设计一个实时超载对桥梁和道路监控系统基响应翻译文档格式.docx
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因此，许多桥梁和道路的寿命远远小于他们的设计工作寿命，如车辙问题，空洞，裂纹，沉陷，错台，裂缝，破裂等。
有些桥梁由于超重坍塌，如在2007常州大桥，2009上海周浦呼兰河大桥，2012钢便桥。
通过结构损伤引起的安全事故使人们的生命和财产受到巨大威胁，导致巨大的经济损失。
因此，结构健康监测（SHM），定义为使用原位、无损传感和结构特点的分析，包括[34]，对桥梁和道路是必要的。
结构健康监测不仅可以及时发现这些结构的损害和评估其安全性，而且也能预测结构的性能变化和剩余寿命的维修决策。
最近，在木工程结构上结构健康监测已经成为一个重要的研究[5-8]。
然而，现有的结构健康监测系统是昂贵的，只可应用在高预算，大型项目。
例如，上海成都高速公路和中国的成本约15000000元[9]。
这样的高成本阻碍了低预算项目使用结构健康监测技术。
此外，车辆超载仍然是一个关键问题，特别是在国家公路主干线。
虽然静态过载已经建立监测站，他们为了实现相对较大规模的高精度的静态人工检测。
此外，车辆必须停止和队列的静态重量测试，这将减缓交通负担但检查所有车辆是不可行的。
因此，在动态车辆称重测量的基础上，结合车辆本身、桥梁和道路的承载能力、服务生活，以及疲劳的程度将会非常有前途，自上世纪50年代以来，在美国，加拿大，欧盟（EC）成员国，日本[10-12]研究动态车辆称重系统研究。
在上世纪六十年代后期，在德国研究平板式车辆动态称重系统。
1974，美国是最先将动态称重系统用在车辆载荷测量。
在同一年，法国研究人员发明了压电动态称重系统，即vibracoax。
1988年，在英格兰用新型的压电传感器'
vibetek2.0来检测负载并且它的性能被证明是优于压电动态称重系统。
1994年，欧盟正式开始重轴和车辆运动的欧洲项目（波）。
从1997年6月到1998年6月在瑞典的寒冷气候条件，对车辆动态称重产品进行测试。
试验结果表明，瑞士Kistler产品，德国PAT和小公司在绩效上的价值。
2000年，压电由MIS传感器系统在年度会议上展出。
该系统可以测量的移动速度，轴数，轴距，和车辆分类，动态称重[13，14]。
然而，现有的动态称重系统是昂贵的，主要集中在传感单元的研究，数据采集，很少考虑实现设备。
根据实际需要，低成本的实时监控车辆对道路对道路对桥梁称重的报警集成微系统。
2
系统描述
该系统由前端传感器，放大电路、A/D转换电路、，中央处理单元（CPU），通信电路，报警系统组成，系统的结构示意图如图1所示。
当车辆驶入传感器网络的地区后放大后的传感模拟信号和降噪由A/D转换成数字信号。
CPU区分这些数字数据，然后得到车辆动态荷载。
报警将路面负担过重和车辆信息发送和存储在一个数据中心，然后健康检测系统做进一步分析。
图1系统的结构示意图
3系统硬件
3.1流量传感器的工作原理和布局分析
流量传感器可以进行高灵敏度的表面监测和快速响应。
由于与基体材料的相容性好，良好的抗干扰能力，结构性能影响不明显等优点，PVDF传感器优良应变性能、加速度、力等物理量[15]，因此，PVDF流量传感器非常适合于动态称重系统并且它们用于测量美国公司（如图2所示）。
PVDF传感器的主要参数列于表1，其特点如下：
（1）动态响应优于一般应变计。
已经取得了比较PVDF应变计[16]和图3中的结果表明PVDF比应变计更准确它具有宽范围的输出。
此外，由于应变仪的放大，噪音应变仪的干扰比较大PVDF。
（2）交通PVDF传感器必须工作在交变力的作用下提供一定的电流测量电路。
换句话说，该传感器可以检测动态的而不是静止的车辆车辆。
检测低速车辆，高输入阻抗，需要用前端放大器。
因此，测量的速度范围（一般在5-200公里/小时）连接电路设计。
（3）交通PVDF传感器电容驱动长电缆，CPU可以放置更远。
PVDF传感器具有良好的动态范围、低噪声路面变形、弯曲和小波。
设置为最小重量为自行车的重量。
图2美国多变环境中使用的传感器
图3PVDF传感器和应变仪的输出负载的影响
（4）平面结构（宽度厚度比6:
1）的传感器可以把噪音到最低限度在水评的方向。
相邻的车道，车辆之间的固有的抗噪声比和路面变形是10:
1。
事实上，车辆的重量测量是通过流量传感器收集轮胎的压力数据。
