0 引言

    橋梁中承擔橋梁荷載的一個重要構件是拉索，該構件控制整個結構物的應力分布，整座橋的應力分布可以作為衡量結構狀態健康與否的重要指標^[1-3]。大地脈動、風雨等環境激勵引起的拉索振動，以及在橋梁的運營過程中拉索遭受的損害都可能導致應力分布發生改變，從而給大跨度結構帶來災難性后果。因此在工程施工期和運營期，都有必要實時監測拉索力的變化。拉索橋索力測量工程中，利用速度、加速度等傳感器對微弱振動進行測量的索力測量方法是目前廣泛使用的一類方法^[2-6]，但是該類方案中數據通信一般基于有線數據通信，尤其在一些大跨度橋梁的巡檢、中長期監測中，有線數據通信的后期維護問題日益突出。基于WiFi、ZigBee的無線索力監測系統解決了傳統現場測量需要布線的缺陷，但是卻無法實現低功耗大規模組網，且ZigBee還需要單獨設計網關才能接入互聯網^[4]。基于此，本文提出基于6LoWPAN的分布式索力監測系統。該系統利用振動法檢測橋梁拉索的振動基頻并計算索力，最后利用IPV6快速接入互聯網，實現了分布式遠程索力監測。

1 頻率法測量索力原理

    頻率法測量索力的基本原理是利用拉索自由振動時其內部應力與頻率之間的關系進行間接測量。一根能夠自由振動的拉索，其自由振動方程如下：

其中，F為內部非實變應力，m為每米拉索質量質量（假設質量均勻），l為索的自由長度，EI為抗彎剛度，n為振動頻率的階數。式(2)的假設條件在很多應用中存在誤差，另外，由于拉索垂度的影響，導致拉索在自由空間的3個維度上的頻譜表現不同。所以，該理論只能用做索力值的大致估算。毛幸全等^[8]考慮了垂度在基本振動關系中的影響，引入垂度無量綱常數λ，利用最小二乘擬合索力實用計算公式：

2 基于6LoWPAN的振動頻譜測量系統

2.1 系統總體結構設計

    監測系統硬件體系可以分3層：第一層為布置在拉索上的基于6LoWPAN的MEMS加速度傳感器節點；第二層為由6LoWPAN 組成的Mesh網絡中的Router節點，該節點將若干節點采集到的數據進行匯總并傳輸至遠程云端；第三層為云端服務器，對接收到的數據進行分析、存儲。整個網絡系統結構如圖1所示。圖2是一個傳感節點系統結構，傳感節點通過6LoWPAN連接Router節點實現IPV6到IPV4的轉換，直接進入Internet，實現物聯網和互聯網的無縫連接。

2.2 加速度傳感節點硬件設計

2.2.1 加速度傳感器電路設計

    加速度傳感節點采用ST公司的MEMS加速度器件LIS344作為加速度傳感核心，其內部結構與信號調理系統分別如圖3、圖4所示。由于AD芯片內置程控放大可達64倍，因此Z軸加速度的信號調理設計得以簡化，只需要在加速度芯片的輸出信號端簡單濾波即可獲得信噪比很高的信號。

2.2.2 AD轉換器的電路設計

    拉索振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度，對數據采集的速率、分辨率以及動態范圍都有較高的要求。A/D轉換器采用1通道、24位轉換器ADS1255，采用標準4線SPI接口與CPU連接，實現數據通信，如圖5所示。

2.2.3 基于6LoWPAN技術的物聯網系統設計

    6LoWPAN技術以精簡IPv6為核心，使低功耗、小成本的傳感器網絡能夠采用IP技術方便地連接到互聯網。協議棧模型如圖6所示。目前能夠較完整或全部支持6LoWPAN協議的開源操作系統主要有加州大學伯克利分校的Tinyos系統和瑞典計算機研究院的Contiki系統，可較好地進行學術研討和修改測試^[6-10]。本文基于當前研究較為活躍的Contiki平臺開展研究，實現無線組網。

