李鑫奎 蔣宇晨 沈志勇

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海西派埃自動(dòng)化儀表工程有限責(zé)任公司 上海 201612

應(yīng)變監(jiān)測是獲取結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的重要手段，是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行施工質(zhì)量與安全控制的基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步和無線傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)變監(jiān)測逐漸由有線的人工采集方式發(fā)展到無線自動(dòng)采集方式。但當(dāng)前無線監(jiān)測設(shè)備仍然存在著功耗高、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展困難等缺點(diǎn)，應(yīng)用于施工階段監(jiān)測仍不方便。為解決施工期結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測難題，針對振弦式應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備開展了低功耗及采集機(jī)制的研究，研發(fā)形成了適用于施工期應(yīng)變監(jiān)測的低功耗無線監(jiān)測設(shè)備[1-2]。

1 振弦式應(yīng)變傳感器工作原理

振弦式應(yīng)變傳感器依靠鋼弦長度變化感知被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。其工作原理為：傳感器鋼弦長度變化引起固有振動(dòng)頻率改變，通過激勵(lì)線圈激發(fā)鋼弦振動(dòng)，鋼弦振動(dòng)后切割線圈磁力線獲得感生電動(dòng)勢，根據(jù)測得的感生電動(dòng)勢計(jì)算得到鋼弦頻率，并最終獲得鋼弦應(yīng)變〔式（1）〕。

式中：l ——鋼弦初始長度；

E——鋼弦彈性模量；

Δl ——鋼弦受力后長度變化量；

ρv——鋼弦體密度。

2 施工期監(jiān)測設(shè)備需求分析

施工期應(yīng)變監(jiān)測具有其相應(yīng)的特點(diǎn)，與既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測的不同點(diǎn)在于以下3個(gè)方面：施工期監(jiān)測結(jié)構(gòu)材料與體系存在顯著的時(shí)變特性；監(jiān)測環(huán)境多變，過程中各種工序相互交叉影響；測點(diǎn)多、分散且隨施工進(jìn)展在數(shù)量上有所增減。因此采用常規(guī)有線監(jiān)測方式開展施工控制監(jiān)測困難較大，監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性難以保證。

2.1 低功耗需求

當(dāng)前開展建筑物中長期監(jiān)測多采用外部電源供電方式，但施工期監(jiān)測存在電源不固定，且有被占用可能，同時(shí)供電線路也存在易損壞的缺點(diǎn)。因此施工期監(jiān)測采用外部供電存在供電不穩(wěn)定，維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)，從而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。施工期監(jiān)測為中短期監(jiān)測，時(shí)間從數(shù)天至數(shù)月不等，需要采用自帶電源供電，由于施工期間更換電源可能造成安全性問題，因此應(yīng)盡量減少電源更換次數(shù)。

2.2 無線傳輸需求

施工期各工種交叉作業(yè)，采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)線容易遭到破壞，也容易對后續(xù)工程產(chǎn)生影響。另外，監(jiān)測測點(diǎn)隨施工進(jìn)展增減，若采用有線方式，會(huì)增大布線工作量。同時(shí)，隨著施工的進(jìn)行，隔斷墻及裝修結(jié)構(gòu)的增加可能阻斷原有無線信號(hào)傳輸，因此施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)采用無線方式，且數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)能夠減少隔斷對信號(hào)的屏蔽作用，確保通信網(wǎng)絡(luò)的暢通。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)擴(kuò)展性要求

針對施工期監(jiān)測測點(diǎn)隨施工進(jìn)展增減的特點(diǎn)，后期增加的測點(diǎn)應(yīng)能夠方便可靠地接入已有系統(tǒng)，盡量減少人工操作，提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和接入效率。

3 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 傳輸方式選擇及總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于施工監(jiān)測需要低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、穿透性好的無線數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)分析，選擇了基于遠(yuǎn)程無線電（Long Range Radio，LoRa）的無線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案。LoRa模塊是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa模塊在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。同時(shí)LoRa模塊也具有良好的穿透性，穿透能力比傳統(tǒng)FSK、GFSK等有0.5～0.8倍的提升。綜上，LoRa模塊具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)穿透性、低成本的特性，比較適合用于施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程應(yīng)用，采用了LoRa終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在功能方面，LoRa設(shè)備終端采集應(yīng)變數(shù)據(jù)后向網(wǎng)關(guān)發(fā)送，依據(jù)施工期應(yīng)變監(jiān)測特點(diǎn)確定了終端采集通道設(shè)置為4個(gè)或8個(gè)，即一個(gè)LoRa終端設(shè)備采集4個(gè)或8個(gè)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)主要功能是接收LoRa終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送至廣域網(wǎng)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)一般連接若干采集器，組成星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)傳輸方面：LoRa終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而網(wǎng)關(guān)和廣域網(wǎng)之間的交互通過TCP/IP協(xié)議或4G無線連接（圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸總體架構(gòu)

