Разработка устройства беспроводной системы для мониторинга состояния трещин и стыков зданий и мостовых сооружений с использованием двухпроцессорных Wi-Fi-передатчиков



Современные средства автоматизированного контроля и измерений позволяют создавать системы удаленного мониторинга типовых мостовых сооружений. Это способствует широкому распространению этой технологии. Разработка систем мониторинга конкретных объектов сводится к решению задачи обеспечения заданного уровня безопасности при установленном ограничении на затраты путем подбора конфигурации системы. В рамках системного подхода необходимо определить: что следует понимать под безопасностью сооружения в контексте использования средств контроля, и каким образом можно оценить увеличение безопасности сооружения от внедрения системы мониторинга. В этом случае систематизированное проектирование систем мониторинга мостовых сооружений позволит анализировать конфигурацию системы при наличии общих ограничений на стоимость и уровень безопасности [1].

Мониторинг состояния моста (мониторинг моста) — систематическое наблюдение за работой моста в эксплуатационных условиях в течение заданного существенного промежутка времени с применением специальных технических средств, размещаемых на конструкциях моста. При мониторинге выполняется экспериментальная оценка количественных параметров (измерение) и качественных признаков, характеризующих техническое состояние моста, к 3 которым относятся геометрические параметры; напряженно-деформированное состояние; температура элементов сооружения; динамические характеристики; дефекты; нагрузки и воздействия, атмосферные и др. условия эксплуатации; жесткостные, прочностные и прочие свойства конструкций и материалов. Оцениваться могут как действующие значения параметров, так и их изменение в процессе мониторинга. Мониторинг состояния моста делится на различные виды, такие как: контрольный, исследовательский, сравнительный, непрерывный, периодический [2]. Все они отличаются друг от друга видами поступающей информации, временем их обработки и дальнейшего анализа и количеством объектов исследования.

Основной особенностью мониторинга является то, что он позволяет регулировать процесс содержания, который позволит сохранить мостовые сооружения и любые здания. При этом необходимо изменить идеологию содержания мостовых сооружений и любых зданий, исходя из следующей концепции: «пока сооружение не начало разрушаться, необходимо своевременно его защитить от повреждений» [3]. При разработке системы непрерывного мониторинга состояния мостового сооружения и зданий нужно создать такую систему, с помощью которой можно получать информацию о состоянии мостового сооружения и любых зданий в реальном режиме времени. Для разработки этой системы необходимо:

– выбрать регистрируемые факторы и аппаратные средства сбора данных;

– разработать и привести алгоритмы преобразования регистрируемых данных к виду, пригодному для контроля и анализа;

– сохранять данные и предоставлять их по запросу;

– выбирать средства и формы предоставления данных для пользователя [4].

Мотивацией для разработки устройства мониторинга технического состояния мостов и сооружений является то, что в результате сравнительного анализа существующих систем мониторинга выявлены некоторые недостатки, такие как:

– невозможность мониторинга трещины или стыка в здании, если контролируемая трещина находится в труднодоступном месте или на большой высоте;

– технические сложности при контроле большого количества трещин в здании или сооружении;

– применение в некоторых системах в качестве датчика измерения трещин датчика реостатного типа, выходной сигнал которого имеет ступенчатый характер, приводит к появлению дополнительной погрешности в выходном сигнале, а наличие контактных электромеханических частей в датчике снижает срок эксплуатации данного устройства;

– отсутствие контроля за динамикой изменения размеров трещины снижает информативность данной системы и качество прогноза о состоянии здания.

В данной работе представлены результаты разработки беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений лишенные отмеченных недостатков. Задачей данного исследования является разработка устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений, основанного на использовании дополнительных блоков, позволяющих уменьшить потребление электроэнергии, увеличить срок эксплуатации устройства и повысить точность, информативность и качество прогноза о состоянии сооружений и зданий.

Решение задачи улучшения качественных характеристик и снижения электропотребления устройством мониторинга базируется на использовании метода построения автономных беспроводных систем с минимальным расходом электроэнергии, триангуляционном методе измерения расстояния до объекта, основанного на изменении угла падения луча лазера в зависимости от расстояния до объекта, применении схемотехнических методов построения интегральных электронных модулей. На рисунке 1 представлена структурная схема беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений.

