Köprü İzleme Sisteminde Kablosuz Kablo Kuvvet Ölçer Tasarımı ve Uygulaması
Tang Tao 1, 2, Deng Yongjun 3, Ye Huarong 3, Li Ya 2, Li Wenhua 2, Wang Pengjun 1, 2, Deng Beixing 2
(1. Elektronik Mühendisliği Bölümü, Tsinghua Üniversitesi, Pekin 100084; 2. Beijing Yuanqing Huihong Bilgi Teknolojisi Şirketi, Pekin 100085;
3. Luzhou Şehri Ulaşım Bürosu, Luzhou, Sichuan 646000)
Köprü izleme sisteminin kablo kuvveti izleme uygulama senaryosunu hedefleyen akıllı bir kablosuz kablo kuvvet ölçer tasarlanmıştır. Sensör, ultra düşük güç tüketimi, ön uç akıllı algoritma ve kablosuz kendi kendini organize eden ağ gibi teknik özelliklere sahiptir. Gömülü donanım platformunda kablo frekansı çıkarma yöntemini önerdi ve gerçekleştirdi Bu yöntemin ölçüm sonucu, deney ve gerçek mühendislik testinden sonra doğrudur. Tüm makinenin tasarımı, pille çalışan bir ortamda tüm yıl boyunca kesintisiz çalışmayı sağlayabilir. Bu tasarım, izleme sisteminin yedekli yapısı, zor veri analizi, yüksek sistem maliyeti ve karmaşık bakım gibi kablo izleme sürecindeki gerçek mühendislik sorunlarını etkili bir şekilde çözer.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN925; TU18
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.172576
Çince alıntı biçimi: Tang Tao, Deng Yongjun, Ye Huarong, et al.Köprü İzleme Sistemi için Kablosuz Kablo Kuvvet Ölçer Tasarımı ve Uygulaması Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (12): 52-54, 58.
İngilizce alıntı biçimi: Tang Tao, Deng Yongjun, Ye Huarong, et al.Köprülerin yapı izleme sistemindeki kablosuz kablo gerilim sensörünün tasarımı ve uygulaması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (12): 52-54, 58.
0 Önsöz
Karayolu trafiğinin artmasıyla birlikte, Çin'deki köprüler üzerindeki baskı hızlandı, yapısal hastalıkların ortaya çıkma olasılığı ve bozulma riski önemli ölçüde arttı ve operasyonel güvenliği sağlama işi giderek daha zahmetli hale geldi. Köprü yapısının izlenmesi, anormal uyarı, hastalık tespiti ve takibi ve hasar değerlendirme işlevlerini gerçekleştirmek için yapılır ve bunun getirdiği güvenlik faydalarına değer verilir. Kablo destekli köprüler, bağlı kemer köprüler ve diğer kablo yapılı köprüler için, kabloların gerginliği trafik taşıma kapasitesinin ve yapısal stabilitenin belirlenmesinde önemli bir anlama sahiptir, ancak bunlar nispeten açık ve hasara karşı savunmasızdır ve günlük denetimler için sakıncalıdır.Bu nedenle, kablo izleme yapılır. Önemi daha önemlidir. San Francisco'daki Golden Gate Köprüsü, Güney Kore'deki Jindo Çifte Köprüsü, Wuxi'deki Ronghu Köprüsü ve Nantong'daki Xinjiang Haihe Köprüsü bu tür bir izleme gerçekleştirdi. Bununla birlikte, yukarıdaki sistemdeki kablo izleme ekipmanının boyut, güç tüketimi, ağ esnekliği vb. Açısından kendi eksiklikleri vardır ve uygulama promosyonunun daha da optimize edilmesi gerekir.
Kablo kuvvetini ölçmek için frekans yöntemi, kablo izlemede kullanılan tipik bir yöntemdir, ancak çok sayıda ham veri vardır ve yerinde toplama ve uzaktan analizin kullanım modu, güvenilmez kablo güç kaynağı, yüksek kablosuz iletişim ve yüksek ağ dağıtım maliyetleri gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Bu makalede önerilen izleme için kablosuz kablo kuvvet ölçer, donanımın ve temel sistemin güç tüketimini azaltır, kablo frekansı algoritmasını ekipmana yerleştirir, veri aktarım yükünü büyük ölçüde azaltır ve kablo düzenini, köprü kablosunu geliştiren kablosuz geçici ağ erişimiyle değiştirir İzleme sisteminin esnekliği.