3.2 低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)

應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備低功耗設(shè)計(jì)主要從2個(gè)方面實(shí)施：

1）充分利用LoRa模塊自身特有的低功耗特性，同時(shí)利用其空中喚醒機(jī)制，設(shè)計(jì)“休眠-工作”轉(zhuǎn)換機(jī)制。施工監(jiān)測過程中，監(jiān)測設(shè)備不上傳數(shù)據(jù)時(shí)，LoRa模塊設(shè)置為低功耗模式；只有在采集器上傳數(shù)據(jù)時(shí)，LoRa模塊才進(jìn)入較高能耗的正常工作模式。利用LoRa設(shè)備休眠狀態(tài)下無線通信模塊可處于“休眠-監(jiān)聽”的特點(diǎn)，LoRa模塊采用定時(shí)監(jiān)聽的方式，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的喚醒指令。當(dāng)采集器接收到有效的喚醒指令后，設(shè)置LoRa無線通信模塊切換進(jìn)入正常工作模式，直至數(shù)據(jù)接收完畢。由于大部分時(shí)間采集器不發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣的設(shè)置避免了Lora無線通信模塊一直處于高功耗的工作狀態(tài)，從而使LoRa無線通信模塊長期處于“休眠-監(jiān)聽”的低功耗狀態(tài)，從源頭上有效降低設(shè)備能耗。

2）目前，現(xiàn)有的采集裝置對于振弦式應(yīng)變計(jì)的振弦激勵(lì)方式，可以分為“低壓激振”與“高壓激振”2種。高壓激振，速度快，一次激勵(lì)即可完成起振，但設(shè)備功耗大；低壓激振，設(shè)備功耗小，但需要進(jìn)行“掃頻”，控制復(fù)雜，采集速度慢。為節(jié)約電量，實(shí)現(xiàn)電池供電條件下的長時(shí)間值守，采用“低壓激振”方式實(shí)現(xiàn)振弦起振，并通過相應(yīng)的算法，解決現(xiàn)有采集設(shè)備功耗大、采集速度慢的問題。利用激振電磁線圈，向系統(tǒng)一次性發(fā)送全部頻率的激振，這個(gè)振動(dòng)頻率連續(xù)變化的“激振脈沖”，按照一定頻率值間隔覆蓋整個(gè)搜索頻率范圍。因此，原則上可以短時(shí)間內(nèi)發(fā)生一個(gè)與振弦的振動(dòng)頻率相近的激勵(lì)頻率，從而引發(fā)“共振”現(xiàn)象，使得振弦起振，隨后測得起振后的振弦頻率。這種起振方式，相較原有的“逐一搜索法” “分段逼近法”，在掃頻速度上有了很大的提高。由于采用的是“低壓激振”方式，且采集速度快，因此可以實(shí)現(xiàn)更低的設(shè)備功耗。

3.3 數(shù)據(jù)采集方式設(shè)計(jì)

施工期應(yīng)變監(jiān)測需要能夠?qū)Ω鱾€(gè)主要工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行采集，因此應(yīng)變采集裝置需要滿足無線自動(dòng)定時(shí)采集和人工實(shí)時(shí)采集相結(jié)合的功能。應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集通過空中喚醒機(jī)制實(shí)現(xiàn)，即通過向終端采集設(shè)備發(fā)送喚醒指令，終端開始采集應(yīng)變數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸，待網(wǎng)關(guān)發(fā)送收到數(shù)據(jù)指令后進(jìn)入休眠狀態(tài)，若網(wǎng)關(guān)由于故障未收到終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則終端重復(fù)發(fā)送2次，如仍未收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)，則在下一次數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行發(fā)送。

采用人工手動(dòng)采集可滿足施工現(xiàn)場搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成后的實(shí)時(shí)校驗(yàn)，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵工況需要不定時(shí)實(shí)時(shí)采集的要求。通過定時(shí)自動(dòng)采集與人工實(shí)時(shí)采集的結(jié)合，能夠滿足施工期應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的需求，從而更好地為施工質(zhì)量和安全提供可靠參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

