桥梁健康状态在线监测预警系统的软件设计(附件)
现如今，伴随着我国经济的飞速提升，桥梁等基础设施建设也在不断推进。但与此同时，大量桥梁的维护问题也是日渐凸显。本课题针对现有问题设计了一套由Arduino为核心的传感器节点、手机APP、物联网云平台以及嵌入式系统监测软件终端组成的桥梁健康监测系统。无线传感器节点将监测系统获取到的桥梁参数利用GPRS网络与物联网云平台进行数据发送，云服务平台提供数据存储以及转发服务。监测软件主要由基于Ubuntu系统的监测软件和基于Android系统的手机APP组成。手机APP主要用于对桥梁运行参数及状况进行动态显示；电脑端监测软件主要用于本地数据存储及显示功能，另外电脑监测软件还应用了神经网络算法对桥梁运行状况进行动态分析，提高了系统稳定性和灵敏度。关键词 GPRS，云服务器，监测软件，神经网络
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题的主要工作及要求 2
2 系统整体设计以及关键技术 3
2.1系统整体设计 3
2.2关键技术 4
3 传感器节点设计 5
3.1数据采集模块 6
3.2数据处理模块 8
3.3 无线传输与定位模块 8
3.4传感器节点流程图 9
3.5单总线式传感器软件设计 10
3.6 IIC数字信号通信软件设计 10
3.7模拟信号软件设计 11
4物联网云平台配置与数据上传 11
4.1云平台配置 11
4.2 传感器节点与云平台通信 12
4.4 GPRS与NBIoT通信测试对比 18
5.1总体框架 20
5.2 网络通信 21
5.3地图显示 24
5.3多线程编程 25
5.4警告通知发送 26
5.5数据存储与历史数据查询 26
6.1监测软件流程图 28
6.2 开发环境准备 29
6.3界面设计 30
6.4数据可视化设计 31
6.5数据库设计 33
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
7 神经网络数据分析算法设计 34
7.1人工神经网络介绍 34
7.2神经网络模型。 35
7.3 BP神经网络的建立 35
7.4 神经网络的运行 38
总 结 41
致谢 42
参考文献 43
1 引言
1.1 课题研究背景
在中国经济蓬勃发展的今天，我国基础设施建设的步伐也在连续加快，这使得我国自改革开放以来已经建成了各种结构型式的桥梁57万座，已经远远超过过去几千年总和。但与此同时，由于缺乏后期养护管理意识，大量的桥梁一直处于无人监管状态，桥梁运行状况堪忧，部分重要出现严重损毁，承载能力明显降低，事故频发，造成严重的社会危害。
桥梁监测的老式方法主要是通过维护人员进行现场测量，维护人员在现场才能把握作业环境。例如在挠度测量时，工人需绳降至桥梁底部用标尺进行测量。在传统小型桥梁结构上，这种现场考察采集桥梁数据的方法下虽费时但仍是可行的。但随着现代桥梁建设的大型化，复杂化，实时人工现场勘查，采集桥梁运行参数，实在是过于浪费资源，显得十分费时费力。且当数据采集完成后，原始数据需专业人员进行分析，在监测端对监管人员有相当的技术要求。随着物联网技术的不断发展，各种新型传输方式的兴起使桥梁监测不再依赖于人工现场勘查或者有线传输方式，多传感器节点汇聚成的无线传感网络可将监测获得的参数可通过各项远程传输技术传输至各种云服务器终端。同时随着安卓系统的出现以及手机，平板等移动端设备的不断增多，使得用户不再局限于计算机，也可以使用各种随身携带的设备进行数据的查询。在机器学习火爆的今天，各种机器学习算法也广泛应用于各项工程项目中，无须专业人员对原始数据进行详尽分析，只需将原始数据直接输入，程序便可直接输出分析结果。本课题就基于此背景设计了一套集远程监测、云端存储、在线数据分析与一体的桥梁健康在线软件监测系统。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
自从上世纪五六十年代起，人们就已经开始注重桥梁的运行状态监测，但由于当时技术水平的限制，所以一直无法在实际中有效运用起来。但随着现代桥梁的建设的大型化，多样化以及复杂化，传统的桥梁监测技术已经无法有效监管桥梁安全的问题，因此如何建立一套行之有效的桥梁健康监测系统成为了国内外学者、研究人员、工程师的研究方向。美国以及西北欧等西方国家于上世纪70年代起就开始着手建立完备的桥梁监测系统，不断完善桥梁维护体系，并引入计算机管理系统，在大量的系统性研究中建立了一套完整的新建桥梁与旧式桥监测、评估与加固维护体系。
例如美国在一系列著名桥梁如金门大桥，布鲁克林大桥等上世纪五十年建设的桥梁中，已经建立了完善的桥梁监测体系。以位于Florida州的主跨度为4.5公里的Brooklyn大桥为例，该桥布设了600多个各类型传感器，主要用于监测桥梁在运行过程中桥梁车辆以及环境对桥梁主结构所施加的振动以及应变，并兼具温湿度，风速等环境信息等测量，该系统集成了实时监测、数据分析以及服务器网络于一体，是比较先进的桥梁监测系统。
1.2.2 国内研究现状
而我国公路桥梁监测、评定技术落后于西方发达国家，主要体现在以下方面：一是在桥梁健康监测手段和仪器开发研究方面；二是在桥梁监测、评定与加固技术的系统性和标准化方面。但随着几年来物联网技术与人工智能技术的不断推进，我国大型工程的监测与维护系统在采集运行参数，远程监控，系统的智能化与全自动化方面取得突破性进展，提高了我国桥梁监测技术水平。
