道路层面响应参数采集系统的设计开发*

王 豪 吕承举 纪少波 廖宝梁 李 萌 徐怀民

(1.山东大学能源与动力工程学院 济南 250061； 2.山东省交通科学研究院 济南 250031)

目前，路基路面的健康状态多采用传统检测设备对路基结构进行定期定点检测，利用有线布局的方式，工程量大，另外，此系统需要检测人员到现场作业，数据采集成本高[1-2]。文献[3]开发了一套高速公路养护管理系统，系统亦需要作业人员到现场采集数据，并对系统进行维护；文献[4]开发了高速公路采集系统，能够采集高速公路的路况图像，但依靠人工到现场测试数据，无法实现数据的长期自动监测；文献[5]研发的公路路面信息监测系统，将传感器进行了集成设计，但系统只能监测路面的信息，不能实时采集路基结构内的应力应变情况。

综上，现有测试方法效率低，测试成本高，采集到的数据无法全面反映道路应力、应变变化规律,且无法长期保存。鉴于此，本文开发了一种无人值守的自动采集系统，本系统将传感器直接预埋在新建公路路基内，长期监测道路多层面应力参数，并将处理后的数据永久保存至大容量闪速存储器(Flash存储器)中。系统采用太阳能锂电池组供电，保证系统的长期运行；采用激光测距传感器判断是否有车辆到来，实现系统工作状态的控制。该系统具有无人值守、自动采集数据的特点，不需要专门的人员在现场进行数据测试，降低了测试所需的人力、物力消耗，具有广阔应用前景。

1 功能介绍

本文开发的系统结构主要包括4部分：太阳能充电锂电池组电源、车辆到位感知模块、数据采集存储系统及上位机分析软件。系统的总体结构见图1。

图1 系统总体结构

太阳能充电锂电池组电源包括锂电池组及太阳能充电系统2部分，锂电池组产生12 V的直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储系统。当锂电池组电量降低至下限时，太阳能充电系统自动开启为电池组充电，通过这种方式保证系统可长期运行。车辆到位感知模块利用传感器检测车辆是否到位，并通过单片机及通讯电路将车辆的到位情况传递给数据采集及存储系统。系统接收到车辆到位感知模块的信号后，控制数据采集及存储系统采集路基形变传感器的信号。路基形变传感器信号首先经差分放大等处理后，进行数据采集，采集的同时将数据快速保存至静态RAM(随机存取存储器)芯片内，待车辆驶过后，再将存储至静态RAM的信号及采样时间存至大容量Flash存储器内。最后通过上位机软件提取存储器数据，对数据进行滤波处理后，从中提取有用信息反映道路应变信息，并将处理后的数据进行保存。

2 设计思路

2.1 车辆到位感知模块的设计

车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、单片机及通讯电路等4部分。总体功能见图2，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器信号，该信号经施密特触发电路整形处理后传送给单片机，单片机根据该信号确定车辆是否到位，如车辆到位则利用通讯电路告知数据采集存储单元，开始进行数据采集及存储。

图2 车辆到位感知模块功能示意图

2.2 数据采集存储模块的设计

数据采集存储单元包括路基形变测试传感器、采集板及主控制器等3部分。所用的传感器为全桥式应变传感器，传感器外形见图3。该传感器受到外力作用时，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，由于道路应变小导致应变电阻变化范围一般都很小，通过惠斯通电桥可将传感器的微小电阻变化转换成电压变化向外输出。

图3 应变传感器外形图

采集板电路中通过2.5 V恒压源MC1403给各传感器供电，传感器输出信号首先送入LM258运算放大器进行差分放大，同时通过低通滤波电路对信号进行处理；初步处理的信号送入AD526可调增益放大器中对放大倍数进行二次调节；调节后的电压信号送入MAX197模数转换单元中进行处理，处理后的信号通过连接主机板的接口传送到主机板的高速RAM中。采集板功能示意见图4。

图4 采集板功能示意图

主控制器以STC12C5A60S2单片机为控制核心；采用74HC573地址锁存器及625128高速静态RAM作为暂存单元，存放采集过程的临时数据；采用CH376S文件管理芯片扩展了大容量Flash存储器接口电路；采用PCF8563实时时钟芯片记录每次采样的时刻；通过MAX705硬件看门狗芯片保证整个工作的可靠性；此外，采用MAX232芯片实现了串口通信功能，方便后续系统功能的扩展。主控制器的功能示意见图5。

图5 主控制器功能示意图

数据采集存储模块的测量精度与传感器本身精度等级、传感器安装方式及模数转换单元的转换精度等因素有关。系统采用的应变传感器的精度等级为0.5%，模数转换单元的转换误差理论上在0.5%以内，整个系统的误差由上述误差叠加而成，但由于各部分出现偏差的方向不完全相同，故系统误差不是各部分误差的简单叠加，应该根据均方根求得。系统在实际使用过程中受到外界干扰，其影响远超过系统本身的误差，需通过上位机软件的滤波算法消除干扰的影响，提高信号的信噪比。

