CN207231523U - 一种基于无线网的桥梁健康监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线网的桥梁健康监控系统，包含监控终端、汇聚节点，以及由多个用于采集桥梁参数的传感器节点构成的传感器网络；所述传感器节点包含风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器、模数转换模块、放大电路模块、微控制器模块、数据传输模块、数据存储模块、电源模块，本实用新型通过无线传感器网络实时对桥梁的各项参数进行监控，实现了对桥梁所受风力、桥梁应力、桥梁局部温度、桥梁震动量、桥梁塔基沉降以及位移等物理参数的实时监测、数据分析与处理、桥梁健康状态评估、桥梁结构健康预警等功能，进而有效地避免了各项事故的发生。

Description

一种基于无线网的桥梁健康监控系统

技术领域

本实用新型属于自动检测技术领域，尤其涉及一种基于无线网的桥梁健康监控系统。

背景技术

随着现代理论研究的不断深入，以及建桥技术的成熟和完善，各种新材料、新工艺修建的桥梁层出不穷，但随着时间的推移，任何公路桥梁最终都将成为旧桥；经过长期的使用的结构也难免也会因各种原因使结构发生各种各样的损伤，存在不同程度的病害和缺陷，需要维修、加固和改造。在维修加固前均需对其进行合理的检测和评价，得出桥梁的实际工况和承载能力，分析病害、损伤的成因，从而提出有效的维修加固措施。公路桥梁工程造价高，在公路运输中发挥着重要的作用。因此，在建桥过程中，总是采取各种措施确保工程质量。

桥梁的健康状况监测对于桥梁的安全运行有着重要的意义。与传统的检测技术不同,特殊结构桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力,而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。

蓉湖大桥全长1056.5m，主桥采用独塔单索面混合梁斜拉桥，其跨度组合为75m（33.8m+41.2m）+145m。主塔为钢双柱独塔形式，桥面以上高74.3米。桥面宽33m，主桥按双向四车道布置。桥面横坡为2%，最大纵坡为2.7%，通航净高7m。

针对蓉湖大桥结构的复杂性，常规检测无法全面评估桥梁健康状况，并且桥塔处拉索检测困难，使得桥梁健康状况难以全面受控。

尽管如此，公路桥梁长期在自然环境(大气腐蚀、温度、湿度变化)和使用环境(荷载作用频率增加、材料与结构的疲劳)的作用下，逐渐产生损坏现象。二十世纪六七十年代修建的设计荷载标准较低的公路桥梁，已经运营了四五十年，但仍在使用，在交通量日趋增大，荷载日益增加的今天，旧危桥的检测评价任务十分繁重。在不断提升公路技术等级的改造和改建过程中，对旧危桥进行监测评价和安全预警研究就显得尤为迫切和重要。

国际上，桥梁安全隐患常造成桥梁损坏导致重大经济损失和人身伤亡事件发生，如1967年俄亥俄河上的一座主要桥梁倒塌，致46人丧生；1983年美国康涅狄格州的Mianus江高速大桥因桥梁腐蚀和交通循环载荷引起的疲劳而突然倒塌，桥上数部车辆坠入江中，造成3死3伤；1994年韩国汉城市中心的圣水特大桥也因内部损伤突然倒塌。 美国明尼苏达州横跨密西西比河的大桥在2007年8月1日晚突然坍塌，酿成重大事故。证实有4人在塌桥事故中死亡，70多人受伤，另有30多人失踪。塌桥事故对美国社会造成的冲击是巨大的。明尼苏达州这座40年的老桥坍塌不是偶然的，桥梁专家多年前就“诊断”出它在结构设计上的问题。该州政府于2001年向联邦政府运输部提交过桥梁“体检”报告。3年后，运输部据此对桥梁“健康状况”进行评估，于2004年认定它存在“结构性缺陷”。尽管如此，有关方面并未对它采取任何“救治”措施。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于无线网的桥梁健康监控系统。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于无线网的桥梁健康监控系统，包含监控终端、汇聚节点，以及由多个用于采集桥梁参数的传感器节点构成的传感器网络，所述传感器节点通过汇聚节点连接监控终端；所述传感器节点包含风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器、模数转换模块、放大电路模块、微控制器模块、数据传输模块、数据存储模块、电源模块，所述风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器分别依次通过模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块、数据存储模块、电源模块分别与微控制器模块连接。

