一种新型采集节点的设计及其在桥梁健康监测系统中的应用

史雪峰，朱世峰，代琛

（1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034；2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034；3.湖北省洪山监狱，湖北武汉430223）

一种新型采集节点的设计及其在桥梁健康监测系统中的应用

史雪峰1，2，朱世峰1，2，代琛3

（1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034；2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034；3.湖北省洪山监狱，湖北武汉430223）

针对现有桥梁结构健康监测系统数据采集节点的不足，基于传统RS 485工作模式提出并设计了一种新型采集节点工作模式，总线上的其中任意一个采集节点均可作为控制主机使用，其余节点为从节点，以此使得采集系统更加简洁。采集到的数据保存到内部存储FLASH上，保证数据不会丢失，提高了其可靠性。该类采集节点已在某城市立交桥长期健康监测中得到了应用，结果表明：该采集节点具有采集精度高、可工作于主/从模式、操作方便等优点，为桥梁结构健康监测提供了一种新的选择。

桥梁结构健康监测；采集节点；主/从工作模式；操作方便

0 引言

据不完全统计，我国现有桥梁60余万座，在气候、环境等自然因素和日益增加的交通流量及超载车辆不断增加的情况下，伴随桥龄的增长，桥梁的安全性和使用性能将发生退化，甚至导致桥梁垮塌等重大事故[1]。因此，对桥梁结构进行连续的健康监测，为保证交通顺畅和生命财产安全提供了一种选择。

但是，往往由于经费的限制，中小型桥梁无法同特大型、大型桥梁一样安装监测内容全面的健康监测系统[2]，而是更关注对其挠度、应变和裂缝等关键参数的静态信号监测。该类系统具有架构简单、监测参数少，费用低、便于实现远程无线传输等优点，且能满足桥梁安全监测的基本需求。于是，目前均选用技术成熟而且具有较高性价比的串口RS 485型采集节点，其一般是从市场上采购通用型采集节点得到。但目前市场上该类采集节点均需要增加额外的传感器电源供电电路、传感器信号线接口电路、无线模块电路等，集成电路结构复杂，稳定性差，取样电阻（电流信号采集）故障频发，且在特定场合需要工控机作为控制主机发送采集指令。鉴于此，提出并设计了一种符合工程实际且经济可靠、操作方便的采集节点。

1 采集节点功能设计

为满足工程实际需求，所开发的新型采集节点具有以下特点：24 b分辨率；电流采样精度＜±0.1%，电压采样精度＜±0.05%；每通道24 Vdc/50 mA max对传感器供电；总线上有且仅有一个采集节点可作为控制主机，向自身和其他采集节点发送采集指令，作为工控机功能使用，即主机工作模式，同时亦可方便地切换到从机工作模式；FLASH存储：设置是否对采集数据进行自身存储，保证数据不丢失；嵌入RF或GPRS无线传输模块，便于实现不同环境下的数据无线传输[3⁃4]；全部接口均采用航空接头，接插方便可靠；机体外壳和接头防护等级均为IP65，可直接在户外使用。

2 硬件电路的设计

根据该新型采集节点功能设计的需求，其硬件主要由电流/电压转换电路、模数转换（ADC）电路、MCU电路、工作模式选择电路、FLASH接口电路、串行通信接口电路、无线传输接口电路及其他如电源、复位等辅助电路组成，如图1所示。

图1 新型采集节点硬件框图

2.1 I/V转换电路设计

由于模数转换器（ADC）只能接收电压信号，而设计时一般均选用电流输出型传感器以适应传感器输出信号的准确远距离传输，需要将传感器输出的电流信号转换为ADC能够识别的电压信号。此时，I/V电路设计是将取样电阻并接在ADC输入端，ADC接入取样电阻两端的电压值，根据I=U/R的关系换算出电流值。同时，在实际应用过程中，通用型节点在电压接入面均采取较多的保护措施，而对取样电阻基本无防护，故在浪涌或电磁干扰下，极易导致取样电阻损坏，造成测试结果失真。