1 Sistemin genel yapısı
Genel sistem tasarımı temel olarak donanım tasarımı, kablo kuvveti algılama algoritması tasarımı ve ağ erişim tasarımından oluşur.
Sistemin donanım yapı şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem, ana denetleyici, radyo frekansı modülü, sensör arabirimi vb. İçerir.
Yazılım sistemi seviyesi Şekil 2'de gösterilmektedir. Edinme kontrolü, kablo kuvveti analizi ve veri çıktısının dayandığı düşük güçlü kablosuz ağ bağlantılı bir algılama platformu oluşturmak için donanıma uyarlanmıştır.
2 donanım sistemi tasarımı
Bu kablo ölçer, Microchip'in kablosuz mikro denetleyicisi Mega256rfr2'yi ana kontrol ve iletişim çipi olarak seçer. 256 KB flash bellek ve 32 KB RAM ile birleştirilmiş 20 MIPS'ye kadar bilgi işlem gücü, kablo kuvveti veri analizi ve ağ protokolü yığın işleminin yerleştirilmesi için destek sağlar; 2 W kadar düşük uyku gücü tüketimi ve dinamik olarak ayarlanabilir çalışma frekansı sağlar Ekipman, düşük güç tüketimi ve uzun pil ömrü için temel koşullara sahiptir; çip üzerinde entegre IEEE802.15.4 radyo frekansı alıcı-vericisi, 100 dB'nin üzerinde yeterli bir bağlantı bütçesine ve çok yollu zayıflamanın etkisini azaltabilen bir alma çeşitliliği işlevine sahiptir ve kablosuz iletişim kapsamı ve kararlılığı artırılmıştır.
Titreşim frekansı toplama ünitesi, yüksek hızlı bir I2C arabirimi aracılığıyla ana ile iletişim kuran NXP'nin 3 eksenli MEMS hızlandırma sensörü MMA8451'i kullanır. Dahili yüksek hızda örnekleme, kablo kuvveti izleme frekans bandının 5 katından fazlasını kapsama sağlamak için 800 Hz'e ulaşabilir; maksimum ± 8g ölçüm aralığı ve 250 g'lik en iyi çözünürlük, köprü kablosunun farklı titreşim yoğunluklarının izleme ihtiyaçlarını karşılar; çıkış tamponunun varlığı etkilidir Satın alma işlemi sırasında ustayı uyandırmaktan kaçının.
Güç kaynağı açısından, Texas Instruments'ın TPS62740 dönüşüm voltajı, sistemin her bir parçasının voltajını düşük bir seviyede tutmak için kullanılır, böylece çipte gömülü voltaj düşüş ünitesindeki enerji kaybını azaltır.
Ek olarak, donanım sistemi, SPI arayüzlü bir çip dışı Flash bellek yongası AT45DB641E ile donatılmıştır, böylece kablo kuvveti ölçer, geçmiş verileri belirli bir süre içinde saklayabilir ve gerekirse üçüncü taraf araç analizi için dışa aktarılabilir.
3 Gömülü kablo kuvveti algoritmasının tasarımı ve uygulaması
3.1 Frekans yönteminin teorik modeli
Frekans yöntemi, öncelikle sensör sistemi tarafından toplanan titreşim verilerini kullanarak kablo kuvvetini ölçer, daha sonra bu ham verileri analiz eder ve işler, doğal frekansı çıkarır ve son olarak doğal frekans ile kablo kuvveti arasındaki doğal ilişki üzerinden kablo kuvvetini hesaplar.
Kablo titreşim denklemi aşağıdaki gibidir:
Formülde fn, n'inci doğal frekanstır. Fn dışında diğer parametreler tasarım ve yapı malzemeleri tarafından verilmiştir Kablo kuvvet değeri fn ve sırası ölçülerek hesaplanabilir.
3.2 Kablo kuvveti toplama analizi tasarımı
Optimal eksenin seçimine ve titreşim örnekleme frekansı kalibrasyonunun tamamlanmasına bağlı olarak, bu belgede kablo kuvveti ölçer tarafından ölçülen kablo kuvveti, esas olarak iki aşama tepe çıkarma ve pencere ağırlıklı değerlendirme yoluyla kablo kuvvetini elde etmek için kullanılır.
