基于树莓派的桥梁安全监测系统设计

刘欣雨，肖广兵

（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

桥梁作为交通道路的重要节点之一，在交通运输中发挥着重要作用。但由于桥梁长期遭受自然环境（如横风、酸雨等）和人为因素的影响，易造成其结构破损、退化等后果[1-2]，加之缺乏科学的防护措施，桥梁的安全性和稳定性问题日益凸出，若不能及时洞察和处理存在的桥梁安全隐患，易影响行车安全，甚至引发严重的交通事故，因此，加强对桥梁的实时监测和维护工作具有重要意义[3-4]。传统的桥梁监测通常为有线监测和人工巡查，其中，有线监测的方法成本昂贵，维护工作难以实施[5]，而人工巡查的方法时效性差，无法实现对桥梁信息的实时监测[6]。上述方法虽在一定程度上获取了桥梁信息，提高了道路行驶安全性，但仍无法满足未来交通对信息获取时效性、可靠性的要求。

针对传统的桥梁监测方法缺乏时效性和可靠性的弊端，陆骁旻[7]提出利用FBG 传感器作为桥梁健康传感设备中的主要光纤材料，虽实现了对传感信号长度的自动调节，也不会受到光源起伏的影响，但这种局部分布式传感器不能有效覆盖桥梁等庞大的基础设施，应用效果不佳。

本文设计了基于树莓派的桥梁安全监测系统，其通过外部设备采集监测桥梁区域的横风大小、钢索腐蚀程度以及车流量等参数信息，经过数据处理，利用无线传感网络[8-9]完成数据的传递，达到对桥梁参数信息的实时监测，提高了桥梁路段行车的安全性，实现了桥梁开放状态的合理掌控。

1 系统设计

桥梁安全监测系统由树莓派主处理器模块、桥梁横风监测模块、钢索锈蚀监测模块、车流量监测模块、无线通信模块以及上位机管理系统等组成。

系统结构如图1 所示，主要实现对桥梁路段横风大小、钢索锈蚀程度以及道路车流量进行实时监测，树莓派处理实时数据信息，把监测信息传送至PC 终端，一旦评估出监测数据超出安全标准，便发出警报并将相关指令发送到管理部门，管理人员可根据监测数据决定桥梁开放状态，制定科学的桥梁维护方案。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

2 硬件电路设计

桥梁安全监测系统硬件结构主要包括：电源模块、树莓派主处理器模块、桥梁横风监测模块、钢索锈蚀监测模块、车流量监测模块、无线通信模块以及上位机管理系统。系统结构如图2 所示。

图2 系统结构图Fig.2 Hardware structure diagram of the system

1.1 电源模块

桥梁安全监测系统中，树莓派主控模块采用1.8～3.3 V 的直流电，车流量监测模块正常工作电压为5 V 的直流电，无线通信模块则需采用2.0～3.6 V 的直流电，因此，电源电路需要将电池输出的12 V 电压分别降至5 V 和3.3 V，以保证各个模块的正常运行。电源电路如图3 所示。其中，LM2596 芯片实现对12 V 转5 V 的直流降压，其采用150 kHz 的内部振荡频率，拥有低功耗待机模式，具有外围电路简单，转化效率可达80%～90%等优点，是一款较高效的集成稳压芯片[10]。电路经过AMS1117-3.3 型号稳压器，保证输出电压为3.3 V 稳压，为硬件设备供电。该模块电路简洁安全，输出电压电流稳定，符合系统正常工作的需要。

图3 电源电路Fig.3 Power circuit

1.2 主处理器模块

本系统以树莓派为核心处理器，实现对桥梁安全信息的采集、预处理以及其他相关控制，达到桥梁安全实时监测的目的。

树莓派作为一款基于ARM 的微型电脑处理器，具有体积小、功能全面等特点，其能够控制与单片机相同的IO 引脚，拥有比其它单片机更高的处理能力[11]。如图4 所示，处理器以PAM2306AYPKE 芯片为核心，并作为模块的DC-DC 开关稳压芯片，有效保证电压稳定输出。横风监测模块、钢索锈蚀监测模块以及车流量监测模块通过无线传感网络，实现桥梁安全信息的传递，最终经过处理器的分析、预处理与控制，为评估桥梁安全度提供可靠的实时数据。

图4 树莓派电路Fig.4 Raspberry Pie circuit

1.3 无线通信模块

系统采用嵌入式无线通信模块，该模块集成ZigBee 协议，具有功耗低、稳定性好、抗干扰性强、灵敏度高等特点，适合于使用人员对系统低功耗、低开销的要求[12]。该模块以nRF24L401 单片无线收发芯片作为主工作核心，其工作电压为3.3 V，最高通信速率为20 kb/s，可以直接与树莓派相接，控制简单方便，并且无需对数据进行编码，易实现各个监测模块、上机位管理系统之间的无线通信。nRF24L401 具体电路结构如图5 所示。

图5 无线通信模块电路Fig.5 Wireless communication module circuit

1.4 桥梁横风监测模块

系统横风监测模块采用PH100SX 三杯式风速传感器，其风速风向测量范围为 0～60 m/s 和0～360°，启动风速小于0.5 m/s[13]。在风力作用下，风杯绕轴旋转，转速将正比于风速，并以电触点形式输出。PH100SX 三杯式风速传感器具有测量精度高、量程范围宽、稳定性好、功耗低、电路寿命长、能长期稳定工作等优点，广泛用于气象、交通等领域。具体的电路结构如图6 所示。

