CN107144340A - 一种基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法，包括若干监测单元、若干从机控制单元、主机控制单元、433MHz网关单元、通信单元和远端服务器；监测单元用于采集桥梁振动信号；从机控制单元用于接收监测单元传送来的数据； 433MHz网关单元用于将所述从机控制单元发送来的数据传送至主机控制单元；主机控制单元用于为从机控制单元分配时间片段，使得从机控制单元轮询上传数据；通信单元用于接收主机控制单元传送来的数据，并上传至远端服务器；远端服务器用于存储主机控制单元传送来的数据。本发明的基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法利用433MHz通信传输距离远、穿透能力强、饶射能力突出等优点，实现了桥梁的无线检测。

Description

一种基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测的技术领域，特别是涉及一种基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法。

背景技术

随着我国经济水平和科技实力的不断提高，桥梁工程也随之取得了重大发展，交通运输也变得越来越便捷。截止2014年9月，中国现有各类桥梁约71.34万座，成为世界上桥梁最多的国家。但是，与之相对应桥梁安全问题也日益突出。如何监测桥梁存在的安全隐患，以减少对于人民生命安全和国家财产造成损害成为这些年研究的重要课题。

现有技术中，桥梁监测的形式越来越丰富，主要包括采用桥梁检测车监测、采用便携式检测设备进行便携式监测、有线监测、无线监测等。

其中，桥梁检测车是桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器，用于流动检测和/或维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测和/或维修作业。桥梁检测车工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶，从而能够很精确的检测桥梁安全隐患。然而，桥梁检测车的需要耗费很大的人力物力，且无法实现实时性。在多数情况下，桥梁检测车仅被用于桥梁安全的定期检查。

便携式检测的方法有很多，典型的包括以下几种：

1)冲击回波法

通过机械冲击激发应力波，进行桥梁内部缺陷检测。

2)射线检测法

通过X射线或伽马射线穿透构件成像。

3)内窥镜检测法

将构件部分破坏，采用内窥镜检测。

4)定向超声波检测法

在锚头部位发射定向超声波，检测预应力束状况。

5)电磁波雷达检测法

以电磁波为探测媒介，适用于非金属材料检测。

6)磁粒子检测法

通过磁力线检测桥梁表面裂缝。

上述便携式检测方法均由人工操作，有较高的精确度，同时也比较便捷。不足之处在于，实时性差，不能长时间检测。

有线监测是当下主流的桥梁监测方法。具体地，在桥梁建设和建成时布置若干传感器，通过传感器所感知的参数来监测桥梁的安全状况。其中，所布置的传感器包括有加速度传感器、温度传感器、光线传感器、应变力传感器、烟雾传感器、等等诸多传感器。此有线监测可以提高数据传输效率和准确度。但是，随着越来越多的大跨度桥梁的使用，这种方法的弊端也日益凸显。这是因为：

1)传感器数量的增加，有线电缆用量的增加，布置和撤离有线电缆巨大工作量，导致了现场测试周期长，效率低，布线困难；

2)较长的导线会导致电压在电缆上损耗，造成输出结果错乱；

3)较长的电缆也使得信号过于弱，从而造成监测困难。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法，利用433MHz通信传输距离远、穿透能力强、饶射能力突出等优点，实现了桥梁的无线监测，从而解决了现有技术中桥梁监测的实时性差、设备部署复杂、输出结果错乱等诸多问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于433MHz通信的桥梁监测系统，包括若干监测单元、若干从机控制单元、主机控制单元、433MHz网关单元、通信单元和远端服务器；所述监测单元用于采集桥梁振动信号，并传送至所述从机控制单元；所述从机控制单元与所述监测单元一一对应连接，用于接收所述监测单元传送来的数据，并传送至所述433MHz网关单元；所述433MHz网关单元与所述从机控制单元和所述主机控制单元相连，用于根据433MHz通信协议将所述从机控制单元发送来的数据传送至所述主机控制单元；所述主机控制单元用于根据433MHz协议为所述从机控制单元分配时间片段，使得所述从机控制单元轮询上传数据，并将接收到的数据传送至所述通信单元；所述通信单元与所述主机控制单元相连，用于接收所述主机控制单元传送来的数据，并上传至所述远端服务器；所述远端服务器与所述通信单元相连，用于存储所述主机控制单元传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其中：所述监测单元采用三轴加速度传感器。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其中：所述从机控制单元通过CAN接口接收来自所述监测单元的数据，并通过串口传送至所述433MHz网关单元。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其中：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，且所述主机控制单元同时又作为一个从机控制单元来接收所述监测单元传送来的数据。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其中：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，所述主机控制单元仅用于实现主机控制单元的功能，不兼作为从机控制单元使用。

