隨著道路交通增長，我國橋梁勞損加速，結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生幾率與惡化風(fēng)險(xiǎn)顯著提高，運(yùn)營安全保障工作日漸繁重。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)展開監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)異常預(yù)警、病害識(shí)別跟蹤、損傷評(píng)估等功能，其帶來的安全效益受到重視[3]。對(duì)于斜拉橋、系桿拱橋等索結(jié)構(gòu)橋，索的拉張狀況具有決定交通承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度的關(guān)鍵意義，但相對(duì)外露易受損傷，又不便日常巡檢，因此對(duì)其展開索監(jiān)測(cè)意義更加顯著。舊金山的金門大橋、韓國Jindo雙橋，以及國內(nèi)無錫蓉湖橋、南通新江海河橋等先后實(shí)施了此類監(jiān)測(cè)。但以上系統(tǒng)中索監(jiān)測(cè)設(shè)備在體積、功耗、網(wǎng)絡(luò)靈活性等方面存在各自的不足，應(yīng)用推廣還有待進(jìn)一步優(yōu)化提升。
頻率法測(cè)索力是以上索監(jiān)測(cè)采用的典型方法[7]，但原始數(shù)據(jù)多，現(xiàn)場(chǎng)采集配合遠(yuǎn)程分析的使用模式面臨線纜供電不可靠、無線通信與網(wǎng)絡(luò)部署開銷高等問題。本文提出的監(jiān)測(cè)用無線索力計(jì)通過硬件和基本系統(tǒng)低功耗化，將索頻算法嵌入設(shè)備內(nèi)，大幅減少數(shù)據(jù)傳輸開銷，并以無線自組網(wǎng)接入取代線纜布設(shè)，增強(qiáng)了橋索監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由硬件設(shè)計(jì)、索力檢測(cè)算法設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)三大部分組成。
系統(tǒng)的硬件部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。系統(tǒng)包括主控制器、射頻模塊、傳感器接口等。
軟件系統(tǒng)層次如圖2所示，其與硬件適配構(gòu)成了低功耗無線網(wǎng)絡(luò)化的傳感平臺(tái)，采集控制、索力分析、數(shù)據(jù)輸出依托其上。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本索力計(jì)選擇Microchip的無線微控制器Mega256rfr2作為主控兼通信芯片。最高逾20 MIPS的運(yùn)算能力，配合256 KB閃存及32 KB RAM，為索力數(shù)據(jù)分析的嵌入與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧運(yùn)行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及動(dòng)態(tài)可調(diào)的運(yùn)行頻率，則使設(shè)備具備低功耗長續(xù)航基礎(chǔ)條件；片內(nèi)集成的IEEE802.15.4射頻收發(fā)機(jī)擁有100 dB以上充裕的鏈路預(yù)算以及可降低多徑衰減影響的接收分集功能，無線通信覆蓋與穩(wěn)定性得以加強(qiáng)。
振動(dòng)頻率采集單元采用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。內(nèi)部過采樣可達(dá)800 Hz，確保覆蓋索力監(jiān)測(cè)頻段的5倍以上量程；±8g的最大測(cè)量范圍和250 μg最佳分辨率滿足橋索不同振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的監(jiān)測(cè)需要；輸出緩沖區(qū)的存在有效避免采集過程喚醒主控。
電源方面借助德州儀器的TPS62740轉(zhuǎn)換電壓令系統(tǒng)各部分電壓保持較低水平，從而減少芯片內(nèi)嵌壓降單元上的能量損耗。
另外硬件系統(tǒng)配置SPI接口的片外Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB641E，使本索力計(jì)可存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，必要時(shí)可導(dǎo)出供第三方工具分析研究。
3 嵌入式索力算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1 頻率法理論模型
頻率法測(cè)量索力首先利用傳感系統(tǒng)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，再對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理、提取自振頻率，最后通過自振頻率和索力之間存在的固有關(guān)系推算出索力。
索振動(dòng)方程如下：
式中，fn是第n階固有頻率。除fn以外，其他參數(shù)均已由設(shè)計(jì)和施工材料給出，測(cè)得fn及其階數(shù)即可推算出索力值。
3.2 索力采集分析設(shè)計(jì)
