免（miǎn）其承擔轉發、路由等高開銷任務。在此基礎上設計具有高（gāo）占空比射頻（pín）休眠狀態的自組織網絡（luò）接入機製如圖3。索力計通過此方式接入靈活部署的自組織網主幹部分，實現常年連續的（de）監測（cè）。
5 應用與驗（yàn）證
本（běn）文研究團隊2017年在泰安長（zhǎng）江大橋部署了無線智能傳感器網絡進行（háng）結構監測，所用索力傳感器即本文（wén）設計的無線索力計（jì）。其在係（xì）統中運（yùn）行穩定，索力測算值與理論值（zhí）範圍相符，各索（suǒ）的數據變化趨勢相互印（yìn）證。圖4展示了（le）2017年（nián）1月25日到3月5日期間該橋（qiáo）某跨6枚索力計上報的數（shù）據情況（kuàng），所在區（qū）域2月20日到2月26日的大麵（miàn）積降雨積水影響在圖（tú）中體現為索力（lì）最大波動區段，其（qí）餘時段變化較平緩一致。
表1統計了（le）同一跨段12根（gēn）索的索力監測值，並與設計值進行對比。從偏差情況可見，本文算法所得各索張力與（yǔ）相應參考值偏差（chà）不超過3.7%，符（fú）合監測應用的（de）工（gōng）程需要。
6 結語
本文（wén）以Mega256rfr2射頻SOC及MEMS加速度傳感器等搭（dā）建了無線索力計平台，在其上（shàng）實現了索力算法嵌入和網絡接入優化，軟硬件係統與網絡接入的穩定性（xìng）、內嵌（qiàn）索力算法（fǎ）的準確性（xìng）均通過了實際工程驗證（zhèng）。本（běn）文的索力計對於索力（lì）監測具有較大的（de）應用價值。
參考文獻
[1] 王太（tài）.交通運輸部專題新聞發布會文字實（shí）錄[EB/OL].(2015-02-26)[2015-02-26].http：//www.moc.gov.cn/zhuzhan/wangshangzhibo/2015zhuanti2/wenzishilu/.
[2] 中華人民共和國交通運輸（shū）部綜合規劃司.2013年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL].(2014-05-13)[2014-05-13].http：//www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.
[3] 赫爾穆特文策爾（ěr）.橋梁健康監測[M].北（běi）京：中國建築工業出版社，2014.
[4] KIM S，PAKZAD S，CULLER D，et al.Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks[C].Proceedings of the 6th International Conference n Information Processing in Sensor Networks，New York，NY，USA：ACM，2007：254-263.
[5] CHO S，JO H，JAN S，et al.Structural health monitoring of a cable-stayed bridge using smart sensor technology：deployment and evalsuation[J].Smart Structures and Systems，2010，6(6)：439-459.
[6] 費曉天（tiān）.低功耗無線傳感器網絡可靠傳（chuán）輸設計[D].北京：清華大學，2013.
[7] 徐鬱峰，蘇成，陳兆栓，等.頻率法索力測量的參數靈敏度概率分析[J].中外公路，2010(4)：132-136.
[8] 蘇（sū）成，郭奮濤，徐鬱峰.斜拉橋索力測量（liàng）的可靠度研究[J].橋梁建設，2009(6)：27-30，36.
[9] 張（zhāng）宇鑫.大跨度（dù）張弦梁結構索力（lì）檢測方法研究[D].上海：同濟大學，2006.
[10] 朱金國，陳宣民.頻率法測（cè）定拉索索力[J].安徽建築，2003(2)：84-85.