同时，本发明还提供一种基于433MHz通信的桥梁监测方法，包括以下步骤：

步骤S1、若干监测单元采集桥梁振动信号，并传送至从机控制单元；

步骤S2、与监测单元一一对应连接的若干从机控制单元接收监测单元传送来的数据，并传送至433MHz网关单元；

步骤S3、433MHz网关单元根据433MHz通信协议将从机控制单元发送来的数据传送至主机控制单元；

步骤S4、主机控制单元根据433MHz协议为从机控制单元分配时间片段，使得从机控制单元轮询上传数据，并将接收到的数据传送至通信单元；

步骤S5、通信单元接收主机控制单元传送来的数据，并上传至远端服务器；

步骤S6、远端服务器存储主机控制单元传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其中：所述监测单元采用三轴加速度传感器。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其中：所述从机控制单元通过CAN接口接收来自所述监测单元的数据，并通过串口传送至所述433MHz网关单元。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其中：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，且所述主机控制单元同时又作为一个从机控制单元来接收所述监测单元传送来的数据。

根据上述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其中：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，所述主机控制单元仅用于实现主机控制单元的功能，不兼作为从机控制单元使用。

如上所述，本发明的基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法，具有以下有益效果：

(1)利用433MHz通信传输距离远、穿透能力强、饶射能力突出等优点，实现了桥梁的无线检测；

(2)降低了桥梁监测成本；

(3)桥梁监测的实时性好，设备部署简单，实用性强。

附图说明

图1显示为本发明的基于433MHz通信的桥梁监测系统的结构示意图；

图2显示为本发明中433MHz网关单元组网方式的第一优选实施例的示意图；

图3显示为本发明中433MHz网关单元组网方式的第二优选实施例的示意图；

图4显示为本发明中433MHz通信下主机控制单元与从机控制单元间轮询机制的示意图；

图5显示为本发明的基于433MHz通信的桥梁监测方法的流程图。

元件标号说明

1 监测单元

2 从机控制单元

3 433MHz网关单元

4 主机控制单元

5 通信单元

6 远端服务器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参照图1，本发明的基于433MHz通信的桥梁监测系统包括若干监测单元1、若干从机控制单元2、主机控制单元4、433MHz网关单元3、通信单元5和远端服务器6。

监测单元1用于采集桥梁振动信号，并传送至从机控制单元。

具体地，监测单元1采用高精度三轴加速度传感器。桥梁振动的自然频率和振动水平较低，且振幅低。故采用高精度三轴加速度传感器能够满足桥梁振动监测的量程和精度需求。

监测单元1设置在桥梁的拉索上。优选地，监测单元采用灵敏度为0.881V/g的三轴加速度传感器。

在本发明的一个优选实施例中，选取桥梁上均匀设置在桥梁两侧的8根拉索，即桥梁两侧各选取4根拉索。8个三轴加速度传感器分别设置在8根拉索上，且桥梁每一侧的4个三轴加速度传感器为一组来进行监测。8个三轴加速度传感器分别以固定频率50Hz来采集拉索振动信号。

从机控制单元2与监测单元1一一对应连接，用于接收监测单元1传送来的数据，并传送至433MHz网关单元3。

其中，从机控制单元2通过CAN接口接收来自监测单元1的数据，并通过串口传送至433MHz网关单元3。具体地，监测单元1通过CAN接口将各自采集到的数据传输至从机控制单元2的内存中；待数据量达到预设值(如1K)后，再通过433MHz网关单元3将数据传送至主机控制单元4。

