基于樹莓派的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉欣雨，肖廣兵

（210037 江蘇省 南京市 南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

橋梁作為交通道路的重要節(jié)點之一，在交通運輸中發(fā)揮著重要作用。但由于橋梁長期遭受自然環(huán)境（如橫風、酸雨等）和人為因素的影響，易造成其結構破損、退化等后果[1-2]，加之缺乏科學的防護措施，橋梁的安全性和穩(wěn)定性問題日益凸出，若不能及時洞察和處理存在的橋梁安全隱患，易影響行車安全，甚至引發(fā)嚴重的交通事故，因此，加強對橋梁的實時監(jiān)測和維護工作具有重要意義[3-4]。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測通常為有線監(jiān)測和人工巡查，其中，有線監(jiān)測的方法成本昂貴，維護工作難以實施[5]，而人工巡查的方法時效性差，無法實現(xiàn)對橋梁信息的實時監(jiān)測[6]。上述方法雖在一定程度上獲取了橋梁信息，提高了道路行駛安全性，但仍無法滿足未來交通對信息獲取時效性、可靠性的要求。

針對傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方法缺乏時效性和可靠性的弊端，陸驍旻[7]提出利用FBG 傳感器作為橋梁健康傳感設備中的主要光纖材料，雖實現(xiàn)了對傳感信號長度的自動調節(jié)，也不會受到光源起伏的影響，但這種局部分布式傳感器不能有效覆蓋橋梁等龐大的基礎設施，應用效果不佳。

本文設計了基于樹莓派的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，其通過外部設備采集監(jiān)測橋梁區(qū)域的橫風大小、鋼索腐蝕程度以及車流量等參數信息，經過數據處理，利用無線傳感網絡[8-9]完成數據的傳遞，達到對橋梁參數信息的實時監(jiān)測，提高了橋梁路段行車的安全性，實現(xiàn)了橋梁開放狀態(tài)的合理掌控。

1 系統(tǒng)設計

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)由樹莓派主處理器模塊、橋梁橫風監(jiān)測模塊、鋼索銹蝕監(jiān)測模塊、車流量監(jiān)測模塊、無線通信模塊以及上位機管理系統(tǒng)等組成。

系統(tǒng)結構如圖1 所示，主要實現(xiàn)對橋梁路段橫風大小、鋼索銹蝕程度以及道路車流量進行實時監(jiān)測，樹莓派處理實時數據信息，把監(jiān)測信息傳送至PC 終端，一旦評估出監(jiān)測數據超出安全標準，便發(fā)出警報并將相關指令發(fā)送到管理部門，管理人員可根據監(jiān)測數據決定橋梁開放狀態(tài)，制定科學的橋梁維護方案。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure diagram

2 硬件電路設計

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構主要包括：電源模塊、樹莓派主處理器模塊、橋梁橫風監(jiān)測模塊、鋼索銹蝕監(jiān)測模塊、車流量監(jiān)測模塊、無線通信模塊以及上位機管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of the system

1.1 電源模塊

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)中，樹莓派主控模塊采用1.8～3.3 V 的直流電，車流量監(jiān)測模塊正常工作電壓為5 V 的直流電，無線通信模塊則需采用2.0～3.6 V 的直流電，因此，電源電路需要將電池輸出的12 V 電壓分別降至5 V 和3.3 V，以保證各個模塊的正常運行。電源電路如圖3 所示。其中，LM2596 芯片實現(xiàn)對12 V 轉5 V 的直流降壓，其采用150 kHz 的內部振蕩頻率，擁有低功耗待機模式，具有外圍電路簡單，轉化效率可達80%～90%等優(yōu)點，是一款較高效的集成穩(wěn)壓芯片[10]。電路經過AMS1117-3.3 型號穩(wěn)壓器，保證輸出電壓為3.3 V 穩(wěn)壓，為硬件設備供電。該模塊電路簡潔安全，輸出電壓電流穩(wěn)定，符合系統(tǒng)正常工作的需要。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