3.2.1 Pik ekstraksiyon
Bu aşamanın temel amacı, titreşim FFT güç spektrumundan bilgi çıkarmak, temel frekans çıkarımı için geçersiz olan parazit bilgisini kaldırmak ve daha fazla temel frekans çıkarımı için güç spektrumundaki temel frekans çıkarma ile ilgili zirveleri korumaktır. Ana adımlar aşağıdaki gibidir:
(1) Özel parametre M'yi ayarlayın, FFT güç spektrumu noktalarının sayısı 2N olduğunda, M değeri arasında ayarlanabilir.
(2) Düzgün bir güç spektrumu elde etmek için FFT güç spektrumunda hareketli ortalama işleme gerçekleştirin. Hareketli ortalama işleme için pencere genişliği 5-20 frekans noktasıdır.
(3) Düzgün güç spektrumunun ilk M noktalarını doğrudan sıfıra ayarlayın. FFT pürüzsüz güç spektrumunu M'inci noktadan N'inci noktaya kadar tarayın, FFT yumuşak güç spektrumundaki tüm maksimum değerleri koruyun ve diğer tüm maksimum olmayan noktaları 0'a ayarlayın.
(4) FFT pürüzsüzleştirilmiş güç spektrumundaki sıfır olmayan noktaları tekrar M'inci noktadan N'inci noktaya tarayın, k'inci noktayı geçerli taramada sıfır olmayan nokta olarak, k-1 noktasını önceki taramada sıfır olmayan nokta ve k + 1'i alt nokta olarak ayarlayın Taranmış sıfır olmayan bir nokta.
(5) k'inci noktanın genliği, k-1 ve k + 1 noktalarının genliklerinden büyükse hiçbir işlem yapılmaz ve k + 1 noktasının taranmasına devam edilir, aksi takdirde k'inci nokta ile en yakın sıfır olmayan nokta arasındaki mesafeye göre yapılır. uğraşmak. K'inci nokta ile en yakın sıfır olmayan nokta arasındaki mesafe K'den küçükse, k'inci nokta sıfıra ayarlanır, aksi takdirde hiçbir işlem yapılmaz ve k + 1'inci nokta taranır.
Tüm noktaları taradıktan sonra, FFT tepe güç spektrumu G (n) elde edilir.
3.2.2 Pencere ağırlıklı değerlendirme
Frekans noktası x için, simetri merkezi x'te ve harmonik frekans noktalarında bir dışbükey fonksiyon şekli pencere fonksiyonu w (n-kx) oluşturulursa, formül (3) 'te gösterildiği gibi oluşturulabilir ve Derece benzer göstergeler.
Bu aşamada, yukarıdaki göstergelere dayanarak, x'in kablo kuvvetinin en olası temel frekansına karşılık geldiği maksimum E (x) değerini arıyoruz.
4 Ağ erişim tasarımı
Küçük boyutlu, pille çalışan ve kablosuz iletişim tasarımı, bu belgede kablo kuvveti ölçeri için dağıtım kolaylığı sağlar, ancak aynı zamanda onu enerjiyi sınırlandırır. Radyo frekansı modülü, kablo kuvvet ölçerin büyük bir güç tüketim birimidir ve üzerindeki ağ protokolünün tasarımı, kablo yüksekliğinde kablo kuvvet ölçer düğüm pilinin hızlı tükenmesini önlemek ve bakım sorunlarına neden olmak için kendi kendini organize eden ağ ve düşük güç tüketiminin özelliklerini hesaba katmalıdır.
Bu makale ilk olarak kablosuz kablo kuvvet ölçeri, yönlendirme ve yönlendirme gibi yüksek maliyetli görevlerden kaçınmak için izleme ağının son düğümü olarak tanımlar. Bu temelde, Şekil 3'te gösterildiği gibi yüksek görev döngüsü radyo frekansı uyku durumuna sahip kendi kendini düzenleyen bir ağ erişim mekanizması tasarlayın. Bu şekilde, kablo kuvveti ölçer, yıl boyunca sürekli izleme sağlamak için esnek bir şekilde konuşlandırılan kendi kendini organize eden ağın omurgasına bağlanır.