2.3 上位机软件的设计

本文所开发的上位机软件程序从Flash存储器中提取数据，数据提取过程中根据存储时的通道号、数据高位及数据低位，依次提取各通道的数据。通过数据采集存储模块得到各传感器输出的电压信号，并通过传感器的转换系数将测量的电压值转化为对应的物理量，转换系数通过对传感器标定得到，不同传感器的转换系数存在差异，故程序设计了转换系数修改窗口，用于输入各传感器的转换系数。每次修改后，程序会自动根据新的系数计算各通道信号对应的物理量。程序设计了数字滤波算法程序，可对各通道信号进行数字滤波处理，减少干扰成分，提高信号的信噪比。软件开发了各通道信号对比程序，可方便识别不同通道信号的特点。软件能够显示图像时域参数，当鼠标移动时，窗口上方会同步显示鼠标焦点所在位置的横、纵坐标值，通过鼠标框选可实现选定区域的放大显示。程序具有数据存储功能，可将提取后的数据及数字滤波后的数据进行存储，方便后续开展分析工作。程序还增加了参数设置界面，可通过串口访问主机板的主控单片机，并下传设定的参数，如果主机板收到设定的增益及时钟参数，则回馈信息给上位机程序。软件具备联机测试功能，该功能需要通过串口将电脑与自动采集系统的通讯端口相连，实现数据的上传，上位机软件界面见图6。

图6 上位机软件界面图

3 功能验证

通过现场试验对数据采集系统的功能进行验证，应变传感器安装方式如图7所示，为反映道路不同层面的应变情况，在道路不同层面安装应变传感器；为反映同一层面的道路应变情况，在同一层面间安装不同传感器测量道路水平方向拉、压应变。为保证传感器的测量精度，传感器安装时应保证载荷的作用线与传感器受力轴线重合，避免产生附加力矩；另外，使用多个传感器时，传感器安装位置的温度应尽量接近，以减少温度对传感器输出信号的影响。

图7 传感器布置示意图

现场试验选用一辆4轴货车(前2轴较轻，后2轴较重)进行道路应变测试，当车辆经过到位感知模块时，系统自动采集并存储数据，利用上位机软件从大容量Flash存储器中导出测试数据，并选取通道1数据进行如图8所示的数字滤波处理。

图8 信号滤波处理前后对比图

由图8可见，上位机软件使用的滤波方式不仅可以去除信号内噪声，提高信噪比，还能够有效保留信号的峰谷值。此外，在荷载引起波峰出现前都有一个小波谷，如图中2，6，10，13点，这是因为荷载靠近传感器时对道路有一个压缩过程。从基准线到第一个波谷(1点到2点)是前轴轮载通过时产生的第一个压应变。从波谷到波峰之间的差值(2点到3点)是前轴轮载产生的第一个拉应变对应的电压增量。然后从波峰到第二个波谷(3点到4点)是轮胎荷载离开传感器时引起的应变响应。第4点到第5点则是轮胎荷载离开传感器时引起的拉伸响应。根据以上分析可知，每个轴产生的最大应变响应的电压差就是该荷载引起的第一个波谷和第一个波峰之间(2个连续变形点)的电压差值。故第2、3、4轴产生最大拉应变的电压差分别对应6点和7点、10点和11点、13点和14点之间的电压差。由上述变形点的选择原则，计算出代表响应指标的2个连续变形点的电压差值后，乘以各通道的转换系数即得到应变值。

4 结语

1) 本文开发的道路层面响应参数采集系统具备无人值守功能，可实现路基应变参数的自动采集。系统主要包括太阳能充电锂电池组电源、车辆到位感知模块、数据采集存储模块及上位机分析软件4个部分。

2) 太阳能充电锂电池组电源主要为车辆到位感知模块和数据采集存储模块供电，当电池电量不足时，系统自动利用太阳能为其充电，节约了从市区供电所消耗的人力物力，且使系统能不间断地工作，保证了数据采集的完整性。

3) 车辆到位感知模块利用激光测距传感器判断车辆是否到位，并控制数据采集系统采集数据。数据采集及存储系统能在接收到车辆到位信号后进入快速采集状态，并将采集到的数据暂存到SD卡中，在采集空档时，再存入大容量Flash存储器内。上位机软件可以实现数据滤波处理，并转化为相应的物理量，方便后续应变信息的提取。

4) 试验验证结果表明，当有车辆经过时，系统能够自动判断并进行数据采集和存储，上位机软件可以提取大容量Flash存储器中的数据，数字滤波后的信号信噪比有提高。

[1] 隋海波,施斌,张丹,等.边坡工程分布式光纤监测技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(2):3725-3730.

[2] 张开洪,李聪,张文会.基于ZigBee和GPRS的嵌入式桥梁健康监测系统[J].重庆交通大学学报,2012,31(6):1116-1120.

[3] 王华斌,万庆.高速公路养护管理信息系统设计与开发[J].地球信息科学,2005(4):71-75.

[4] 邹国平,黄铮,郝国昌.基于PDA高速公路养护数据采集系统设计与实现[J].交通标准化,2007(6):97-101.

[5] 刘颖,李刚,李鹏伟,等.嵌入式公路健康监测传感器系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(7):81-84.