1.2 主處理器模塊

本系統(tǒng)以樹莓派為核心處理器，實現(xiàn)對橋梁安全信息的采集、預處理以及其他相關控制，達到橋梁安全實時監(jiān)測的目的。

樹莓派作為一款基于ARM 的微型電腦處理器，具有體積小、功能全面等特點，其能夠控制與單片機相同的IO 引腳，擁有比其它單片機更高的處理能力[11]。如圖4 所示，處理器以PAM2306AYPKE 芯片為核心，并作為模塊的DC-DC 開關穩(wěn)壓芯片，有效保證電壓穩(wěn)定輸出。橫風監(jiān)測模塊、鋼索銹蝕監(jiān)測模塊以及車流量監(jiān)測模塊通過無線傳感網絡，實現(xiàn)橋梁安全信息的傳遞，最終經過處理器的分析、預處理與控制，為評估橋梁安全度提供可靠的實時數據。

圖4 樹莓派電路Fig.4 Raspberry Pie circuit

1.3 無線通信模塊

系統(tǒng)采用嵌入式無線通信模塊，該模塊集成ZigBee 協(xié)議，具有功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾性強、靈敏度高等特點，適合于使用人員對系統(tǒng)低功耗、低開銷的要求[12]。該模塊以nRF24L401 單片無線收發(fā)芯片作為主工作核心，其工作電壓為3.3 V，最高通信速率為20 kb/s，可以直接與樹莓派相接，控制簡單方便，并且無需對數據進行編碼，易實現(xiàn)各個監(jiān)測模塊、上機位管理系統(tǒng)之間的無線通信。nRF24L401 具體電路結構如圖5 所示。

圖5 無線通信模塊電路Fig.5 Wireless communication module circuit

1.4 橋梁橫風監(jiān)測模塊

系統(tǒng)橫風監(jiān)測模塊采用PH100SX 三杯式風速傳感器，其風速風向測量范圍為 0～60 m/s 和0～360°，啟動風速小于0.5 m/s[13]。在風力作用下，風杯繞軸旋轉，轉速將正比于風速，并以電觸點形式輸出。PH100SX 三杯式風速傳感器具有測量精度高、量程范圍寬、穩(wěn)定性好、功耗低、電路壽命長、能長期穩(wěn)定工作等優(yōu)點，廣泛用于氣象、交通等領域。具體的電路結構如圖6 所示。

圖6 橫風監(jiān)測模塊電路Fig.6 Circuit of crosswind monitoring module

1.5 鋼索銹蝕監(jiān)測模塊

橋梁鋼索銹蝕監(jiān)測模塊采用CST700 鋼筋銹蝕測試儀，其集成電路由CMOS 和BiFET?組成，正常工作電壓可選用220 V 交流電壓或4 節(jié)AA電池。具體電路原理如圖7 所示。

圖7 CST700 電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of CST700 circuit

測試儀操作簡易，從測量區(qū)域表面即可獲得鋼索腐蝕速率，廣泛應用于大壩、橋梁中的的鋼筋銹蝕監(jiān)測及阻銹劑評價，是一款性能穩(wěn)定、功耗低、易操作和控制的監(jiān)測儀器。此外，儀器內置的RS232 接口可以將歷史測量數據上傳到PC機，有利于管理人員對測量數據的整體把握。

1.6 車流量監(jiān)測模塊

車流量監(jiān)測模塊以智能攝像頭為設備基礎，通過監(jiān)控跟蹤，定位分析[14]，從而把握橋梁路段車輛通行以及道路車流量狀況。智能攝像頭還可以為管理人員調取實時視頻畫面，傳遞監(jiān)測區(qū)域的交通道路情況。

其中，攝像頭以OV7620 圖像采集集成芯片作為核心，分辨率可達640×480，傳輸速率可達到30 幀，內置A/D 轉換器，正常工作電壓采用5 V 直流電，具有自動增益和自動平衡控制功能，能夠滿足本系統(tǒng)對車流量的監(jiān)測要求。OV7620具體電路結構如圖8 所示。

圖8 OV7620 電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of OV7620 circuit

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件在Visual Basic6.0 環(huán)境中編譯和控制，其各個模塊的界面設計由Visual Basic6.0 中的各種控件構成。

如圖9 所示，系統(tǒng)操作主界面由橋段橫風實時監(jiān)測，橋梁鋼索銹蝕監(jiān)測，車輛信息實時監(jiān)測，天氣，個性化設置，以及退出登錄按鈕組成。

圖9 軟件主界面Fig.9 Main interface of the software

其對應的功能依次為：橋梁橫風監(jiān)測；鋼索銹蝕程度監(jiān)測；交通載荷動態(tài)監(jiān)測；查看實時天氣；軟件界面?zhèn)€性化設置；最后是退出系統(tǒng)。

