桥梁健康状态在线监测预警系统的硬件设计(附件)
在社会发展的进程中，交通设施是重要的基础公共设施，关系到千家万户的出行，而桥梁又是交通设施中的重要组成部分。近年来，随着桥梁的发展，安全问题逐渐成为突出问题，因此，一个可靠稳定的桥梁健康监测系统显得尤为重要。本文介绍了一种基于Arduino单片机、GPRS、远程监测计算机及先进的云服务器，集监测、显示与报警为一体的远程实时监测系统。应用无线传感技术对各桥梁监测点进行组网，把传感器模块监测到的数据通过GPRS模块传输到云服务器。使用远程监测计算机或者手机APP访问云服务器，从而能够实时监测到桥梁健康状态，如果数据超过规定标准值时云服务器就会触发报警装置，并向相关部门发送报警信息。因此，该桥梁健康监测系统具有一定的经济和实用价值。关键词 桥梁健康监测系统，Arduino单片机，GPRS，云服务器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 桥梁健康监测技术的国内外发展现状及趋势 2
1.3 课题的主要工作及要求 2
2 总体方案设计 3
2.1 系统介绍 3
2.2 系统节点架构 4
2.3 系统模块设计 4
3 系统硬件设计 5
3.1 主控模块 5
3.2传感器模块 9
3.3 电源模块 14
3.4 GPRS通信模块 16
4 系统可靠性及干扰问题 18
5 系统测试与运行 19
5.1 系统硬件安装 19
5.2 系统软件调试 19
6 算法研究及数据分析 21
6.1 算法研究 21
6.2 数据分析 23
6.3 误差分析及改进 23
总 结 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录 29
1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在社会发展的进程中，交通设施是重要的基础公共设施，关系到千家万户的出行，而桥梁又是交通设施中的重要组成部分。现如今我国有许多正在运营的桥梁，它们在我国现代的交 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
通运输中扮演着重要的地位。此外，近年来随着我国综合国力的提升，对交通工程的投入也年复一年地增加，交通设施建设随即迈入了发展的快车道。据相关统计显示，我国公路桥梁平均每年以2.7万座的增加速度进行增加。截止到2015年末，全国公路桥梁总数达到77.9万座，其中包含特大桥桥梁3894座、大桥7.9万座，铁路桥梁总数也接近20万座[1]。
与此同时，我们也面临了一些问题。据中华网报道，公路桥梁约四成已经使用20多年以上、技术等级低的带病桥梁占3成。我国大约有10万座桥梁处于“危桥”状况[2]。很多桥梁在投入使用的短短数年间就出现了问题，其中有些桥梁甚至需要大范围的修补。在一般桥梁的建设及使用过程中，也有一些因使用低劣的建筑材料和地表沉降及风化等自然原因面临变形的风险，隐藏着一定的安全祸患。这些存在安全隐患的桥梁如果出现问题，将会给政府和人民的生命财产带来极大的损失，而且会带来极其恶劣的社会影响，造成不必要的后果。
自20世纪50年代起，桥梁健康状态监测的重要性已经广为人知，但由于早期桥梁健康状态监测的科学技术水平较为落后，所以在实际使用及推广的过程中一直受到制约。随着科学技术的发展，桥梁技术也取得了长足的发展，特别是在结构设计和施工技术方面。正因如此，大跨度桥梁和特大桥桥梁的建设才有可能变为实际的可能。但因其形式和功能的多样化，带来的安全问题也是不可忽略的。由于大型桥梁工程，对于国家而言，是一个国家综合国力的体现；对于人民群众而言，是一个惠及生活的公共基础设施。而大型桥梁的安全运营离不开健康状态监测系统的使用，因此国内外学术界、工程界对这项技术都给予了足够重视。
随着科学技术的不断发展和进步，采用物联网技术、传感器技术、数据分析算法和计算机技术实现的桥梁健康监测系统可以对桥梁重要参数进行稳定高效的监测。这将突破传统的检测模式，大大节约了桥梁维护成本，同时也避免了传统检测的一些弊端，提高了桥梁健康监测的可靠性及效率。
1.2 桥梁健康监测技术的国内外发展现状及趋势