通常情況下，由于采集終端或網(wǎng)關(guān)故障數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳輸，為防止數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)了雙重存儲(chǔ)機(jī)制，即在LoRa終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)中均設(shè)置存儲(chǔ)模塊，終端模塊采集數(shù)據(jù)后，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，網(wǎng)關(guān)收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后首先進(jìn)行存儲(chǔ)，然后發(fā)送至廣域網(wǎng)。若采集終端和網(wǎng)關(guān)發(fā)生通信故障，待采集終端與網(wǎng)關(guān)重新建立通信連接后，采集終端將未發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。若網(wǎng)關(guān)與廣域網(wǎng)之間發(fā)生通信故障，待通信建立后網(wǎng)關(guān)將未發(fā)送的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，如通信一直無法建立，則可攜帶終端設(shè)備與采集終端或網(wǎng)關(guān)建立聯(lián)系進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。該雙重存儲(chǔ)機(jī)制最大限度地保障了數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)丟失對工程質(zhì)量和安全產(chǎn)生的影響。

4 調(diào)試軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

調(diào)試軟件主要功能為在監(jiān)測現(xiàn)場對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和設(shè)備管理。網(wǎng)關(guān)有GPRS或Wi-Fi這2種聯(lián)網(wǎng)模式，如采用GPRS方式可不用設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備啟動(dòng)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸至云端。當(dāng)采用Wi-Fi方式聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要通過調(diào)試軟件將網(wǎng)關(guān)接入當(dāng)?shù)豔i-Fi系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后可以在調(diào)試軟件中對網(wǎng)關(guān)和采集終端進(jìn)行管理和參數(shù)設(shè)置。另外，為方便施工現(xiàn)場監(jiān)測的使用，調(diào)試軟件能夠遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)的啟動(dòng)和停止，同時(shí)還具有手動(dòng)實(shí)時(shí)采集的功能。

5 工程應(yīng)用

5.1 某鋼支撐應(yīng)變監(jiān)測

某基坑選定同一層3根鋼支撐開展應(yīng)變監(jiān)測。鋼支撐采用長20 m的φ609 mm×12 mm鋼管，在鋼支撐表面上下各布置1個(gè)應(yīng)變傳感器，每根鋼支撐上的2個(gè)應(yīng)變傳感器接入同一個(gè)采集終端，網(wǎng)關(guān)放置在距離施工現(xiàn)場200 m的辦公室內(nèi)，采用Wi-Fi模式接入廣域網(wǎng)，采集終端采用普通鋰電池供電，網(wǎng)關(guān)由外接電源供電，設(shè)置應(yīng)變采集頻率為15 min/次。自2019年4月11日開始采集至7月14日結(jié)束，歷時(shí)3個(gè)月，監(jiān)測期間采集終端工作正常，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，監(jiān)測期間由于施工現(xiàn)場停電2次，停電期間應(yīng)變數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在采集終端存儲(chǔ)模塊內(nèi)，待供電恢復(fù)后采集終端將斷電期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)發(fā)，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)缺失現(xiàn)象。監(jiān)測結(jié)束后采集終端顯示總共耗電8%，以此計(jì)算，該采集模塊在15 min/次采集頻率工作狀態(tài)下，依靠鋰電池能夠工作超過2年時(shí)間，具有明顯的低功耗特點(diǎn)。圖2為監(jiān)測設(shè)備成品。

圖2 監(jiān)測設(shè)備成品

5.2 某混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測

采用振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測某混凝土梁受力狀態(tài)，傳感器設(shè)置在梁的4個(gè)角點(diǎn)，每個(gè)截面共4個(gè)傳感器，每個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鹘尤胪粋€(gè)采集終端，共布置了10個(gè)采集終端。由于施工場地內(nèi)無Wi-Fi，網(wǎng)關(guān)采用4G通信模式接入廣域網(wǎng)，采集終端同樣由鋰電池供電，網(wǎng)關(guān)由外接220 V電源供電，該工程示范應(yīng)變采集頻率設(shè)置為10 min/次，自2019年4月底開始采集至7月底結(jié)束，歷時(shí)3個(gè)月，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，示范采集期間采集設(shè)備經(jīng)歷了多次斷電，后期數(shù)據(jù)全部補(bǔ)全。監(jiān)測結(jié)束后采集終端顯示總共耗電11%，以此計(jì)算該采集模塊在10 min/次采集頻率工作狀態(tài)下依靠鋰電池能夠工作超過2年時(shí)間。2個(gè)工程的采集設(shè)備功耗較為接近。

6 結(jié)語

低功耗無線應(yīng)變采集設(shè)備在普通采集頻率下能堅(jiān)持2年不更換電池，且數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，避免了電源線及數(shù)據(jù)線因施工破壞造成的數(shù)據(jù)缺失。另外采集設(shè)備自帶的儲(chǔ)存功能、續(xù)傳功能，能夠有效避免網(wǎng)關(guān)斷電等異常造成的數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳輸問題。研發(fā)的該類型設(shè)備尤其適用于施工期結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)監(jiān)測，能夠?yàn)槭┕て诮Y(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。