基于LoRa+云服务的桥梁健康监测系统研究

郑朋飞，杨 康，韩家山，陈新培，何平根

(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司,河南 洛阳 471000)

0 引言

桥梁健康监测技术起步于20世纪80年代,最初主要用于测量桥梁应变、位移和温度数据,后增加风力和结构动力等监测内容,随着互联网技术的发展,监测系统逐步向实时监测、同步分析和数据网络共享等方向发展[1]。桥梁建设的高速发展使我国在桥梁设计理论、建造技术及建桥装备等方面已经达到国际领先水平[2],但随着桥梁服役年限的增长,服役环境的恶化,桥梁的安全与健康保障问题日益凸显[3],传统的管养模式呈现人工化、碎片化、低共享性以及评估标准不统一的特征,难以满足现代桥梁建设与管养发展需求。因此,开展桥梁结构运营期间状态的健康监测和检测,有助于制定科学的评估养护决策,其已成为当今世界范围内的研究热点[4-8],桥梁建设与运营期间的健康监测实现智能化监测、智能化管理和智能化决策对促进经济发展和保障生命安全具有双重意义。

近年来,桥梁结构安全与健康保障问题越来越受到人们的关注,桥梁结构健康监测系统已经成为保障桥梁安全运营的重要手段之一,但同时也面临着很多亟待解决的问题,如桥梁健康监测系统存在海量多源异构数据采集困难、数据传输滞后、通讯距离有限、设备功耗高以及数据存储与数据共享等问题。针对上述描述的问题,本文设计了一种基于LoRa+云服务的桥梁健康监测系统,该系统基于物联网三层架构的基础,充分利用LoRa技术的功耗低、自组网快捷和通讯距离远等特点将数据采集终端和数据采集网关连接,实现桥梁结构从整体到局部的实时监测,然后通过远程无线通讯技术将监测数据上传到桥梁健康监测云平台,利用云服务器强大的数据存储和计算能力,建立完善的桥梁集群健康监测数据平台。该系统打破了传统监测模式下“信息孤岛”的现象,具备低功耗性、扩展能力强、系统组网便捷、运行成本低等优势,可以满足桥梁实时数据的远程采集,实现数据资源的深度共享。

1 基于Lora+云服务的桥梁健康监测系统

1.1 系统总体架构设计

本文结合LoRa、云服务和移动通讯等技术提出的桥梁健康监测系统采用物联网的三层架构,主要由桥梁数据感知层、桥梁健康监测云服务层和应用层三部分组成,其系统框架结构如图1所示。该系统可以为桥梁相关企业和用户在桥梁运营状态数据的采集与集成、数据存储、状态评估、管理等方面提供一套完整的解决方案,确保桥梁安全运营,延长桥梁使用寿命。

1.2 监测系统功能

1)实时数据采集。系统采用LoRa数据采集终端采集各节点传感器实时数据,降低系统复杂程度,同时实现数据远程实时无线传输。

2)多源异构数据集成。数据的多源异构性和应用服务的多样化对数据的集成提出了更高的要求。采集设备采用的标准不一致将导致采集的数据呈现多源异构的特性,因此在系统内搭建一个数据转换层,将多源异构的数据转换为统一的数据格式,方便数据的调用。

3)基于Web的云服务发布。用户可以根据自己的需要通过对应的协议或者可编程的Web组件请求自己需要的服务。

2 监测系统硬件设计

本监测系统硬件主要由LoRa数据采集终端和LoRa数据采集网关组成。LoRa数据采集终端一方面负责现场节点传感器数据的采集与控制;另一方面接收并执行网关下发的控制命令。LoRa数据采集网关是整个监测系统硬件的核心,控制系统内各数据采集终端,同时对上传的数据进行多源异构集成,最后将同构化的数据打包发送给云平台的数据存储服务器,为云平台进行桥梁健康状态分析与评估提供数据基础。

2.1 LoRa采集节点布置方式

LoRa的全称为“Long Range Radio”,是一种低功耗广域网(LPWAN)无线标准,主要采用窄带扩频技术,实现了低功耗和远距离通讯的统一,抗干扰能力强[9]。本监测系统中数据采集终端节点和数据采集网关节点之间采用星型网络拓扑结构相连接,系统由数据采集网关作为数据传输中央节点,与各数据采集终端节点之间进行数据传输和指令交互,各数据采集节点直接与数据采集网关节点进行远程通信,有效降低系统复杂度并降低网络传输延迟,提高了网络容量,其系统采集节点拓扑结构如图2所示。

2.2 LoRa数据采集终端

LoRa数据采集终端负责采集各节点传感器数据,同时还需要通过LoRa的组网网络与网关节点完成传输数据和命令交互,其关系到整个桥梁健康监测系统数据采集的实时性和稳定性。本文设计了8路的模拟量输入和8路的数字量输入的LoRa数据采集终端,其主要包括以下模块:LoRa终端节点模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、电源模块等模块,其结构如图3所示。

2.3 LoRa数据采集网关

LoRa数据采集网关在硬件设计时需考虑桥梁特殊的工作环境,必须保证数据采集网关的稳定运行。在硬件系统上考虑搭建Broadcom最小系统,在嵌入式操作系统的基础上扩展各功能模块,主要由控制器模块、电源模块、LoRa主站通信模块、RS485串口通信模块、本地数据存储模块、移动通讯模块等组成,其数据采集网关硬件系统的结构框架如图4所示。其中LoRa主站通信模块和RS485串口通信模块负责结束数据采集终端采集的数据;电源模块主要由电源开关和电流稳定器组成,以保证数据采集网关电流的整体稳定;移动通讯模块主要是实现网关与云服务器之间的远程通讯,实现数据的远程传输功能;控制器模块是整个数据采集网关的核心,选用Linux操作系统的Raspberry作为核心部件,其内置高性能的CPU可以满足数据采集网关控制的需求;此外,该网关还设置了本地存储模块,可以根据设计需求采用不同规格的TF存储卡来满足数据采集网关操作系统本地数据存储的要求。