1.2.1 桥梁健康监测技术的发展现状
随着我国经济水平和综合国力的不断提高，自上世纪60年代起我国建设了许多大型桥梁,如南京长江大桥、上海的卢浦大桥、湖南的矮寨特大悬索桥、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等等,在桥梁设计和施工技术水平方面，都得到了长足的的发展。在这些大型桥梁结构上，根据实际情况，建立了与之相适应的健康监测系统。其中有一些桥梁在施工阶段就安装了健康监测仪器，记录施工过程中桥墩、桥塔、基础等部位的受力情况和变形情况，并在桥梁后期建设的过程中布置了与之适应的传感设备和长期监测系统,实时监测桥梁健康的各项数据指标[3]。
在国外，最早的结构健康监测系统是应用于航天航空及军工领域。自20世纪50年代起，因桥梁突发性破坏事件发生地较为频繁，其中有不少还是大型桥梁，造成的经济损失十分庞大，同时也造成了一些不好的社会影响，引起了各个国家的重视同时也让桥梁健康状态监测的重要性广为人知，但由于早期桥梁健康状态监测的科学技术水平较为落后。获取桥梁健康状态参数要么是凭借人工定期定点的检查，要么是当桥梁已经发生损坏再进行维护的时候，这给桥梁维护工作带来了极大的不便，同时也增加了许多不必要的成本。近年来,国外桥梁健康监测系统借助智能检测技术和计算机技术，在大型桥梁上建立了瞬时监测与连续监测于一体的智能化监测系统。
1.2.2 桥梁健康监测技术的发展趋势
随着现代科学技术的发展，其中包含信息处理技术、数据通信技术、传感器数据采集技术、物联网技术以及数据分析算法的不断发展，桥梁健康监测系统的发展已经进入了的快车道，以智能控制为基础的桥梁健康监测系统，得到了迅速发展。
基于物联网和智能控制技术的桥梁健康监测系统是当今世界各国的主要研究方向之一，高性能的传感器，高速且稳定的数据通信技术，先进的数据处理算法，使得桥梁健康监测系统的发展更上一个台阶。与此同时，伴随着智能控制和计算机科学的发展以及制造工艺水平的提高，使得桥梁健康监测系统向实时性、自动化、集成化和网络化的方向发展[4]。
1.3 课题的主要工作及要求
本课题采用Aduino单片机、加速度传感器、压力传感器、风速传感器、温湿度传感器、GPRS模块，利用移动OneNET云平台，设计一种集监测、显示与报警为一体的桥梁健康状态在线监测预警系统，实现对桥梁的振幅、应变以及对桥梁周围环境的风速、温湿度的测量。本课题主要包含以下几个设计方面内容。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 桥梁健康监测技术的国内外发展现状及趋势 2
1.3 课题的主要工作及要求 2
2 总体方案设计 3
2.1 系统介绍 3
2.2 系统节点架构 4
2.3 系统模块设计 4
3 系统硬件设计 5
3.1 主控模块 5
3.2传感器模块 9
3.3 电源模块 14
3.4 GPRS通信模块 16
4 系统可靠性及干扰问题 18
5 系统测试与运行 19
5.1 系统硬件安装 19
5.2 系统软件调试 19
6 算法研究及数据分析 21
6.1 算法研究 21
6.2 数据分析 23
6.3 误差分析及改进 23
总 结 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录 29
1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在社会发展的进程中，交通设施是重要的基础公共设施，关系到千家万户的出行，而桥梁又是交通设施中的重要组成部分。现如今我国有许多正在运营的桥梁，它们在我国现代的交 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
通运输中扮演着重要的地位。此外，近年来随着我国综合国力的提升，对交通工程的投入也年复一年地增加，交通设施建设随即迈入了发展的快车道。据相关统计显示，我国公路桥梁平均每年以2.7万座的增加速度进行增加。截止到2015年末，全国公路桥梁总数达到77.9万座，其中包含特大桥桥梁3894座、大桥7.9万座，铁路桥梁总数也接近20万座[1]。