Рис. 1. Структура беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений

Общая структура устройства мониторинга (рисунок 1) включает в себя оптический датчик, состоящий из отражающей панели (ОП), излучателя (Изл) и приемника (Пр), операционный усилитель (ОУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), пропорционально-дифференцирующее звено (ПДЗ), микроконтроллер (МК), Wi-Fi передатчик (Wi-Fi-1), Wi-Fi приемник (Wi-Fi-2), персональный компьютер (РС), управляемый источник питания (УИП) и таймер.

Оптический датчик передает аналоговый сигнал пропорциональный размеру трещины на усилитель, выход которого подключен к пропорционально –дифференцирующему звену. Сигнал с ПД-звена поступает на АЦП. Затем оцифрованный сигнал с АЦП передается на микроконтроллер. В микроконтроллере сигнал подвергается обработке в соответствии с заданным алгоритмом и далее по Wi-Fi-интерфейсу, который включает передатчик и приемник, поступает на компьютер, где происходит окончательная обработка информационного сигнала. Кроме информационного сигнала микроконтроллер формирует сигнал включающий таймер, функция которого заключается в периодическом отключении источника питания от всех активных блоков устройства мониторинга с целью экономии электроэнергии.

Устройство работает следующим образом. При расширении контролируемой трещины увеличивается расстояние между отражающей панелью и приемником, так как, входящие в состав оптического датчика измерения трещин приемник и излучатель расположены с одной стороны трещины, а отражающая панель — с другой. В результате с приемника снимается сигнал пропорциональный ширине контролируемой трещины.

В качестве датчика измерения трещин используется лазерный триангуляционный датчик класса РФ602Х, принцип работы которого основан на измерении угла между прямым лазерным лучом и отраженным от объекта.

Сигнал с приемника оптического датчика передается на высокоточный 16-разрядный АЦП ADS 1115 с низким энергопотреблением (150 мкА в рабочем режиме) и встроенным программируемым. Оцифрованный информационный сигнал (в структуре алгоритма сигнал обозначен как Х1) по интерфейсу I2C поступает на Wi-Fi-передатчик, в качестве которого применяется Wi-Fi-модуль WeMos d1 mini pro. В состав модуля входит 32-битный микроконтроллер ESP8266EX. Достоинством предложенного Wi-Fi-модуля является его простота программирования. Для программирования модулей с микроконтроллером ESP8266EX рекомендуется использовать среду программирования Arduino Ide. Таким образом, модули ADS 1115 и WeMos d1 mini pro фактически выполняют функции всей цепочки, представленной на структурной схеме (рисунок 1) — ОУ→ ПДЗ→ АЦП→ МК→Wi-Fi-1.

Отличительной особенностью данного устройства является наличие информации о скорости расширения измеряемой трещины, что дает наиболее полную картину о степени разрушительной активности в стенах контролируемого здания и позволяет оперативно реагировать на возникающие угрозы, а организация беспроводной передачи сигнала и разработанный алгоритм, включающий ограничение времени передачи полезного сигнала, позволяют значительно экономить расход электроэнергии и использовать автономный источник питания.

Кроме того, использование в качестве датчика измерения трещин оптического микрометра значительно повышает точность измерений, поскольку выходной сигнал дат-чика в этом случае имеет непрерывную форму, что позволяет дифференцировать этот сигнал. А отсутствие в датчике контактных электромеханических элементов, которые в процессе измерения могут подвергаться быстрому износу, повышает надежность всего устройства.

Литература:

1. Тулеушова Р., Наурызбаев М. К. Оценка эффективности системы мониторинга мостового сооружения// Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, № 2 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/04TVN215.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/04TVN215.
2. Руководство по проведению мониторинга состояния эксплуатируемых мостовых сооружений. ОДМ 218.4.002–2008. Федеральное дорожное агентство (Росавтодор). Москва 2008.
3. Бильченко А. В. Концепция сохранения и развития мостовых сооружений в г. Харькове до 2012 г. [Текст] / А. В. Бильченко, А. Г. Кислов, Е. А Бадаева. // — Харьков, 2008. — 39 с.
4. Овчинников И. Г., Овчинников И. И., Нигаматова О. И., Михалдыкин Е. С. Прочностной мониторинг мостовых сооружений и особенности его применения. Часть 2. Непрерывный мониторинг состояния мостовых сооружений / Овчинников И. Г., Овчинников И. И., Нигаматова О. И., Михалдыкин Е. С. // Транспортные сооружения, 2014. — Том 1, № 2. — С. 1–37.