姜其敏

(南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京210044)

1 概述

2019 年无锡市跨桥由于汽车超载导致桥面侧翻引发社会关注。技术日新月异的变革,在高架桥体安装实时检测系统以成为可能。在此之前桥体监控是通过敏感元件如电阻应变片,振弦式应变计等将被测量转化为电学量,再通过专业的仪器测量记录。传统方式有以下不足：①敏感元件可以检测的被测量有限,②采用专门的仪器记录并不能做到实时检测,示警及时。针对这种不足,提出基于LoRaTM多检测的高架桥体质量监测系统。

2 高架桥体监测系统总体设计

高架桥体监测系统包含2 部分：网关和节点,其中节点包含多种信号检测、AD、ARM嵌入式、LoRaTM传输、其他外设；网关包含ARM、LoRaTM传输、SD 卡和4G 模块,如图1。振动检测、温度检测和压力传感器将高架桥体的关键节点自然量转化为电信号,通过预处理电路再经过AD,自然量被转换为ARM数字量[1],再通过LoRaTM模块将数据传输至网关,网关将附近节点采集到的数据汇总通过4G 传输至远程服务器；同时也通过SDIO 接口将数据存储在SD 卡中[2-3]。按键模块设置系统工作模块；LED 灯提示系统当前工作状态。

图1 高架桥体监测系统总体设计框图

3 高架桥体监测系统硬件设计

高架桥体监测系统节点处理器考虑到需要低功耗,所以采用32 位Cortex-M0+ STM32L051,主频高达32MHz,64KB Flash、2KB EEPROM、8KB RAM,有多个高速IO 口。STML051的采集数据精度可达12bit,A/D 速度可达1.14 MSPS。网关部分ARM 采用Cortex-M4 STM32F407, 并通过4G 模块将数据传送出[4]。4G 模块采用了MTK 公司MT7628,该模块支持802.11 多种协议。STM32F407 SDIO 接口持对SD 卡读写校验数据,工作在8 位数据模式,提高读写速率。LoRaTM无线模块采用安信可的RA06 模块[5],串口控制降低开发难度,提供开发效率。高架桥体监测系统硬件设计框图如图2。

图2 高架桥体监测系统硬件设计框图

3.1 传感器信号采集硬件设计

传感器信号采用多级放大。1 级运放,2 级为滤波。电流转电压采集,0 阻抗所以检测电路对电流型传感器影响小。将转换信号的高频噪声去除,然后传输到A/D 口,原理如图3。

图3 传感器信号采集硬件设计

3.2 LoRa 无线数据传输硬件设计

节点向网关无线传输采用LoRa 调制技术,硬件采用安信可公司RA06 模块,采用串口直接与STML051 低功耗处理器相连[6]。

3.3 4G 无线数据传输硬件设计

以太网通信是利用STMF407 外接LAN8720 物理层(PHY)完成的,将RMII 与STMF407 内核连接,TX_EN 端口使能引脚,TXD、RXD 差分输出信号,当接收数据有效,CRS_DV 信号变化,REF_CLK 提供时需参考,LAN8720 芯片没有变压器,所有采用变压器通过TXD、RXD 连接4G 模块,硬件设计图如图4。

图4 4G 无线数据传输硬件设计

3.4 SD 卡数据存储硬件设计

SD 存储卡依托STMF407 自带的SDIO 控制器,时序信号由SDIO_CLK 提供,SDIO_CMD 信号用于SD 判断写入的是数据还是命令,SDIO_D[3：0]数据线进行数据交互。

4 高架桥体监测系统软件设计

系统初始化,高架桥体传感器采集物料信号并转换,并通过LoRa 传至目标网关,网关通过4G 无线传出,服务器接收到数据写入数据库,前端软件判断,发现异常发送报警信号,另一方面用SD 卡设备存储数据以备分析,软件设置总流程图如图5。

图5 软件设计总流程图

4.1 AD 数据采集软件设计

初始化ADC 时钟,设置ADC 复用寄存器、ADC CCR 寄存器、ADC 采集频率寄存器,等ADC 相关寄存器。初始化ADC,12位的数据转换,右对齐数据。接着开启ADC 转换,读取一次ADC 的数值,软件采用多次取均值进行数据滤波。

4.2 4G 无线数据传输软件设计

系统初始化,设置I/O 复用时钟,同时初始化LAN8720,LWIP,启用DHCP 功能,由4G 模块自动分配IP 地址给设备,然后创建目标TCP 连接,由于TCP 长时间无数据交互,TCP 连接就会断开连接,而且采用定期传输数据的方式作为心跳包,且发送频率可设。流程图如图6。

4.3 SD 卡数据存储软件设计

图6 4G 无线数据传输流程图

STMF407 自带SDIO,第一步设置I/O 复用引脚功能,上电后等待75 个CLK 延时,循环等待结束后复位,第二步发送CMD8 激活SD,第三步发送ACMD41 确认电压,初始化结束后,然后就可以对SD 设备进行操作。

4.4 LoRa 无线数据传输软件设计

上电后STM32L051 首先初始化串口,然后设置RA06 模块的工作模式,空中频率,本地地址和网关地址等参数,发送传输数据指令后发送数据。

5 结论

本文提出的Lora 无线传输的安全监测系统是为了有效避免传统检测无法实时的弊端,新型的Lora 无线传输的安全监测系统减少了传统设施因为布线困难的局限性,同时改善了传输示警及时准确。在高架桥体关键节点处放置多融合传感器安全检测系统,避免了人工检测维护的局限性,为大型建筑的质量健康检测提供了一个新的方向。