其中，所述风速检测模块用于监测桥梁所受风力的风速风向仪，所述光纤光栅应变传感器用于测量桥梁应力，所述温度传感器用于测量桥梁局部温度，所述加速度传感器用于测量桥梁震动量，所述光纤光栅位移传感器用于监测桥梁主桥塔位移。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述电源模块包含市用电源模块、光伏电源模块、交流适配器、蓄电池，所述市用电源模块通过交流适配器连接蓄电池，所述光伏电源模块通过蓄电池连接微控制器模块。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述监控终端包含控制模块以及分别与其连接的数据接收模块、液晶显示屏、存储器模块、时钟模块、Web应用终端和供电模块。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述放大电路模块包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻，稳压电路的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接微控制器模块的输入端。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述风速风向仪采用的是WA15型风速风向仪。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述光纤光栅应变传感器采用的是GSYC-T1型的光纤光栅应变传感器。

作为本实用新型一种基于无线网的桥梁健康监控系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用芯片型号为SPCE061A的微处理器。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型通过无线传感器网络实时对桥梁的各项参数进行监控，实现了对桥梁所受风力、桥梁应力、桥梁局部温度、桥梁震动量、桥梁塔基沉降以及位移等物理参数的实时监测、数据分析与处理、桥梁健康状态评估、桥梁结构健康预警等功能，进而有效地避免了各项事故的发生；

2、监控终端通过液晶显示屏能够根据用户需求进行数据的实时动态显示和分析，用户通过Web应用界面可以查看实时动态波形数据和历史数据，查看传感器节点状态，对数据进行分析，并可通过平台对节点进行管理和控制；

3、本系统能够为桥梁结构健康分析提供数据服务，同时为桥梁养护和管理提供决策依据；

4、本实用新型的传感器节点采用太阳能和市电的结合方式进行供电有效地节约了资源。

附图说明

图1是本实用新型传感器节点的结构原理图；

图2是本实用新型传感器节点放大电路模块的电路图；

图3是本实用新型监控终端的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于无线网的桥梁健康监控系统，包含监控终端、汇聚节点，以及由多个用于采集桥梁参数的传感器节点构成的传感器网络，所述传感器节点通过汇聚节点连接监控终端；如图1所示，所述传感器节点包含风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器、模数转换模块、放大电路模块、微控制器模块、数据传输模块、数据存储模块、电源模块，所述风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器分别依次通过模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块、数据存储模块、电源模块分别与微控制器模块连接。

其中，所述风速检测模块用于监测桥梁所受风力的风速风向仪，所述光纤光栅应变传感器用于测量桥梁应力，所述温度传感器用于测量桥梁局部温度，所述加速度传感器用于测量桥梁震动量，所述光纤光栅位移传感器用于监测桥梁塔基沉降以及位移。

所述电源模块包含市用电源模块、光伏电源模块、交流适配器、蓄电池，所述市用电源模块通过交流适配器连接蓄电池，所述光伏电源模块通过蓄电池连接微控制器模块。

如图2所示，所述放大电路模块包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻，稳压电路的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接微控制器模块的输入端。

所述风速风向仪采用的是WA15型风速风向仪，所述光纤光栅应变传感器采用的是GSYC-T1型的光纤光栅应变传感器，所述微控制器模块采用芯片型号为SPCE061A的微处理器，所述光纤光栅温度传感器采用的是GSWC-T1型的光纤光栅温度传感器，所述加速度传感器采用的是ServoK-Beam8330A型伺服式加速度传感器，所述光纤光栅位移传感器采用的是SR-RP-S1型光纤光栅位移传感。