本设计采用自恢复保险、ESD和瞬变抑制二极管等措施保证取样电阻稳定运行。但取样电阻须选用高精度、低温漂电阻，I/V转换电路如图2所示。

2.2 A/D转换电路设计

该新型采集节点设计采用片内具有可编程增益设置、数字滤波功能的高精度24位Σ⁃Δ A/D转换器AD7712，实现了模拟信号到数字信号的高精度转换。24位模数转换芯片AD7712适合低频测量高精度的A/D转换器，片内的双输入通道易于实现信号的变换及输出，同时采用的受环境噪声影响较小的Σ⁃Δ技术，使其成为工业和过程控制中的理想选择。

图2 I/V转换电路图

基于AD7712的高精度信号采集系统原理见图3，其中STM32F107为控制器，系统采用电压为2.5 V的基准源。AD7712工作在10 MHz的外部时钟模式，其经光耦隔离后与控制器的PA4，PA5，PA6和PA7引脚相连，其中每个下降沿代表一次数据转换完成，当数据传送完成后变为高电平[5]。

图3 A/D转换电路图

2.3 工作模式选择电路设计

该新型采集节点与既有RS 485采集设备的主要区别为：采集节点能够工作于主/从模式。在主机工作模式下，采集节点能够按照设置的参数自动采集对外输出采集值，并且能够向总线上其他采集节点发送采集指令，作为控制主机使用，在该模式下有且只有一个采集节点可配置为主机工作模式，其他采集节点必须配置为从机工作模式。在从机工作模式下，采集节点在控制主机（如PC）的要求下进行数据的收发，与RS 485采集设备使用方法相同。

上述设计在MCU电路中设置PE12为主/从工作模式标志位，MCU在初始化时根据检测到的标志位结果，决定采集节点工作于主机模式还是从机模式。

2.4 串行接口电路设计

该新型采集节点采用RS 485总线实现测量数据的远距离传输。采用的串行接口通信芯片为采用磁耦隔离技术的增强型RS 485收发器ADM2483，其最高传输速率为500 Kb/s。与其他RS 485接口芯片相比，集成了磁隔离技术，仅需一个外部的DC/DC电源进行电源隔离即可实现可靠稳定工作，串行接口电路设计如图4所示。

图4 串行接口电路设计图

3 软件设计

采集节点在上电后，首先进行系统初始化操作，对I/O口、FLASH、UART和主/从模式标志位进行初始化。初始化完成后，根据检测到的主/从模式标识位结果进入采集通道。当标识位结果为主机工作模式时，读取节点采集参数，按照间隔时间、模块数量等参数进行数据采集；当标识位结果为从机模式时，等待上位机数据请求，当有请求发生时，将寄存器中的采集值发送到串行接口，工作流程如图5所示。

图5 系统应用程序流程图

主机工作模式主要有采样周期、延时和从机模块数量3个参数。采样周期是完成两次总线上全部采集节点采样的时间差；延时是发送两个采集指令的时间差；从机模块数量是指总线上全部采集节点的数量，包含工作于主机模式的节点本身，该节点地址必须为0x01。采集节点主机工作模式流程如图6所示。

图6 主机模式工作流程图

4 对比实验及数据分析

4.1 对比实验

利用0.02%精度的电压电流校验仪对采集节点采集值的准确性进行对比检验。电压电流校验仪输出值作为真值，节点采集值作为测试值，两者对比检验结果如表1所示。

由表1可以看出，测试值与真值几乎完全一致，精度非常高，完全可满足桥梁结构健康监测系统数据采集的需要。

表1 真值与采集值对比检验

4.2 工程案例

某大型城市立交桥在维修加固后安装健康监测系统，对桥墩倾斜和墩梁相对位移进行连续监测，现场照片如图7所示。健康监测系统主要监测4种变量：温度（温湿度）、桥墩倾斜、墩梁相对位移、箱梁竖向挠度，分别采用温度传感器、精密倾角仪、拉绳位移计和挠度传感器对各参量进行监测，传感器均输出4～20 mA电流型号，电源需求为24 Vdc。