优选地，本发明中从机控制单元3采用STM32单片机。

433MHz网关单元3与从机控制单元2和主机控制单元4相连，用于根据433MHz通信协议将从机控制单元2发送来的数据传送至主机控制单元4。

具体地，433MHz网关单元3通过433MHz通信协议，将从机控制单元2获取的数据按照一定的频率传输至主机控制单元4，从而实现了从机控制单元2与主机控制单元4之间的连接。

下面来详细介绍一下本发明的433MHz网关单元的组网方式。本发明采用星型组网方式，即由一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式。

如图2所示，采用1个主机控制单元对应3个从机控制单元的组网方式。在该组网方式中，0号机既作为主机控制单元，又作为从机控制单元。因此，0号机不仅仅要接收1号机、2号机和3号机发送来的数据，同时自己也要作为采集数据的单元。经实验室环境下测定，0号机能够满足需求，并及时将数据通过通信单元发送至远端服务器。

由于真实环境下存在一定特殊性，充分考虑实验室环境与现场环境的区别，上述1对3的方式可能会造成主机控制单元的压力过大。考虑到传输质量问题，待测试后，如若确实对数据传输质量存在影响，可采用如图3所示的组网方式作为备选方案，即采用1个主机控制单元对应4个从机控制单元的组网方式。在该组网方式中，0号机不再担任主机控制单元的角色，与其他3个从机控制单元(1号机、2号机和3号机)并无差异。而是另外单独设置一个主机控制单元，该主机控制单元仅用于接收4个从机控制单元发送来的数据，并为其分配时隙；主机控制单元在接收到数据后，直接将数据传输至通信单元进行缓存，由通信单元将最终数据传送至远端服务器。

图3所示的组网方式相较于图2所示的组网方式，在成本上有所增加。两种组网方式的具体使用情况需要根据后期现场测试来决定。

主机控制单元4用于根据433MHz协议为从机控制单元2分配时间片段，使得从机控制单元2轮询上传数据，并将接收到的数据传送至通信单元5。

具体地，主机控制单元4接收到从机控制单元2轮询上传的数据后，对数据按照需求进行处理，再通过串口将数据传送至通信单元5。

下面结合图3所示的组网方式简单介绍一下主机控制单元的通信流程。在具体通信过程中，主机控制单元以5s为一个总时隙，将5s时间分别分配于0号机、1号机、2号机、3号机和主机控制单元及通信单元开销。其中，每一个从机控制单元依次分配1s时间片段，其需要在获得时间片段时，将所采集的5s数据全部发送至主机控制单元。主机控制单元与从机控制单元之间通信为：主机控制单元向4个从机控制单元发送广播帧，该广播帧包含从机控制单元ID号及请求(Request)信号；从机控制单元收到主机控制单元发送的广播信号后，对比ID号，如果与自身ID号相符合，则接收请求，并将缓存(buff)中的数据传送至主机控制单元中的缓存(buff)。

当主机控制单元4通过通信单元5将自身缓存中的数据传送至远端服务器6后，清空内存，并且再次发送广播帧。0号、1号、2号和3号四个从机控制单元2采用轮询的方式获得时间片段。为了确保时间上的严格同步，主机控制单元4每次发送广播帧的周期均为1s。具体的轮询机制如图4所示。