5 Uygulama ve doğrulama
2017 yılında, bu makalenin araştırma ekibi, Taian Yangtze Nehri Köprüsü'nün yapısını izlemek için kablosuz bir akıllı sensör ağı kurdu. Kullanılan kablo kuvvet sensörü, bu makalede tasarlanan kablosuz kablo kuvvet ölçerdir. Sistemde kararlı bir şekilde çalışır ve ölçülen kablo kuvveti değeri teorik değer aralığı ile tutarlıdır ve her kablonun veri değişim eğilimi karşılıklı olarak doğrulanır. Şekil 4, 25 Ocak - 5 Mart 2017 tarihleri arasında köprünün belirli bir açıklığı için 6 kablo ölçüsü tarafından bildirilen verileri göstermektedir. 20 Şubat - 26 Şubat 2017 arasında bölgedeki büyük ölçekli yağış ve su birikiminin etkisi şekilde gösterilmektedir. Orta, kablo kuvvetinin en büyük dalgalanmasının olduğu bölümde yansıtılır ve dönemin geri kalanındaki değişiklikler nispeten pürüzsüz ve tutarlıdır.
Tablo 1 aynı açıklıktaki 12 kablonun kablo kuvveti izleme değerlerini sayar ve bunları tasarım değerleri ile karşılaştırır. Sapmadan, bu yazıda algoritma ile elde edilen her bir kablo geriliminin sapmasının, izleme uygulamalarının mühendislik ihtiyaçlarını karşılayan karşılık gelen referans değerden% 3,7'yi geçmediği görülebilir.
6. Sonuç
Bu makale, üzerinde kablo kuvveti algoritması yerleştirme ve ağ erişim optimizasyonu, yazılım ve donanım sistemi ve ağ erişim kararlılığı ve gömülü kablo kuvveti algoritmasını gerçekleştirdiği bir kablosuz kablo kuvveti ölçer platformu oluşturmak için Mega256rfr2 radyo frekansı SOC ve MEMS hızlandırma sensörünü kullanır Doğruluk, gerçek mühendislik doğrulamasını geçti. Bu belgedeki kablo kuvveti ölçer, kablo kuvveti izleme için büyük bir uygulama değerine sahiptir.
Referanslar
Wang Tai. Ulaştırma Bakanlığı'nın özel basın toplantısının metin kaydı (2015-02-26). Http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/wangshangzhibo/2015zhuanti2/wenzishilu/.
Kapsamlı Planlama Departmanı, Çin Halk Cumhuriyeti Ulaştırma Bakanlığı. 2013 Taşımacılık Endüstrisinin Gelişimi İstatistik Bülteni. (2014-05-13). Http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html .
Helmut Wenzel Köprü Sağlık İzleme Pekin: Çin İnşaat Endüstrisi Basını, 2014.
KIM S, PAKZAD S, CULLER D, et al. Kablosuz sensör ağları kullanarak sivil altyapıların sağlık izlemesi 6. Uluslararası Konferans n Sensör Ağlarında Bilgi İşleme Bildirileri, New York, NY, ABD: ACM, 2007: 254-263.
CHO S, JO H, JAN S, et al. Akıllı sensör teknolojisi kullanarak bir kablo destekli köprünün yapısal sağlık izlemesi: dağıtım ve değerlendirme. Smart Structures and Systems, 2010, 6 (6): 439-459.
Fei Xiaotian. Düşük güçlü kablosuz sensör ağları için güvenilir iletim tasarımı. Pekin: Tsinghua Üniversitesi, 2013.
Xu Yufeng, Su Cheng, Chen Zhaoshuan, vd.Frekans yöntemi ile kablo kuvveti ölçümünün parametre duyarlılığının olasılık analizi Çin ve Yabancı Karayolu, 2010 (4): 132-136.
Su Cheng, Guo Fentao, Xu Yufeng. Kablo destekli köprü kablo kuvveti ölçümünün güvenilirliği üzerine araştırma. Köprü İnşaatı, 2009 (6): 27-30, 36.
Zhang Yuxin.Uzun Açıklıklı Kiriş Dizgisi Yapısının Kablo Kuvveti Test Yöntemi Araştırması Şangay: Tongji Üniversitesi, 2006.
Zhu Jinguo, Chen Xuanmin. Kablo kuvvetini ölçmek için frekans yöntemi. Anhui Mimarisi, 2003 (2): 84-85.