PVDF传感器可以通过输出流量模拟信号与轮胎产生的压力成正比，并且符合模拟信号输出周期才能观察到的轮胎数量。
一个新的电子脉冲将轮胎通过时产生的压力收集到传感器，发送到计算系统。
这些车辆使用多个轮子或多轴组，因为每个传感器都是足够宽，传感器响应的两倍单轮或单轮。
由于传感器板需要覆盖的传感器，它将增加预算和安装传感器需要准确位置。
考虑到感测位置是细长的，提单流量传感器，安装在狭窄的车道上，减少整个车道的裂缝以免损伤人行道。
在此系统中，交通的初始布局传感器是在图4A所示，，产生脉冲信号车辆的前轮通过传感器和另一个脉冲信号出现在后轮的压力传感器，，因此汽车上人行道上可以根据这些计算感应信号。
由于每个车轮的数量可能不同、各轮组通过传感器将产生一个脉冲，很难确定它收集的数据是否属于同一车辆，从而使后来报警产生困难。
为了准确地确认车辆，使用线圈的前端布置在图4b所示。
车辆通过线圈时，磁通的变化使线圈的电流变化，因此，信号采集的流量传感器被激活，并告知车辆和传感器开始收集数据。
通过这种方式，只有线圈到适当的距离接收设置才可以正确的确定汽车的数量，否则传感器可能收集不完整的车辆数据和误判的重量车辆。
例如，汽车最长是10米，在60公里/小时的速度行驶，它需要约6秒，当车辆经过线圈达流量传感器。
如果车辆是短，可能有其他车辆通过线圈6，导致数据采集混乱和车辆不能准确确定。
为了解决这一问题，提出了传感器的布置如图4C。
当车辆穿过第一线圈时，系统开始收集交通传感器数据，采集结束时，车辆离开第二线圈。
在这种方式中，车辆的重量可以通过遥感数据处理准确的得出。
此外，该速度和车轮的数量可以在布局计算。
图4传感器原理布局
3.2
CPU
由于传感器电池不方便充电，小公司的超低功耗单片机MSP430F149作为本系统的CPU。
MSP430F149单片机与电源电压1.8-3.6电压（V）的16位单片机。
有六种不同的工作模式（一个活动模式和五种低功耗模式）并且他们在功率消耗较大的差距。
在活动模式，功耗为200-400UA/MIPS，而在低功率模式下的泄漏电流最小的，这是只有0.1啦。
所以电池最后可以在应用系统[17]10年。
3.3放大器电路
PVDF传感器作为前端传感设备。
PVDF的流量传感器的输出很弱，需要放大。
CPU的标准采集电压为0V和3V;
是由压电信号放大处理。
处理电路如图5所示。
图5PVDF传感器放大电路
该电阻R3，R4，R5构成加法器电路来调节输出直流电压，而R2用来调节OP07的增益。
所以输出电压该电路是
3.4
A/D转换器电路
ADC采集和转换电路是嵌入式在MSP430F149。
ADC的主要特点是12位的转换精度，外部转换8路，16字转换缓存和采样速度高达200kbps。
因此，ADC嵌入MSP430F149可以满足系统的要求避免了专用A/D芯片的使用。
同时，ADC可以在低功耗模式工作节约能源。
一种8通道A/D转换器电路，其采样率可通过编程设置MSP430F149单片机，实现了中央处理器立即响应，当它接收到命令，然后将收集到的数据以十六进制计算机。
为了方便识别和提取正确的数据，数据用下面的格式，如表1所示。
表1数据命令格式
3.5
告警电路
报警电路包括监控，报警驱动电路，和车牌识装置。
最主要的是要是高清摄像机，这是控制相，通过5V电压和一个特定的端口电流。
作为MSP430F149单片机的低功率，端口电流太小到满足要求。
因此，选择MSP430F149驱动TLV5620摄像设备。
TLV5620是4通道8位D/A小公司生产的，其输出电流至少1毫安。
它与MSP430单片机的通信一个SPI总线方式，它不仅具有简单的线条，而且也只占用很少的系统资源。
通信SPI总线的速率高达1Mbps的连接如图6所示当CPU决定拍照基于传感器数据的某些判断算法后，D/A指令将通过SPI总线发送以TLV5620输出5伏的电压来驱动摄像头。
然后车牌识别装置连接摄像头进行基于DSP[18-21车牌识别]车牌识别。
最后，这张照片识别结果包将经过时间和车辆的车牌号发送回计算机局域网和远程通过GPRS方式数据中心。
图6MSP430和TLV5620连接
3.6
通信电路
所提出的系统的通信电路分为两部分。
一部分是系统通信部分，通过串行端口连接计算机波特率可以设置从1200个基点至115200个基点默认值是115200个基点。
UART协议用在MSP430F149芯片中构成串口UART系统。
