基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统的制作方法

本实用新型涉及监测设备领域，特别涉及一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统。

背景技术：

作为交通系统的组成部分，桥梁在人类文明的发展和演化中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及运输需求的不断增长，大型桥梁(如跨海大桥、大跨度桥梁等)越来越多的出现在人们的视野中，这些桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。然而，桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。据统计，如今在美国近60万座桥梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6％。美国每年桥梁投资90％用于更新维修旧桥，只有10％用于新建桥梁。我国现有公路桥5000余座，总长130万公里，1/3以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患。近年来，我国陆续出现了多次重大桥梁事故。这些发生的事故与很多因素有关，但是缺乏有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要的原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。对桥梁结构进行质量检测和健康监测，已成为国内外学术界、工程界研究的热点。传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计过高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。

目前市场上使用的桥梁结构健康监测系统通常使用网线组成的局域网络进行通讯，不仅布线繁多、设备成本高、系统稳定性差还会增加很多后期维护成本。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统，采用CAN总线和无线通讯两种方式进行通讯，布线少，设备成本低，系统稳定性好，后期维护成本也少。

本实用新型实施例提供的一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统，包括：

有线传感节点系统，用于采集桥梁内部各部位的振动、竖向位移、温度、应变、倾角；

无线传感节点系统，用于采集桥面各部位的索力、倾角、风速风向；

无线中继器，与所述无线传感节点系统连接，用于转发所述无线传感节点系统采集的数据；

有线网关，与所述有线传感节点系统连接；

无线网关，与所述无线中继器或无线传感节点系统连接；

服务器，与所述有线网关、无线网关连接，用于存储所述有线传感节点系统采集的数据和无线传感节点系统采集的数据；

所述有线网关包括：

第一CAN总线收发模块，与所述有线传感节点系统连接；

第一4G数传模块，与所述服务器连接；

第一中央处理器MCU；与所述第一CAN总线收发模块、第一4G数传模块连接；

第一存储器，与所述第一中央处理器MCU连接；

所述无线网关包括：

第一无线收发模块，与所述无线传感节点系统或无线中继器连接；

第二4G数传模块，与所述服务器连接；

第二中央处理器MCU；与所述第一无线收发模块、第二4G数传模块连接；

第二存储器；与所述第二中央处理器MCU连接。

有线传感节点系统包括：

应变传感器，用于监测应变；

第一加速度传感器，用于监测加速度；

振动传感器，用于监测振动；

温度传感器，用于监测温度；

第三中央处理器MCU，与所述应变传感器、第一加速度传感器、压力传感器、温度传感器连接，用于采集所述应变传感器、第一加速度传感器、压力传感器、温度传感器的信号；

第二CAN总线收发模块，与所述第一CAN总线收发模块连接，用于传输数据；

防雷保护电路，用于保护有线传感节点系统。

无线传感节点系统包括：

第二加速度传感器，用于监测桥面各部位的加速度；

风速风向传感器，用于监测桥面各部位的风速风向；

第四中央处理器MCU，与所述第二加速度传感器、风速风向传感器连接，用于采集所述第二加速度传感器、风速风向传感器的信号；

第二无线收发模块，与所述第一无线收发模块或无线中继器连接，用于传输数据。

在一个实施例中，桥梁结构健康监测系统还包括指示系统；

所述指示系统由多个指示灯组成；所述指示灯对应安装在每个有线传感节点系统和无线传感节点系统。

在一个实施例中，有线传感节点系统为多个；所述无线传感节点系统为多个；所述无线中继器为多个。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例中一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统的示意图；

图2为本实用新型实施例中一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统的有线网关的示意图；

图3为本实用新型实施例中一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统的无线网关的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统，如图1所示，包括：

有线传感节点系统11，用于采集桥梁内部各部位的振动、竖向位移、温度、应变、倾角；

无线传感节点系统12，用于采集桥面各部位的索力、倾角、风速风向；

无线中继器13，与无线传感节点系统12连接，用于转发无线传感节点系统12采集的数据；

有线网关14，与有线传感节点系统11连接；

无线网关15，与无线中继器13或无线传感节点系统12连接；

服务器16，与有线网关14、无线网关15连接，用于存储有线传感节点系统11采集的数据和无线传感节点系统12采集的数据；

上述基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统，采用有线传感节点系统11采集桥梁内部各部位的振动、竖向位移、温度、应变、倾角，采集的数据通过有线网关14传输到服务器16，采用无线传感节点系统12采集桥面各部位的索力、倾角、风速风向；采集的数据通过无线中继器13、无线网关15传输到服务器16。采用无线传输的方式，使本健康监测系统布线少。设备成本低，系统稳定性好，后期维护时只需更换坏了的无线传感节点系统12或者有线传感节点系统11，维护成本也相应减少。