优选地，主机控制单元4采用STM32单片机。

通信单元5与主机控制单元4相连，用于接收主机控制单元5传送来的数据，并上传至远端服务器6。

优选地，通信单元5采用3G模块、4G模块、WiFi模块中的一种或组合。

远端服务器6与通信单元5相连，用于存储主机控制单元4传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

对于现场监测人员或者远程监测人员，通过在远端服务器上获取相关的数据，即可实现对桥梁安全的实时监测，高效且精确。

参照图5，本发明的基于433MHz通信的桥梁监测方法包括以下步骤：

步骤S1、若干监测单元采集桥梁振动信号，并传送至从机控制单元。

具体地，监测单元采用高精度三轴加速度传感器。桥梁振动的自然频率和振动水平较低，且振幅低。故采用高精度三轴加速度传感器能够满足桥梁振动监测的量程和精度需求。

监测单元设置在桥梁的索力上。优选地，监测单元采用灵敏度为0.881V/g的三轴加速度传感器。

在本发明的一个优选实施例中，选取桥梁上均匀设置在桥梁两侧的8根拉索，即桥梁两侧各选取4根拉索。8个三轴加速度传感器分别设置在8根拉索上，且桥梁每一侧的4个三轴加速度传感器为一组来进行监测。8个三轴加速度传感器分别以固定频率50Hz来采集拉索振动信号。

步骤S2、与监测单元一一对应连接的若干从机控制单元接收监测单元传送来的数据，并传送至433MHz网关单元。

其中，从机控制单元通过CAN接口接收来自监测单元的数据，并通过串口传送至433MHz网关单元。具体地，监测单元通过CAN接口将各自采集到的数据传输至从机控制单元的内存中；待数据量达到预设值(如1K)后，再通过433MHz网关单元将数据传送至主机控制单元。

优选地，本发明中从机控制单元采用STM32单片机。

步骤S3、433MHz网关单元根据433MHz通信协议将从机控制单元发送来的数据传送至主机控制单元。

具体地，433MHz网关单元通过433MHz通信协议，将从机控制单元获取的数据按照一定的频率传输至主机控制单元，从而实现了从机控制单元与主机控制单元之间的连接。

下面来详细介绍一下本发明的433MHz网关单元的组网方式。本发明采用星型组网方式，即由一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式。

如图2所示，采用1个主机控制单元对应3个从机控制单元的组网方式。在该组网方式中，0号机既作为主机控制单元，又作为从机控制单元。因此，0号机不仅仅要接收1号机、2号机和3号机发送来的数据，同时自己也要作为采集数据的单元。经实验室环境下测定，0号机能够满足需求，并及时将数据通过通信单元发送至远端服务器。

由于真实环境下存在一定特殊性，充分考虑实验室环境与现场环境的区别，上述1对3的方式可能会造成主机控制单元的压力过大。考虑到传输质量问题，待测试后，如若确实对数据传输质量存在影响，可采用如图3所示的组网方式作为备选方案，即采用1个主机控制单元对应4个从机控制单元的组网方式。在该组网方式中，0号机不再担任主机控制单元的角色，与其他3个从机控制单元(1号机、2号机和3号机)并无差异。而是另外单独设置一个主机控制单元，该主机控制单元仅用于接收4个从机控制单元发送来的数据，并为其分配时隙；主机控制单元在接收到数据后，直接将数据传输至通信单元进行缓存，由通信单元将最终数据传送至远端服务器。

图3所示的组网方式相较于图2所示的组网方式，在成本上有所增加。两种组网方式的具体使用情况需要根据后期现场测试来决定。

步骤S4、主机控制单元根据433MHz协议为从机控制单元分配时间片段，使得从机控制单元轮询上传数据，并将接收到的数据传送至通信单元。

具体地，主机控制单元接收到从机控制单元轮询上传的数据后，对数据按照需求进行处理，再通过串口将数据传送至通信单元。

下面结合图3所示的组网方式简单介绍一下主机控制单元的通信流程。在具体通信过程中，主机控制单元以5s为一个总时隙，将5s时间分别分配于0号机、1号机、2号机、3号机和主机控制单元及通信单元开销。其中，每一个从机控制单元依次分配1s时间片段，其需要在获得时间片段时，将所采集的5s数据全部发送至主机控制单元。主机控制单元与从机控制单元之间通信为：主机控制单元向4个从机控制单元发送广播帧，该广播帧包含从机控制单元ID号及请求(Request)信号；从机控制单元收到主机控制单元发送的广播信号后，对比ID号，如果与自身ID号相符合，则接收请求，并将缓存(buff)中的数据传送至主机控制单元中的缓存(buff)。