专用的MAX3232是因为有在电压水平的巨大差异进行计算机与单片机之间的合适的变换（计算机的RS-232串口协议标准，而单片机是TTL电平）。
UART的波特率模块可以由波特率发生器计算。
在本文中，波特率的计算方法是[22]。
时钟源是为串口波特率发生器提供时钟。
UBR是整数的分频系数，是整数部分的晶体频率除以波特率。
M7，M6，M5，M4，M3，M2，M1，M0是书面的调整控制寄存器的位置调整。
在UART模块初始化，中断用于启动发送或接收的串行端口模式。
在这种方式中，CPU的接受计算机发出的命令后A/D转换的数据发送到计算机。
用称重算法判别，数据满足一定资格将被自动存储在文本格式。
这里的GPRS网络平台用于透明数据传输。
通信电路其他部分的系统系统将通过GPRS方式发送重量、经过时间和超重车辆发送到远程数据中心。
GPRS网络其覆盖范围大和组网灵活，适用于各种变化的环境。
私有数据网络是通过一个CPU构成控制GPRS模块。
GPRS模块传输速率为20-40kbps。
通电时，它会自动连接到网络。
私人通信网络通过网络覆盖全中国建立的任何构造方法[2324]。
上述单位是一体的，整个系统如图7所示
图7整体系统图
4.系统软件，系统软设备
系统软件包括两部分，MSP430F149和上位机的嵌入式软件。
4.1软件设计
软件设计采用C完成了MSP430单片机的控制。
采用中断和轮询模式为了使MSP430的低功耗睡眠状态到工作状态满足一定的条件。
该系统的主程序流程图8所示。
MSP430F149将首先被初始化，包括中断寄存器的设置，AD转换模块，串口，SPI接口模块，该串行通信速率，采样率等。
在MSP430F149通电，将下面的操作和数据的存储地址发送。
然后，CPU判断收到的指令做出相应的动作.
图8系统的主程序流程图
4.2.上位机的软件
用VisualBasic编译的上位机软件具有以下功能：
显示车辆的重量，超重报警，超重车辆的车牌和通过GPRS发送远程数据数据的功能。
该程序具有友好的界面和使用较少的资源。
此外，图形界面为用户提供直观的特点和数据显示模块。
上位机的软件如图9所示。
它分为图像采集，显示重量，和远程传输三个模块并已在图11A-C分别表明。
图9上位机的软件
（a）图像采集模块
（b）重量显示模块
（C）远程传输模块
（d）交通传感器的响应
图11试验结果
5实验和结论
为了验证所提出的系统的有效性，进行了实验和环境表现在图10中。
在这个实验中，CPU，放大电路，A/D转换器电路，通信电路包括串口与GPRS模块，报警电路集成在一个防水盒。
监视器和高清晰度摄像机挂在一个高度（指图10的左边）。
两个线圈和一个流量传感器按规定的方式放置。
图10实验系统
一辆丰田花冠的紧凑模型进行试验，以属性为4530毫米长，1705毫米宽，高1490毫米，2600毫米的轴距，1470毫米前履带，1460毫米后轮距，体重1145公斤，1600公斤的最大重量设计。
在这个实验中，1253公斤的车重测量的衡器。
当汽车穿过交通传感器，系统开始收集交通传感器数据，当车辆离开第二线圈时采集结束。
汽车的重量约为11200牛顿，通过计算收集的响应数据。
假设计算的重量超过报警值，所以CPU指令系统拍照，在识别车牌的基础上确定的DSP。
最后通过GPRS方式将这张照片的鉴定结果（包括重量，经过时间和行驶证）发送回计算机和远程数据中心。
实验结果显示在图11，图11A是图像采集模块，图11B显示超重报警信息，图11C是报警信息远程传输模块，图11显示的流量传感器的响应。
通过验证，证明了车辆通过传感器监测结果的准确性，.此外，通过GPRS超重车辆的照片和相关数据传输到数据中心。
实时负荷监测系统桥梁和基于结构响应的道路，便于工程结构健康监测和损伤分析。
该系统具有测量准确的优点，成本低（约3000美元），易实现（多个静态超载监测站）。
它具有很大的应用潜力在低预算的结构健康监测领域。
一般来说，设计是初步的，进一步改进是必要的。
更重要的是，更多的测试需要进行前可以实际使用。
致谢
向这项研究提供资金援助的国家自然科学基金（项目编号51108060，50921001，90815022），国家十二五规划科技攻关项目（项目号2011bak02b04），中央财经大学研究基金（项目编号dut12jr13）表示感谢。
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