服务器16将数据库中的桥梁数据根据桥梁模型进行健康状态分析并输出结果；实现桥梁长期在线健康监测功能，提高桥梁养护质量和桥梁运维安全性。

上述基于CAN总线和无线通讯的桥梁结构健康监测系统，其中，有线网关14包括：如图2所示，

第一CAN总线收发模块21，与有线传感节点系统11连接；

第一4G数传模块23，与服务器16连接；

第一中央处理器MCU22；与第一CAN总线收发模块21、第一4G数传模块23连接；

第一存储器24，与第一中央处理器MCU22连接；

有线传感节点系统11采集的数据经过第一CAN总线收发模块21、第一中央处理器MCU22、第一4G数传模块23发送到服务器16，其中第一存储器24起缓存作用。

无线网关15包括：如图3所示，

第一无线收发模块31，与无线传感节点系统12或无线中继器13连接；

第二4G数传模块33，与服务器16连接；

第二中央处理器MCU32；与第一无线收发模块31、第二4G数传模块33连接；

第二存储器34；与第二中央处理器MCU32连接。

第一无线收发模块31包括：3/4G模块、GPRS模块、蓝牙模块、NFC模块、WIFI模块、红外模块中的任意一种或多种结合。

无线传感节点系统12采集的数据经过第一无线收发模块31、第二中央处理器MCU32、第二4G数传模块33发送到服务器16，其中第二存储器34起缓存作用。

有线传感节点系统11包括：

应变传感器，用于监测应变；

第一加速度传感器，用于监测加速度；

振动传感器，用于监测振动；

温度传感器，用于监测温度；

第三中央处理器MCU，与应变传感器、第一加速度传感器、压力传感器、温度传感器连接，用于采集应变传感器、第一加速度传感器、压力传感器、温度传感器的信号；

第二CAN总线收发模块，与第一CAN总线收发模块21连接，用于传输数据；

防雷保护电路，用于保护有线传感节点系统11。

上述有线传感节点系统11，其中：

应变传感器采样信号为频率，信号采集电路包括模拟放大和整形输出频率信号，经过第三中央处理器MCU捕获后计算得出频率值，然后通过第二CAN总线收发模块发给有线网关14。

加速度传感器采用数字型传感器，通过I2C接口直接与第三中央处理器MCU连接，第三中央处理器MCU将读取的加速度数据经过相关算法转换为振动数据通过第二CAN总线收发模块发给有线网关14。

振动传感器采样振动数据，第三中央处理器MCU读取数据，然后通过第二CAN总线收发模块发给有线网关14。

温度传感器采用数字型传感器，通过SPI接口直接与第三中央处理器MCU连接，第三中央处理器MCU将读取的温度数据通过第二CAN总线收发模块发给有线网关14。

布线安装：

CAN总线是通过四芯2+2(两粗走电源，两细双绞走信号)电缆通讯，通过预置钢丝来固定电缆，在节点位置通过焊接方式连接总线与有线传感节点系统11，使用防水胶带包扎线头。

有线传感节点系统11配有固定底板，可通过膨胀螺丝或者焊接到被测结构表面，然后通过螺丝将有线传感节点系统11固定在底板上。

地线使用铜线，根据桥长和节点数量选择不同规格，途径每一个有线传感节点系统11，两端与桥墩处接地点连接，保证良好接地，确保防雷电路良好工作。

网关位置的选择，需要预先测试桥梁内部移动信号强度，选择通讯良好的地点用于安装有线网关14。

连通管的安装通常使用钢丝软管加连通头，优点是可方便的排除管内气泡和观察管内液体状态，预置钢丝来固定连通管，在每一个传感器处装有排气阀门，灌入水箱防冻液后可从排气阀排出管内气泡。

无线传感节点系统12包括：

第二加速度传感器，用于监测桥面各部位的加速度；

风速风向传感器，用于监测桥面各部位的风速风向；

第四中央处理器MCU，与第二加速度传感器、风速风向传感器连接，用于采集第二加速度传感器、风速风向传感器的信号；

第二无线收发模块，与第一无线收发模块31或无线中继器13连接，用于传输数据。

第二无线收发模块包括：3/4G模块、GPRS模块、蓝牙模块、NFC模块、WIFI模块、红外模块中的任意一种或多种结合。

上述无线传感节点系统12，可选的，采用太阳能供电，其中：

第二加速度传感器采用数字型传感器，通过I2C接口直接与第四中央处理器MCU连接，第四中央处理器MCU将读取的加速度数据经过相关算法转换为频率数据和角度数据通过第二无线收发模块发给无线网关15。

风速风向传感器为数字型传感器，通过485电平转换后与第四中央处理器MCU连接，第四中央处理器MCU将读取的风速和风向数据通过第二无线收发模块发给无线网关15。

为了指示有线传感节点系统11和无线传感节点系统12的工作状态，在一个实施例中，桥梁结构健康监测系统还包括指示系统；

指示系统由多个指示灯组成；指示灯对应安装在每个有线传感节点系统11和无线传感节点系统12。例如：当指示灯对应的有线传感节点系统11或无线传感节点系统12正常传输数据时，指示灯亮绿灯，当指示灯对应的有线传感节点系统11或无线传感节点系统12发生故障，即不传输数据出来或者数据异常，指示灯亮红灯。

为了监测大型桥梁，在一个实施例中，有线传感节点系统11为多个；无线传感节点系统12为多个；无线中继器13为多个。

本实用新型的优点在于，桥梁内部通讯使用简单布线的CAN总线，仅需4根线将所有节点并联起来即可达到供电和通讯的功能，相对于网线布线布线少，不需要增加网络设备，防雷和抗干扰能力更强、工作更稳定；桥面测量设备使用无线通讯节点，并且使用太阳能供电，抗雷击能力强，大大降低施工难度，提高系统稳定性；系统后期维护工作简单、费用少。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。