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)險顯著提高，運營安全保障工作日漸繁重。對橋梁結(jié)構(gòu)展開監(jiān)測，實現(xiàn)異常預(yù)警、病害識別跟蹤、損傷評估等功能，其帶來的安全效益受到重視[3]。對于斜拉橋、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，但相對外露易受損傷，又不便日常巡檢，因此對其展開索監(jiān)測意義更加顯著。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施了此類監(jiān)測。但以上系統(tǒng)中索監(jiān)測設(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。

頻率法測索力是以上索監(jiān)測采用的典型方法[7]，但原始數(shù)據(jù)多，現(xiàn)場采集配合遠(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)測用無線索力計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)計主要由硬件設(shè)計、索力檢測算法設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計三大部分組成。

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，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

本索力計選擇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)議棧運行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及動態(tài)可調(diào)的運行頻率，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)測頻段的5倍以上量程；±8g的最大測量范圍和250 μg最佳分辨率滿足橋索不同振動強(qiáng)度時的監(jiān)測需要；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存儲芯片AT45DB641E，使本索力計可存儲一定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，必要時可導(dǎo)出供第三方工具分析研究。

3 嵌入式索力算法設(shè)計實現(xiàn)

3.1 頻率法理論模型

頻率法測量索力首先利用傳感系統(tǒng)采集的振動數(shù)據(jù)，再對這些原始數(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)計和施工材料給出，測得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