与此同时，我们也面临了一些问题。据中华网报道，公路桥梁约四成已经使用20多年以上、技术等级低的带病桥梁占3成。我国大约有10万座桥梁处于“危桥”状况[2]。很多桥梁在投入使用的短短数年间就出现了问题，其中有些桥梁甚至需要大范围的修补。在一般桥梁的建设及使用过程中，也有一些因使用低劣的建筑材料和地表沉降及风化等自然原因面临变形的风险，隐藏着一定的安全祸患。这些存在安全隐患的桥梁如果出现问题，将会给政府和人民的生命财产带来极大的损失，而且会带来极其恶劣的社会影响，造成不必要的后果。
自20世纪50年代起，桥梁健康状态监测的重要性已经广为人知，但由于早期桥梁健康状态监测的科学技术水平较为落后，所以在实际使用及推广的过程中一直受到制约。随着科学技术的发展，桥梁技术也取得了长足的发展，特别是在结构设计和施工技术方面。正因如此，大跨度桥梁和特大桥桥梁的建设才有可能变为实际的可能。但因其形式和功能的多样化，带来的安全问题也是不可忽略的。由于大型桥梁工程，对于国家而言，是一个国家综合国力的体现；对于人民群众而言，是一个惠及生活的公共基础设施。而大型桥梁的安全运营离不开健康状态监测系统的使用，因此国内外学术界、工程界对这项技术都给予了足够重视。
随着科学技术的不断发展和进步，采用物联网技术、传感器技术、数据分析算法和计算机技术实现的桥梁健康监测系统可以对桥梁重要参数进行稳定高效的监测。这将突破传统的检测模式，大大节约了桥梁维护成本，同时也避免了传统检测的一些弊端，提高了桥梁健康监测的可靠性及效率。
1.2 桥梁健康监测技术的国内外发展现状及趋势
1.2.1 桥梁健康监测技术的发展现状
随着我国经济水平和综合国力的不断提高，自上世纪60年代起我国建设了许多大型桥梁,如南京长江大桥、上海的卢浦大桥、湖南的矮寨特大悬索桥、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等等,在桥梁设计和施工技术水平方面，都得到了长足的的发展。在这些大型桥梁结构上，根据实际情况，建立了与之相适应的健康监测系统。其中有一些桥梁在施工阶段就安装了健康监测仪器，记录施工过程中桥墩、桥塔、基础等部位的受力情况和变形情况，并在桥梁后期建设的过程中布置了与之适应的传感设备和长期监测系统,实时监测桥梁健康的各项数据指标[3]。
在国外，最早的结构健康监测系统是应用于航天航空及军工领域。自20世纪50年代起，因桥梁突发性破坏事件发生地较为频繁，其中有不少还是大型桥梁，造成的经济损失十分庞大，同时也造成了一些不好的社会影响，引起了各个国家的重视同时也让桥梁健康状态监测的重要性广为人知，但由于早期桥梁健康状态监测的科学技术水平较为落后。获取桥梁健康状态参数要么是凭借人工定期定点的检查，要么是当桥梁已经发生损坏再进行维护的时候，这给桥梁维护工作带来了极大的不便，同时也增加了许多不必要的成本。近年来,国外桥梁健康监测系统借助智能检测技术和计算机技术，在大型桥梁上建立了瞬时监测与连续监测于一体的智能化监测系统。
1.2.2 桥梁健康监测技术的发展趋势
随着现代科学技术的发展，其中包含信息处理技术、数据通信技术、传感器数据采集技术、物联网技术以及数据分析算法的不断发展，桥梁健康监测系统的发展已经进入了的快车道，以智能控制为基础的桥梁健康监测系统，得到了迅速发展。
基于物联网和智能控制技术的桥梁健康监测系统是当今世界各国的主要研究方向之一，高性能的传感器，高速且稳定的数据通信技术，先进的数据处理算法，使得桥梁健康监测系统的发展更上一个台阶。与此同时，伴随着智能控制和计算机科学的发展以及制造工艺水平的提高，使得桥梁健康监测系统向实时性、自动化、集成化和网络化的方向发展[4]。
1.3 课题的主要工作及要求
本课题采用Aduino单片机、加速度传感器、压力传感器、风速传感器、温湿度传感器、GPRS模块，利用移动OneNET云平台，设计一种集监测、显示与报警为一体的桥梁健康状态在线监测预警系统，实现对桥梁的振幅、应变以及对桥梁周围环境的风速、温湿度的测量。本课题主要包含以下几个设计方面内容。
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