在我国近些年也利用新型物联网技术对各种大型桥梁进行系统性的远程监测，以东海大桥为例，东海大桥起始于上海市浦东新区（原南汇区）芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛。东海大桥全长32.5公里，是世界第二长跨海大桥，由众行科技引领的ZETA物联网全面部署于东海大桥，成功实现了桥梁智能维护，为东海大桥的运行节约了2/3的人工巡检维护成本，提升了运维效率。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题的主要工作及要求 2
2 系统整体设计以及关键技术 3
2.1系统整体设计 3
2.2关键技术 4
3 传感器节点设计 5
3.1数据采集模块 6
3.2数据处理模块 8
3.3 无线传输与定位模块 8
3.4传感器节点流程图 9
3.5单总线式传感器软件设计 10
3.6 IIC数字信号通信软件设计 10
3.7模拟信号软件设计 11
4物联网云平台配置与数据上传 11
4.1云平台配置 11
4.2 传感器节点与云平台通信 12
4.4 GPRS与NBIoT通信测试对比 18
5.1总体框架 20
5.2 网络通信 21
5.3地图显示 24
5.3多线程编程 25
5.4警告通知发送 26
5.5数据存储与历史数据查询 26
6.1监测软件流程图 28
6.2 开发环境准备 29
6.3界面设计 30
6.4数据可视化设计 31
6.5数据库设计 33
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
7 神经网络数据分析算法设计 34
7.1人工神经网络介绍 34
7.2神经网络模型。 35
7.3 BP神经网络的建立 35
7.4 神经网络的运行 38
总 结 41
致谢 42
参考文献 43
1 引言
1.1 课题研究背景
在中国经济蓬勃发展的今天，我国基础设施建设的步伐也在连续加快，这使得我国自改革开放以来已经建成了各种结构型式的桥梁57万座，已经远远超过过去几千年总和。但与此同时，由于缺乏后期养护管理意识，大量的桥梁一直处于无人监管状态，桥梁运行状况堪忧，部分重要出现严重损毁，承载能力明显降低，事故频发，造成严重的社会危害。
桥梁监测的老式方法主要是通过维护人员进行现场测量，维护人员在现场才能把握作业环境。例如在挠度测量时，工人需绳降至桥梁底部用标尺进行测量。在传统小型桥梁结构上，这种现场考察采集桥梁数据的方法下虽费时但仍是可行的。但随着现代桥梁建设的大型化，复杂化，实时人工现场勘查，采集桥梁运行参数，实在是过于浪费资源，显得十分费时费力。且当数据采集完成后，原始数据需专业人员进行分析，在监测端对监管人员有相当的技术要求。随着物联网技术的不断发展，各种新型传输方式的兴起使桥梁监测不再依赖于人工现场勘查或者有线传输方式，多传感器节点汇聚成的无线传感网络可将监测获得的参数可通过各项远程传输技术传输至各种云服务器终端。同时随着安卓系统的出现以及手机，平板等移动端设备的不断增多，使得用户不再局限于计算机，也可以使用各种随身携带的设备进行数据的查询。在机器学习火爆的今天，各种机器学习算法也广泛应用于各项工程项目中，无须专业人员对原始数据进行详尽分析，只需将原始数据直接输入，程序便可直接输出分析结果。本课题就基于此背景设计了一套集远程监测、云端存储、在线数据分析与一体的桥梁健康在线软件监测系统。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
自从上世纪五六十年代起，人们就已经开始注重桥梁的运行状态监测，但由于当时技术水平的限制，所以一直无法在实际中有效运用起来。但随着现代桥梁的建设的大型化，多样化以及复杂化，传统的桥梁监测技术已经无法有效监管桥梁安全的问题，因此如何建立一套行之有效的桥梁健康监测系统成为了国内外学者、研究人员、工程师的研究方向。美国以及西北欧等西方国家于上世纪70年代起就开始着手建立完备的桥梁监测系统，不断完善桥梁维护体系，并引入计算机管理系统，在大量的系统性研究中建立了一套完整的新建桥梁与旧式桥监测、评估与加固维护体系。
例如美国在一系列著名桥梁如金门大桥，布鲁克林大桥等上世纪五十年建设的桥梁中，已经建立了完善的桥梁监测体系。以位于Florida州的主跨度为4.5公里的Brooklyn大桥为例，该桥布设了600多个各类型传感器，主要用于监测桥梁在运行过程中桥梁车辆以及环境对桥梁主结构所施加的振动以及应变，并兼具温湿度，风速等环境信息等测量，该系统集成了实时监测、数据分析以及服务器网络于一体，是比较先进的桥梁监测系统。
1.2.2 国内研究现状
而我国公路桥梁监测、评定技术落后于西方发达国家，主要体现在以下方面：一是在桥梁健康监测手段和仪器开发研究方面；二是在桥梁监测、评定与加固技术的系统性和标准化方面。但随着几年来物联网技术与人工智能技术的不断推进，我国大型工程的监测与维护系统在采集运行参数，远程监控，系统的智能化与全自动化方面取得突破性进展，提高了我国桥梁监测技术水平。
在我国近些年也利用新型物联网技术对各种大型桥梁进行系统性的远程监测，以东海大桥为例，东海大桥起始于上海市浦东新区（原南汇区）芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛。东海大桥全长32.5公里，是世界第二长跨海大桥，由众行科技引领的ZETA物联网全面部署于东海大桥，成功实现了桥梁智能维护，为东海大桥的运行节约了2/3的人工巡检维护成本，提升了运维效率。
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