圖10 是橋段橫風實時監(jiān)測界面。主要實現(xiàn)對風力、風向以及平均風速等參數的實時監(jiān)測，管理員可以通過數據終端獲取實時的橫風參數信息，當風力超出安全范圍時，點擊發(fā)送警報按鈕可及時向監(jiān)測區(qū)域的管理部門傳遞預警信息，為調整橋梁開放時間以及采取防護措施提供充足的準備時間。

圖10 橫風實時監(jiān)測界面Fig.10 Crosswind real-time monitoring interface

此外，管理人員還可以通過點擊橋段橫風實時監(jiān)測界面的設備管理按鈕實現(xiàn)對監(jiān)測儀器的整體掌握，具體界面如圖11 所示。該界面主要包括信號強弱、設備連接情況、運行狀態(tài)以及巡檢報告等數據信息。當設備出現(xiàn)故障時，管理人員還可以通過點擊上報維修按鈕，將設備故障信息和故障時間發(fā)送給數據終端，實現(xiàn)對故障設備的及時維修。

圖11 設備管理界面Fig.11 Device management interface

圖12 為橋梁鋼索銹蝕監(jiān)測界面。該界面從橋梁結構銹蝕位置、結構材料、銹蝕原因、銹蝕速率等因素綜合考量橋梁鋼索銹蝕情況，并結合橋梁結構特點評估出銹蝕結構是否滿足正常安全要求，有利于管理人員及時了解各個監(jiān)測橋梁鋼索銹蝕程度，分析鋼索銹蝕原因，并可以通過警報按鈕及時發(fā)送警報信息。

圖12 鋼索銹蝕監(jiān)測界面Fig.12 Cable corrosion monitoring interface

圖13 為車輛信息監(jiān)測界面。該界面記錄了車流量以及駛入的車型信息，并以圖14 中的柱狀圖形式呈現(xiàn)出來。同時，該界面還具備自動警告功能，當監(jiān)測的車流量到達閾值后，后臺就會向管理員自動發(fā)出報警信息，及時調整該橋梁的開放狀態(tài)。

圖13 車輛信息監(jiān)測界面Fig.13 Vehicle information monitoring interface

圖14 車流量監(jiān)測界面Fig.14 Vehicle flow monitoring interface

實時監(jiān)控按鈕則提供管理人員對道路情況的直接掌控。如圖15 所示，該界面能有效記錄駛入橋梁的每個車輛，并將監(jiān)測到的大量數據如車型等匯集成圖表的形式，為管理人員提供了真實的歷史數據，以便道路安全的評定。同時，此監(jiān)控具有回放功能，方便管理人員對交通事故的評測，了解不同橋梁安全情況，為不同橋段制定獨特的方案。

圖15 監(jiān)控界面Fig.15 Monitoring interface

軟件的核心功能在于對橋梁橫風大小、鋼索銹蝕程度以及車輛信息的監(jiān)測，通過三杯式風速傳感器、鋼索銹蝕儀等設備的動態(tài)監(jiān)測以及主處理器的數據處理，管理人員可以在數據終端接收監(jiān)測信息，提出科學的決策方案。系統(tǒng)具體軟件流程如圖16 所示。

圖16 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.16 Software flow chart of the system

此外，軟件還兼具查詢天氣、個性化設置等輔助功能，如圖17 所示。

圖17 天氣查詢界面Fig.17 Weather query interface

在天氣界面設計了預警、降水強度查詢、歷史天氣查詢以及未來天氣預測等按鈕，點擊降水強度按鈕后，便可以了解監(jiān)測區(qū)域的降水強度，管理人員可以根據雨量、降水強度等環(huán)境因素生成輿情簡報，輿情簡報將詳細簡述各個監(jiān)測區(qū)域的水位情況，并分出輿情嚴重和輕緩不同程度，以評估出不同監(jiān)測區(qū)域的情況。

3 結論

本文中基于樹莓派的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過外部設備采集監(jiān)測橋梁區(qū)域的橫風大小、鋼索腐蝕程度以及車流量等參數信息，經過無線通信將實時信息傳遞到客戶端，使管理人員及時掌控橋梁實時監(jiān)測信息，提高了橋梁路段車輛行車的安全性，實現(xiàn)對橋梁開放狀態(tài)的合理掌控。