当主机控制单元通过通信单元将自身缓存中的数据传送至远端服务器后，清空内存，并且再次发送广播帧。0号、1号、2号和3号四个从机控制单元采用轮询的方式获得时间片段。为了确保时间上的严格同步，主机控制单元每次发送广播帧的周期均为1s。具体的轮询机制如图4所示。

优选地，主机控制单元采用STM32单片机。

步骤S5、通信单元接收主机控制单元传送来的数据，并上传至远端服务器。

优选地，通信单元采用3G模块、4G模块、WiFi模块中的一种或组合。

步骤S6、远端服务器存储主机控制单元传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

对于现场监测人员或者远程监测人员，通过在远端服务器上获取相关的数据，即可实现对桥梁安全的实时监测，高效且精确。

综上所述，本发明的基于433MHz通信的桥梁监测系统及方法利用433MHz通信传输距离远、穿透能力强、饶射能力突出等优点，实现了桥梁的无线检测；降低了桥梁监测成本；桥梁监测的实时性好，设备部署简单，实用性强。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于433MHz通信的桥梁监测系统，其特征在于：包括若干监测单元、若干从机控制单元、主机控制单元、433MHz网关单元、通信单元和远端服务器；

所述监测单元用于采集桥梁振动信号，并传送至所述从机控制单元；

所述从机控制单元与所述监测单元一一对应连接，用于接收所述监测单元传送来的数据，并传送至所述433MHz网关单元；

所述433MHz网关单元与所述从机控制单元和所述主机控制单元相连，用于根据433MHz通信协议将所述从机控制单元发送来的数据传送至所述主机控制单元；

所述主机控制单元用于根据433MHz协议为所述从机控制单元分配时间片段，使得所述从机控制单元轮询上传数据，并将接收到的数据传送至所述通信单元；

所述通信单元与所述主机控制单元相连，用于接收所述主机控制单元传送来的数据，并上传至所述远端服务器；

所述远端服务器与所述通信单元相连，用于存储所述主机控制单元传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其特征在于：所述监测单元采用三轴加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其特征在于：所述从机控制单元通过CAN接口接收来自所述监测单元的数据，并通过串口传送至所述433MHz网关单元。

4.根据权利要求1所述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其特征在于：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，且所述主机控制单元同时又作为一个从机控制单元来接收所述监测单元传送来的数据。

5.根据权利要求1所述的基于433MHz通信的桥梁监测系统，其特征在于：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，所述主机控制单元仅用于实现主机控制单元的功能，不兼作为从机控制单元使用。

6.一种基于433MHz通信的桥梁监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、若干监测单元采集桥梁振动信号，并传送至从机控制单元；

步骤S2、与监测单元一一对应连接的若干从机控制单元接收监测单元传送来的数据，并传送至433MHz网关单元；

步骤S3、433MHz网关单元根据433MHz通信协议将从机控制单元发送来的数据传送至主机控制单元；

步骤S4、主机控制单元根据433MHz协议为从机控制单元分配时间片段，使得从机控制单元轮询上传数据，并将接收到的数据传送至通信单元；

步骤S5、通信单元接收主机控制单元传送来的数据，并上传至远端服务器；

步骤S6、远端服务器存储主机控制单元传送来的数据，以便于对桥梁安全进行实时监测。

7.根据权利要求6所述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其特征在于：所述监测单元采用三轴加速度传感器。

8.根据权利要求6所述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其特征在于：所述从机控制单元通过CAN接口接收来自所述监测单元的数据，并通过串口传送至所述433MHz网关单元。

9.根据权利要求6所述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其特征在于：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，且所述主机控制单元同时又作为一个从机控制单元来接收所述监测单元传送来的数据。

10.根据权利要求6所述的基于433MHz通信的桥梁监测方法，其特征在于：所述433MHz网关单元进行组网时，采用一个主机控制单元对应多个从机控制单元的组网方式，所述主机控制单元仅用于实现主机控制单元的功能，不兼作为从机控制单元使用。