    各個傳感器節點采用電池或者太陽能供電，其硬件結構如圖7所示。傳感器節點采用1節18650鋰離子電池供電，主芯片選用TI公司ARM Cortex-M3內核的CC2538SF53，其內部集成了工作頻率為2.4 GHz并符合IEEE802.15.4標準的RF收發器。在低功耗外部中斷模式下，該芯片的待機電流僅為0.4 μA。為了增加節點的無線收發距離，系統外擴了CC2592，本系統使用CC2538的PC4、PC5與PC6，實現CC2538對CC2592收發控制。

2.2.4 數據采集流程與數據傳輸策略

    在加速度測量中，需要較高的數據采樣率和較大的通信帶寬，而這種需求與6LoWPAN的低速率數據傳輸形成一個矛盾，尤其當在一個應用中布置大量節點的時候，網絡中的節點通信壓力更大，因此有必要優化數據采集流程，壓縮通信數據。數據采集流程如圖8所示。一組有效的加速度原始數據經過壓縮之后再進行傳輸，可以有效降低通信數據量，提高通信效率及節點存活時間。壓縮計算流程如下：

3 實驗結果

    實驗分為3個部分：檢驗測量節點的性能指標；將MEMS節點布置在拉索上進行工程實驗；將設計的多個測量點進行組網，實現基于6LoWPAN的分布式索力測量。

3.1 傳感器性能對比

    此對比根據加速度計檢定規程JJG233-19%標準中13進行。該試驗測試系統由振動臺、標準傳感器BK-8305、信號放大器、數據采集卡、PC等組成。

3.1.1 傳感器頻率響應對比實驗

    實驗將MEMS節點和目前常用的電磁式傳感器、AD公司ADXL335系列MEMS加速度傳感器進行對比，對比結果見表1。

3.1.2 空間串擾測試

    將量程設置為±2g，假設振動臺是理想的，測量Y軸的加速度響應(只存在Z軸振動)，LIS344和ADXL335測量結果見如表2。

    根據以下計算式計算軸間串擾：

3.2 武漢某橋實際測試

    測試對象為武漢某橋拉索，將節點布置在索上測試。圖9為節點的PCB，圖10為節點組裝后布置在索上的照片，圖11為MEMS節點的功率譜測量結果。

3.3 組網測試實驗

    當大量節點部署在橋梁上時，如果數據全部實時傳輸至云端，則會帶來巨大的數據通信壓力，因此結合數據壓縮方案，對比不同傳輸策略下的數據傳輸時間。通信時間T_t、平均待機時間T_a計算方法如下：

其中T_j為每個節點的存活時間(1節18650電池電量3 000 mAh，充滿電后直至電壓將至3.5 V為存活時間)。表3為云端服務器輪詢MESH網絡耗費的時間對比。從實測數據可以看出，由于直接使用原始數據進行傳輸，每個節點需要上傳的數據量龐大，因此耗時、耗能，設計不當還會引起網絡擁堵。數據壓縮策略帶來明顯的時間優勢，原因是每個節點在數據傳輸之前利用較少的耗能進行數據壓縮，極大地減少了通信數據量，大量節省了通信時間，提高了每個節點的存活時間。

4 結論

    本文首先論述頻率法測量橋梁拉索索力的原理，介紹了基于MEMS和6LoWPAN接入互聯網的傳感系統的整體架構，實現了現場拉索的分布式索力測試。結果表明，在基于6LowWPAN的物聯網平臺上，利用MEMS加速度傳感器進行索力測量，具有數據質量優良、低功耗在線監測和成本低廉等優點，可以代替傳統壓電式加速度傳感器測量方案，實現大規模分布式索力監測。

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作者信息:

李東明，胡亞斌，王永濤

(中國地質大學（武漢） 自動化學院，湖北 武漢430074)