如图3所示，所述监控终端包含所述监控终端包含控制模块以及分别与其连接的数据接收模块、液晶显示屏、存储器模块、时钟模块、Web应用终端和供电模块。所述数据接收模块用于接收传感器节点采集的桥梁参数，所述液晶显示屏用于显示所接收的桥梁参数，所述存储器模块用于根据时钟模块实时存储所接收的桥梁参数，供电模块用于提供监控终端所需电能。

本实用新型采用了高性能的微处理器SPCE061A为核心经过实际测试，该系统具有较强的网络通信能力、高实时性、通信快速可靠的特点，具有很高的实用价值；SPCE061A微处理器是凌阳科技公司所生产的16位μ'nSPTM微处理器，内部采用总线结构。主要参数有：工作电压(CPU)VDD为2．4～3．6 V，(I／O)VDDH为2．4～5．5 V；时钟：0．32～49．152 MHz；内置2 KBSRAM和32 KB FLASH；2个16位可编程定时器／计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数／模转换)输出通道；32位I／O位通用可编程输入／输出端口；14个中断源可来自定时器A／B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能，内置在线仿真电路ICE接口，具有保密能力，具有Watch Dog功能，μ'nSPTM的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能。

SPCE061A具有很高的计算速度，这对于实时操作系统是极为重要的。对于SPCE061A，传统的微处理器硬件和软件的开发已被简化，不再需要在线仿真。其SPCE061A大容量FLASH及SRAM，内建以太网接口，可直接通过网络实现监控；具备UART接口，可使各种串行设备快速进行网络连接。SPCE061A微处理器的软件开发平台ICE集编程、编译、链接、调试、下载于一体，并有完善的TCP／IP协议栈，支持全功能UART通信，配备各种I／O驱动函数库。

本实用新型通过无线传感器网络实时对桥梁的各项参数进行监控，实现了对桥梁所受风力、桥梁应力、桥梁局部温度、桥梁震动量、桥梁塔基沉降以及位移等物理参数的实时监测、数据分析与处理、桥梁健康状态评估、桥梁结构健康预警等功能，进而有效地避免了各项事故的发生。

监控终端通过液晶显示屏能够根据用户需求进行数据的实时动态显示和分析，用户通过Web应用界面可以查看实时动态波形数据和历史数据，查看传感器节点状态，对数据进行分析，并可通过平台对节点进行管理和控制；

本系统能够为桥梁结构健康分析提供数据服务，同时为桥梁养护和管理提供决策依据；

本实用新型的传感器节点采用太阳能和市电的结合方式进行供电有效地节约了资源。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于：包含监控终端、汇聚节点，以及由多个用于采集桥梁参数的传感器节点构成的传感器网络，所述传感器节点通过汇聚节点连接监控终端；所述传感器节点包含风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器、模数转换模块、放大电路模块、微控制器模块、数据传输模块、数据存储模块、电源模块，所述风速检测模块、光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、光纤光栅位移传感器分别依次通过模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块、数据存储模块、电源模块分别与微控制器模块连接；

其中，所述风速检测模块用于监测桥梁所受风力的风速风向仪，所述光纤光栅应变传感器用于测量桥梁应力，所述温度传感器用于测量桥梁局部温度，所述加速度传感器用于测量桥梁震动量，所述光纤光栅位移传感器用于监测桥梁主桥塔位移；

所述电源模块包含市用电源模块、光伏电源模块、交流适配器、蓄电池，所述市用电源模块通过交流适配器连接蓄电池，所述光伏电源模块通过蓄电池连接微控制器模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于：所述监控终端包含控制模块以及分别与其连接的数据接收模块、液晶显示屏、存储器模块、时钟模块、Web应用终端和供电模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于：所述放大电路模块包含放大器芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻，稳压电路的输出端分别连接第一电阻和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接放大器芯片的正极，放大器芯片的负极与第三电阻串联后与第一电阻的另一端接地，放大器芯片的电压输出端连接微控制器模块的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于：所述风速风向仪采用的是WA15型风速风向仪。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器采用的是GSYC-T1型的光纤光栅应变传感器。

6.根据权利要求2所述的一种基于无线网的桥梁健康监控系统，其特征在于：所述微控制器模块采用芯片型号为SPCE061A的微处理器。