基于双通信模式的桥梁支座应力监测系统设计

作     者：李哲 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李光明

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：桥梁支座 应力监测 双通信模式 云服务器 

摘      要：近些年社会快速发展,人们出行和货物运输等需求急剧增长,桥梁作为交通运输系统的关键枢纽得到了蓬勃发展。桥梁建设朝着大跨度的方向迈进,但与此同时各地桥梁事故频发,给社会的安定带来了冲击和挑战。支座是桥梁承载荷重的重要结构装置,也是整个桥体结构中比较薄弱的环节,诸多桥梁均是因支座损坏后,梁间产生互相碰撞和移位,造成了严重的坍塌。因此,支座成为桥梁健康监测的重点监测对象之一。由于支座安装位置的隐蔽性和特殊性,传统的人工检测方法具有很大局限性。现有的监测系统,虽然实现了全自动化监测功能,但采用单一的有线传输或者无线传输的通信架构,仍存在传输距离受限和可靠性差等缺陷。因此,本文将4G无线传输技术与RS-422有线传输技术合理融合,综合考虑桥梁监测系统的通信稳定性、灵活性和共享性等需求,针对大跨度桥梁设计并实现了桥梁支座应力监测系统。主要完成工作如下:(1)完成了桥梁支座应力数据采集系统的设计。首先,结合课题的应用背景,分析桥梁支座应力监测系统的性能和功能需求,确定了系统的总体框架、硬件平台和软件平台。其次,对传感器进行选型,设计传感器匹配模块、信号调理模块和模数转换(Analogue to Digital Conversion,ADC)模块,将传感器输出电信号转换成数字信号,输入数据采集节点的核心控制器——可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)。然后,基于 FPGA 芯片XC6SLX45-2CSG324设计数据采集节点的驱动时钟程序、ADC模块配置程序和通信程序,配合数据采集节点硬件模块和通信系统实现了数据采集、数据处理和数据传输的功能。最后,使用太阳能供电模块、市电供电模块和控制器搭建了用于数据采集节点的双供电系统。(2)完成了桥梁支座应力监测服务器的设计。首先,基于阿里云平台的MySQL数据库设计数据表,实现数据有序存储。其次,使用Java数据库连接技术(Java DataBase Connectivity,JDBC)实现通信服务器与MySQL数据库的连接。然后,使用IOT Service软件对4G数据传输单元(4G Data Transfer Unit,4G DTU)进行配置,实现数据4G传输。最后,设计了多线程4G通信服务器程序、多线程串口通信服务器程序、最小二乘法数据处理程序、通信切换程序和实时报警程序,配合云服务器、桥址现场服务器和数据库,实现了服务器端的数据接收、数据处理、数据存储和实时报警等功能。本文基于模拟支座实验平台对数据采集系统的采集精度和监测服务器的功能和性能进行了测试。测试结果表明,配合实验室拉伸压力试验机使用的数据采集系统的精度在2.4%以内,监测服务器各项功能均可有效运行。