图7 某城市立交桥

健康监测系统采集设备选用本系统设计的采集节点，5个节点共40通道。其中，地址为0x01的采集节点配置为主机工作模式，内部配置GPRS无线传输模块，其他4个采集节点配置为从机工作模式，地址为0x02～0x05。0x01采集节点按采样周期为600 s，延时50 ms，模块数量为5，依次向各采集节点发送指令，节点将采集值发送到总线时通过GPRS无线模块传输到远程数据中心，进行数据的解算、分析处理、存储和显示等操作。A1匝道10#墩梁相对位移采集数据如图8所示。

图8 墩梁相对位移监测曲线

对图8数据分析可知，4个月的监测数据（图中直线部分因现场断电导致数据缺失）显示墩梁相对位移值均处于阈值范围内，表明箱梁和桥墩运行正常。

5 结语

针对现有中小型桥梁结构健康监测特点，提出并设计了一种新型数据采集节点。该采集节点解决了传统既有采集节点操作不便、故障率高的不足，且具有采样精度高、能够工作于主/从模式、保证数据不丢失、操作方便等特点，对比实验和工程应用均表明，该新型采集节点能够满足健康监测系统采集的需要，为中小型桥梁等结构监测系统的完善与发展提供了一种技术选择。

[1]王文俊，潘静，吴佳晔.中小型桥梁广域健康监测系统的研究[J].四川理工学院学报，2011，24（5）：572⁃574.

[2]纪为详，郭翠翠，李星新.贵州坝陵河大桥健康监测系统设计[J].世界桥梁，2012，40（3）：15⁃19.

[3]史雪峰，陈开利，钟继卫，等.高速铁路桥梁基础沉降远程无线监测技术研究[J].桥梁检测与加固，2011（1）：1⁃4.

[4]钟继卫，史雪峰，吴巨峰.基于无线网络的桥梁在线监测系统研究[J].桥梁建设，2009（z2）：93⁃96.

[5]李晋华.基于AD7712的高精度数据采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2007，30（10）：39⁃40.

[6]蒋新花，丁华平，沈庆宏.基于现场实验的无线与有线加速度系统桥梁振动监测比较研究[J].现代电子技术，2014，37（7）：101⁃104.

Design of new acquisition node and its application in bridge health monitoring system

SHI Xue⁃feng1，2，ZHU Shi⁃feng1，2，DAI Chen3
（1.Bridge Science Research Institute，China Zhongtie Major Bridge Engineering Group，Wuhan 430034，China；2.Hubei Province Key Laboratory of Bridge Structure Safety and Health，Wuhan 430034，China；3.Hubei Hongshan Prison，Wuhan 430223，China）

since it is inadequate for data acquisition nodes of the existing bridge structural health monitoring system，a new collection node operating mode is proposed and designed based on the traditional RS 485 mode.either one acquisition node on the bus can be used as a control host，the others are slave nodes，thus making the acquisition system more concise.The collec⁃ted data is stored to the internal storage Flash to ensure that data is not lost，which improves its reliability.Such acquisition node has been applied to long⁃term health monitoring of a city overpass.The results show that the acquisition node has the ad⁃vantages of high acquisition accuracy，working in master/slave mode and easy operation.It provided a new choice for bridge and other structural health monitoring.

bridge structural health monitoring；acquisition node；master/slave mode；easy operation

TN911⁃34；TP216+.1；U447

A

1004⁃373X（2015）05⁃0023⁃04

史雪峰（1983—），男，河南南阳人，工程师。主要从事桥梁健康监测技术研究、系统构建及设备研发。

2014⁃09⁃16