数据采集网关作为数据采集终端与云服务器之间的“桥梁纽带”,在功能上需要满足对复杂通讯协议和控制算法的运行需求,且能满足多源异构设备及系统之间的数据采集与集成,最终可以实现数据采集与远程传输,达到数据共享的目的。

3 监测系统软件设计

3.1 数据采集终端软件设计

数据采集终端在负责各节点传感器数据采集的同时还需要完成传输数据和命令交互,当数据采集终端接收到数据采集网关节点下发的命令后,首先针对指令的CRC进行校验,在无误的条件下根据指令中的帧命令的操作要求执行对应的操作指令,即针对对应节点进行数据采集并将采集的数据传输到对应的网关节点,终端节点设备软件工作流程如图5所示。

3.2 数据采集网关软件设计

数据采集网关负责将现场相关设备的信息进行采集与集成,经过网关集成层的语义、语法集成后,解决了不同设备之间数据传输协议不相同和数据多源异构的问题,在完成数据的同构化处理后将数据打包发送至数据存储节点,数据存储节点通过移动无线通讯网络将监测数据传输至云服务器,完成感知层的数据采集与集成,其软件工作流程如图6所示。

3.3 健康监测云平台设计

桥梁健康监测数据云平台利用云服务强大的数据存储和计算能力,为桥梁健康监测提供海量存储、超级计算、动态扩展等优秀服务。桥梁健康监测数据云平台用于存储、处理、分析、展示和查询桥梁监测数据,可以根据应用层的需求动态调用相关数据和模型进行数据集成和分析,然后进行桥梁健康状态的评估,最后通过Web服务提供统一的应用数据访问接口,用户通过计算机或者移动智能设备访问监测数据云平台,实现桥梁健康状态数据的实时共享,打破传统监测模式下“信息孤岛”的现象。

健康监测云平台系统采用JAVA,JavaScript,HTML和CSS等技术开发,云服务器采用阿里云服务器,云平台兼容目前各大主流浏览器,其功能模块如图7所示。健康监测云平台主要由项目管理、配置管理、数据分析、状态评估和系统管理五大功能模块组成,共同实现桥梁健康监测数据的实时共享、数据存储、数据分析及数据展示等功能。系统用户可以通过Web网页或者移动端APP远程登录健康监测云平台,直观地查看到不同桥梁健康监测项目的实时数据。

3.4 网关转发和断点续传

为满足桥梁健康监测系统实时监测的功能,数据采集网关接收到数据采集终端的数据后,利用移动通信技术与云平台数据服务器之间进行数据远程传输。当数据采集网关与数据服务器之间建立通信后并保持常连接状态,然后健康监测云平台对数据采集网关进行身份认证,当验证通过后数据采集网关传输加密的数据包[10],其网关通信流程如图8所示。

面对桥梁复杂的工作环境,在数据采集网关传输的过程中若出现系统断电或者通讯信号不佳等情况导致数据传输失败的情况,系统采用断点续传的通讯方式,即监测系统利用本地存储模块,当供电恢复或信号恢复后,将本地存储的数据按照时间戳进行打包加密,再远程传输到云平台的数据服务器,保证数据可追溯及完整性。

4 系统实现于验证

基于LoRa+云服务的桥梁健康监测系统设计完成后,为验证系统的可行性在实桥上开展监测系统的相关应用测试。本文选取位移传感器、温湿度传感器、裂缝传感器以及测力传感器等作为感知层的数据采集节点,LoRa终端节点模块通过LoRa的组网网络与网关节点完成传输数据和命令交互。系统设置定时上传采集数据,网关设置为实时监听模式,实时监测各数据采集节点数据的变化情况,一旦监测到上传数据,立即启动通讯接口,接收实时监测数据。通过测试,结果表明监测的稳定性和实时性可以满足需求,运行效果良好,其监测系统桥梁梁体裂缝传感器安装示意和云平台应用端如图9,图10所示。

5 结论

随着物联网技术与桥梁工程的不断结合,对桥梁健康监测的智能化提出了越来越高的需求,构建一个共享型、开放式以及多元化的健康监测平台已成为一种必然的趋势。因此,本文基于LoRa+云服务技术设计了桥梁健康监测系统,研制了健康监测系统的硬件采集终端设备,开发了桥梁健康监测系统的云平台,并进行系统的搭建与验证,得出的结论如下:

1)本系统采用物联网的三层架构,由桥梁数据感知层、桥梁健康监测云服务层和应用层组成,系统具备拓展性强、数据传稳定且延时小、部署方便等特点,可以实现对桥梁结构进行多维度的信息监测。

2)本系统利用LoRa星型自组网技术搭建了具备远程无线传输的桥梁数据采集系统,实现了桥梁监测数据的分布式采集与集成,其具备组网便捷、功耗低以及扩展性强等特点,符合桥梁结构健康监测的应用场景。

3)本文开发的桥梁健康监测云平台可以随时随地查阅各时段的监测数据,为专家进行桥梁健康状态的分析提供数据支撑,同时用户可以使用计算机或移动端APP访问云平台,获取桥梁结构的健康状态。若系统数据超出设定的阈值,云平台触发报警设置,并向相关用户发送报警信息,保证桥梁的安全运营。