图6 横风监测模块电路Fig.6 Circuit of crosswind monitoring module

1.5 钢索锈蚀监测模块

桥梁钢索锈蚀监测模块采用CST700 钢筋锈蚀测试仪，其集成电路由CMOS 和BiFET®组成，正常工作电压可选用220 V 交流电压或4 节AA电池。具体电路原理如图7 所示。

图7 CST700 电路原理图Fig.7 Schematic diagram of CST700 circuit

测试仪操作简易，从测量区域表面即可获得钢索腐蚀速率，广泛应用于大坝、桥梁中的的钢筋锈蚀监测及阻锈剂评价，是一款性能稳定、功耗低、易操作和控制的监测仪器。此外，仪器内置的RS232 接口可以将历史测量数据上传到PC机，有利于管理人员对测量数据的整体把握。

1.6 车流量监测模块

车流量监测模块以智能摄像头为设备基础，通过监控跟踪，定位分析[14]，从而把握桥梁路段车辆通行以及道路车流量状况。智能摄像头还可以为管理人员调取实时视频画面，传递监测区域的交通道路情况。

其中，摄像头以OV7620 图像采集集成芯片作为核心，分辨率可达640×480，传输速率可达到30 帧，内置A/D 转换器，正常工作电压采用5 V 直流电，具有自动增益和自动平衡控制功能，能够满足本系统对车流量的监测要求。OV7620具体电路结构如图8 所示。

图8 OV7620 电路原理图Fig.8 Schematic diagram of OV7620 circuit

2 系统软件设计

系统软件在Visual Basic6.0 环境中编译和控制，其各个模块的界面设计由Visual Basic6.0 中的各种控件构成。

如图9 所示，系统操作主界面由桥段横风实时监测，桥梁钢索锈蚀监测，车辆信息实时监测，天气，个性化设置，以及退出登录按钮组成。

图9 软件主界面Fig.9 Main interface of the software

其对应的功能依次为：桥梁横风监测；钢索锈蚀程度监测；交通载荷动态监测；查看实时天气；软件界面个性化设置；最后是退出系统。

图10 是桥段横风实时监测界面。主要实现对风力、风向以及平均风速等参数的实时监测，管理员可以通过数据终端获取实时的横风参数信息，当风力超出安全范围时，点击发送警报按钮可及时向监测区域的管理部门传递预警信息，为调整桥梁开放时间以及采取防护措施提供充足的准备时间。

图10 横风实时监测界面Fig.10 Crosswind real-time monitoring interface

此外，管理人员还可以通过点击桥段横风实时监测界面的设备管理按钮实现对监测仪器的整体掌握，具体界面如图11 所示。该界面主要包括信号强弱、设备连接情况、运行状态以及巡检报告等数据信息。当设备出现故障时，管理人员还可以通过点击上报维修按钮，将设备故障信息和故障时间发送给数据终端，实现对故障设备的及时维修。

图11 设备管理界面Fig.11 Device management interface

图12 为桥梁钢索锈蚀监测界面。该界面从桥梁结构锈蚀位置、结构材料、锈蚀原因、锈蚀速率等因素综合考量桥梁钢索锈蚀情况，并结合桥梁结构特点评估出锈蚀结构是否满足正常安全要求，有利于管理人员及时了解各个监测桥梁钢索锈蚀程度，分析钢索锈蚀原因，并可以通过警报按钮及时发送警报信息。

图12 钢索锈蚀监测界面Fig.12 Cable corrosion monitoring interface

图13 为车辆信息监测界面。该界面记录了车流量以及驶入的车型信息，并以图14 中的柱状图形式呈现出来。同时，该界面还具备自动警告功能，当监测的车流量到达阈值后，后台就会向管理员自动发出报警信息，及时调整该桥梁的开放状态。

图13 车辆信息监测界面Fig.13 Vehicle information monitoring interface

图14 车流量监测界面Fig.14 Vehicle flow monitoring interface

实时监控按钮则提供管理人员对道路情况的直接掌控。如图15 所示，该界面能有效记录驶入桥梁的每个车辆，并将监测到的大量数据如车型等汇集成图表的形式，为管理人员提供了真实的历史数据，以便道路安全的评定。同时，此监控具有回放功能，方便管理人员对交通事故的评测，了解不同桥梁安全情况，为不同桥段制定独特的方案。

图15 监控界面Fig.15 Monitoring interface

软件的核心功能在于对桥梁横风大小、钢索锈蚀程度以及车辆信息的监测，通过三杯式风速传感器、钢索锈蚀仪等设备的动态监测以及主处理器的数据处理，管理人员可以在数据终端接收监测信息，提出科学的决策方案。系统具体软件流程如图16 所示。

图16 系统软件流程图Fig.16 Software flow chart of the system

此外，软件还兼具查询天气、个性化设置等辅助功能，如图17 所示。

图17 天气查询界面Fig.17 Weather query interface

在天气界面设计了预警、降水强度查询、历史天气查询以及未来天气预测等按钮，点击降水强度按钮后，便可以了解监测区域的降水强度，管理人员可以根据雨量、降水强度等环境因素生成舆情简报，舆情简报将详细简述各个监测区域的水位情况，并分出舆情严重和轻缓不同程度，以评估出不同监测区域的情况。

3 结论

本文中基于树莓派的桥梁安全监测系统，通过外部设备采集监测桥梁区域的横风大小、钢索腐蚀程度以及车流量等参数信息，经过无线通信将实时信息传递到客户端，使管理人员及时掌控桥梁实时监测信息，提高了桥梁路段车辆行车的安全性，实现对桥梁开放状态的合理掌控。