基于GPRS的桥梁健康远程智能监测系统

蒋恒

【摘 要】本文主要介绍了基于GPRS的桥梁墩台沉降观测系统和嵌入式桥梁远程裂缝监测系统，能够有效提高对桥梁结构的监测，有利于促进我国桥梁建设行业的快速发展。

【关键词】GPRS;桥梁工程;健康监测

【中图分类号】U446   【文献标识码】A

1.引言

近年来，随着我国科学技术的不断进步，我国在桥梁监测方面也实现了质的飞跃，桥梁远程监测系统，能够借助有线网络或者无线通信完成对桥梁结构的远程监测，这不仅降低了人工监测的错误率，还在很大程度上提高了远程监测的自动化程度，有利于及时发现桥梁健康问题，并采取相应的措施进行解决。目前，GPRS技术已经被广泛应用于桥梁健康远程监测，桥梁健康监测部门能够借助GPRS技术快速获取桥梁信息，为监测工作带来了巨大的便利。

2.GPRS简介

GPRS（General Packet Radio Service）也叫做通用分组无线业务，其主要用来进行数据承载和传输。与传统的GSM相比，GPRS不仅承载数据的效率更高，而且能够实现实时在线，具有很大的优势。在计费方式上，GPRS更加方便快捷，其只需要根据数据流量的多少就可以计费。除了可以进行数据传输外，GPRS还具备语音通话的功能，相对于短消息等无线数据通信业务，GPRS的价格具有相当的优势。

3.基于GPRS的桥梁健康远程智能监测系统

3.1基于GPRS的桥梁墩台沉降观测系统

基于GPRS的智能桥梁结构健康监测系统可同时监测多座桥梁，对于某个桥梁结构健康监测系统主要分为前台数据采集传输系统和后台数据分析及服务系统两部分。前台系统主要由传感器系统、RS—485总线、数据采集系统和GPRS无线通讯模块组成。后台系统主要由监控中心数据服务器和Web服务器组成。

3.1.1前台系统

单个桥梁的前台系统，将传感器系统安装在桥梁的墩台上，该系统运行的原理是连通原理[1]，主要是在内部有一个连通管，管内装有一定量的液体，如果桥梁的墩台发生沉降，那么液体高度就会随之变化。通过使用RS-485总线将传感器串联起来，然后再和数据采集器进行相连，由此收集桥梁墩台沉降的数据，并通过相应的传输系统将数据发送至监控中心，由此实现远程监测。

GPRS是通用分组无线服务技术（ general pack etradio service） 的英文简称，是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP 连接。为防止 GPRS 通讯网络的中断，数据采集系统中内嵌存储单元，当通讯恢复后能够补录数据。

3.1.2后台系统

在桥梁现场安装的数据采集器能够及时将采集到的墩台信息进行传输，传输的介质是串口，首先信息先被传输到GPRS_DTU，然后再被传输到GPRS网络上，在GPRS的端口进行输出，进一步将信息输出到Internet上，由此一来就可以实现和监控中心服务器相通。对于监控中心来说，其要对收到的数据信息进行处理，就需要在数据服务器上建立数据库，当分析处理结束后，其结果在Web服务器介质的作用下被發布到Internet上，从而构成完整的桥梁结构健康监测系统。

3.1.3工程应用

3.1.3.1测点布置

某大型连续梁桥，全长572m，位于京珠高速长潭段。根据大桥技术状况，监测16#、17#桥墩的沉降变化，观测点分别布置在16#、17#墩的上下游侧。通过对大桥历史技术资料的分析，将监测基准点设置在18#墩上下游侧（如图1）。

3.1.3.2沉降监测数据

图2所示是2012年10月1日至12月31日期间，相对基准点，16#墩和17#墩的相对沉降监测数据。监测结果表明，16#墩和17#墩相对于18#墩基准点的差异沉降在监测期间没有发生明显变化，不会造成大桥安全隐患。

3.1.4结论

基于GPRS技术的大桥结构智能健康监测系统与传统的桥梁监测方法相比，其可以实时对桥梁的状态进行监测，便于管养人员及时了解桥梁结构状况，并及时发现问题，解决问题。这不仅提高了桥梁监测与维修效率，还在一定程度上降低了管养成本。

3.2基于GPRS的嵌入式桥梁远程裂缝监测系统

3.2.1最小嵌入式系统设计

在对桥梁进行监测时，嵌入式系统一般是独立工作的，通常会消耗较大的功耗，要想降低系统的功耗，就需要进行最小嵌入式系统设计。本系统建立的最小系统基本结构，其主要包括微处理器AT91RM9200、电源电路、晶体振荡器电路、复位电路、JTAG接口、存储器模块、串行调试接口等电路组成[2]。该系统可以实现低功耗主要就是采用的芯片是低功耗的，另外，在进行监测时采取的是智能监控策略，其余所有和裂缝没有关系的器件都进行删除，从而降低监测系统的功耗。

3.2.1.1内核的选择

Linux操作系统具有内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、可裁减和低成本的特性，非常适合于嵌入式应用，通过对其进行内核配置，裁减 shell和系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的FLASH中。整个系统软件在嵌入式 Linux的基础上构建， AT91RM9200平台使用的 Linux内核在 Linux-2.4.18内核基础上编译而成。系统使用的文件系统是yaffs，包括应用程序、模块、配置文件和库等，系统图像采集建立在嵌入式 Linux内核之上。

3.2.1.2图像采集

Video4Linux是 Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。系统使用基于 OV511的 USB摄像头，采用设备文件/ dev/ video进行图像采集。在运行程序前，加载USB及OV511设备驱动模块以访问摄像头设备。通过对 Video4LinuxAPI进行编程，实现图像的采集，采集到的图像帧数据经过算法处理即可进行裂缝识别。

3.2.1.3通信设计

系统通过 GPRS无线通信方式实现监测信息的远程传输[3]。采用 SIEMENS公司 MC55芯片的 GPRS模块通过 GSM网络与手机进行通讯，该 GPRS模块可以接收手机发出的命令并由串口传递给 ARM系统，也可将 ARM系统发送的裂缝信息传回手机。另外，在该系统设计中还增添了数据帧格式，主要是为了提高数据传输的准确性，一旦数据帧传输出现问题，就会及时进行重新发送。最小嵌入式系统还通过GPRS网络以及互联网完成了远程通信，能够通过Internet服务器对桥梁的状态进行实时监测，一旦监测到裂缝信息，就会自动发出警告。

3.2.2结论

通过使用最小嵌入式系统，不仅可以简化监测程序，还能够实现对桥梁的实时监测，大大提高了监控效率。

【参考文献】

[1]曾威，于德介，胡柏学，等.基于连通管原理的桥梁挠度自动监测系统[J].湖南大学学报，2007（7）：44-47.

[2]鄢真，严丽平.基于GPS的嵌入式桥梁实时数据采集系统的探究[J].山西建筑，2009，35（32）：365-366.

[3]刘枝辰，俞腾，谭力.桥梁结构安全健康监测的技术方法探究[J].科技通报，2013，29（05）：87-92.

基金项目：2017年湖南省教育厅科学研究项目，基于GPRS的桥梁健康远程智能监测系统研究，编号：17B273。