传感器接口标准在桥梁健康状态监测中的应用设计*

0 引 言

桥梁健康状态监测是一项规模大、复杂性高的综合性系统工程，为了实现对桥梁健康状态进行监测、对潜在危险预警，需要部署大量传感器系统用以采集包括桥梁振动、位移、应变、压力、温湿度等各种状态参数[1,2]。通过各种传感器的优化布设，可以提高桥梁监测系统可靠性和灵活性[3]。然而，由于涉及传感器种类多、接口形式不统一，使得桥梁健康状态监测系统的开发集成和更新维护极为不便，因此需要一种统一的、标准化的传感器接口技术来提高系统的一致性、可维护性和可扩展性。本文对桥梁健康状态系统传感器接口进行标准化设计，测试结果表明，系统接口标准化后扩展性、维护性较好。

1 传感器接口标准

传感器接口作为传感网和物联网系统中的重要技术单元，解决感知层的信息接入问题。国内外相关机构特别是标准组织，针对传感器接口的标准化展开了研究[4～8]。

在国家传感器网络标准工作组(working group of sensor network,WGSN)的领导下，我国于2009年开始对传感器接口相关数据模型和交互协议进行研究[9]，并研制了具有自主知识产权的传感器接口标准GB/T 30269.701和GB/T 30269.702[10,11]。前者为传感器信号接口标准，其规定了传感器与传感节点之间信号接口的信号类型、电气参数及表述格式，旨在解决传感器互换和即插即用问题，实现物联网感知层到网络层的无缝接入；后者为传感器数据接口标准，其对传感器信息编码、传感节点数据描述和传感节点数据交互协议等内容进行规范，旨在解决上层网络或应用系统对各种传感节点的识别、访问和配置等问题，其意义在于以统一的方式实现传感器网络数据的跨平台访问和共享。

两个标准在传感系统中的层次结构和相互关系如图1所示。

图1 传感器接口标准层次结构和相互关系

2 桥梁监测系统

桥梁监测系统需要对桥梁全长度关键部位的状态参数进行采集并融合计算处理，由于桥梁状态多点监测的固有特性，桥梁健康状态监测系统采用分布—集中式采集结构，其系统架构如图2所示。多个桥梁状态参数采集终端分布在桥梁的不同部位，每个采集终端连接多个不同类型传感器采集桥梁状态参数。桥梁监测综合主机通过数据总线与每个桥梁状态参数采集终端进行通信，对采集终端进行管理，汇集每个采集终端发送的桥梁状态数据，并发送到后台数据库服务器。

图2 桥梁状态监测系统架构

3 桥梁监测系统标准化设计

3.1 桥梁状态参数采集终端标准化设计

在硬件结构上，桥梁状态参数采集终端分为通信母板和信号接口适配子板，两部分通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)接口进行连接通信。通信母板可采用通用的网络通信模块。作为标准化设计的关键部分，信号接口适配子板主要包括微控制器单元(microcontroller unit,MCU)模块、电源管理模块、通信模块、存储模块和传感器接口调理模块等5个部分，如图3所示。依据传感器信号接口标准GB/T 30269.701的要求对传感器接口调理模块进行设计，包括模拟信号调理电路和数字通信接口，实现对各种模拟型传感器，开关型传感器和数字总线型传感器的适配接入。图4为电压型输入接口调理电路，INA326为运算放大器。

图3 信号接口适配子板硬件构成

图4 电压型输入接口调理电路

在软件设计上，桥梁状态参数采集终端嵌入式软件采用模块化低耦合设计思想，其包括传感器接入检测、传感器接口描述读取、数据采集、数据处理、基础通信等多个软件模块，如图5所示。

图5 桥梁状态参数采集终端嵌入式软件结构

依据GB/T30269.701对信号接口的规范要求，构建了标准的信号接口描述文件并保存在内部存储器中，设计了信号接口描述数据结构、解码模块和信号接口匹配模块，其中信号接口描述数据结构定义了桥梁状态参数采集终端各个采集通道的信号接口参数，解码模块以GB/T 30269.701规定的格式对采集终端和所接传感器的信号接口描述信息进行解析提取相关信号接口参数，信号接口匹配模块对提取的信号接口参数进行对比计算以判断所接传感器与所接采集终端通道是否匹配。依据GB/T30269.702关于数据接口描述文件和交互协议的要求，设计了桥梁状态参数采集终端通信协议栈，包括数据接口描述信息结构、解码模块、标准数据包构造模块、标准数据包解析模块和基础通信模块等，其中数据接口描述信息结构定义了桥梁状态参数采集终端的ID识别号、通道编码、转换映射关系等信息，数据接口描述解码模块以标准格式对采集终端的数据接口信息进行解析提取数据接口参数，标准数据包构造和解析模块按照标准交互通信协议进行通信数据帧构造解析工作。

3.2 桥梁监测综合主机标准化设计

桥梁监测综合主机硬件可以采用高性能工业控制计算机，软件设计和实现是桥梁监测综合主机研发的主要内容。

为了实现传感器接口标准化的同时又不失通用性和灵活性，桥梁监测综合主机在软件整体架构上分系统调用层、中间层和应用层，如图6所示。系统调用层主要功能是调用操作系统底层应用编程接口(application programming interface,API)来驱动通信接口实现数据通信功能。应用层主要功能是获取桥梁状态数据进行计算、分析、预警和显示。中间层是实现传感器接口标准化的关键，位于系统调用层传和应用层之间，其依据GB/T30269.702关于传感节点通信协议的规范，向下需要实现与桥梁状态参数采集终端的通信，从而获取或配置参数并读取桥梁状态数据，向上为上层应用软件提供采集终端数据编码获取和解析的服务，使得采集终端对于上层应用软件是透明的，这样上层应用软件可以更专注于各项功能策略的实现。根据GB/T 30269.702关于通信协议的规范要求，中间层提供移除采集终端参数函数族、读取采集终端参数函数族、配置采集终端参数函数族和读取采集终端传感数据函数族等四类函数。

图6 桥梁监测综合主机软件架构

4 系统实现与测试

采用通用的工业控制计算机作为桥梁监测综合主机的硬件平台，其通过以太网与桥梁状态参数采集终端的通信母板进行连接，采集终端信号接口适配子板的其中两个通道分别连接振动传感器和应变传感器。搭建的测试系统实物如图7所示。

图7 实现的测试系统实物

基于LabVIEW编程环境开发的桥梁健康状态参数采集测试软件作为应用层软件运行在桥梁监测综合主机上。中间层软件通过C/C++语言编程实现，桥梁健康状态参数采集测试软件利用LabVIEW开发环境嵌入的C/C++语言接口调用中间层软件提供的标准接口函数，实现桥梁状态参数如振动和应变等数据的获取，测试软件运行界面如图8所示。

图8 桥梁健康状态参数采集测试软件界面

5 结 论

本文对传感器接口标准GB/T30269.701和GB/T30269.702的内容进行了解析，在提出的“分布—集中”式桥梁监测系统架构基础上，对桥梁健康状态监测系统进行传感器接口标准化设计，实现了符合传感器接口标准的桥梁状态参数采集终端和桥梁监测综合主机。所搭建的测试系统工作稳定，性能良好，具有较好可扩展性和可维护性。