系統硬件集成設計與實施

監測系統的硬件部分是一個集合，包括前面提到的傳感器子系統、數據采集子系統、數據傳輸和處理子系統三部分。

（一）傳感器系統

為了突出傳感器選型的經濟性，挑選有代表性的監測指標顯得尤為重要。通過調研中小跨徑混凝土橋梁病害情況，總結出較為突出的病害集中在跨中處下撓過大和支點處產生大量的腹板斜裂縫。針對該類病害，確定了5個能夠反映該類橋梁長期性能的安全監測參數：變形監測是對跨中變形進行監測，了解橋梁撓度變化，確保橋梁運營安全；裂縫監測是對支點附近箱梁腹板剪切裂縫進行觀測，了解裂縫的發展；應變監測用來獲取橋梁關鍵截面應力變化；溫度監測是為實橋結構分析提供基礎數據，用來計算撓度和應變的補償值；振動監測可以獲取橋梁的動力特性。基于上述五種物理量類型，選擇性能可靠，精度適合，性價比高的傳感器。經過市場調研，最終決定采用振弦式傳感器用于變形，裂縫，應變和溫度測試，采用低頻響應好的加速度傳感器用于振動測試。對于靜態信號，即振弦式傳感器信號同步主要體現在時間上的同時開始，其時間相關性要求不高，只要滿足時間戳一致，時間精度在一分鐘即可滿足要求。對于動態信號，即加速度傳感器信號同步不僅是簡單的同時開始采集，振動信號后期的分析中對于相位的同步也有很高的要求，時間精度在納秒范圍內。本系統基于測點數量，目前采用單機箱多板卡同步方式完成動態信號采集。

（二）數據采集子系統

數據采集系統主要由美國National Instruments（簡稱NI） CompactRIO（簡稱cRIO）核心模塊、振弦式傳感器采集模塊和控制中心服務器三部分組成。系統由cRIO嵌入式平臺加振弦式傳感器采集模塊完成數據采集、存儲與上傳功能，將采集到的數據傳輸至控制中心服務器，該設備用以遠程數據的接收、存儲、顯示及分析等功能。本系統的核心基于cRIO嵌入式系統。cRIO可編程自動控制器(PAC)是一款針對高可靠性和高性能應用的嵌入式控制及采集系統，具有小尺寸、堅固性及靈活性等特點，尤其適用于在低溫、振動等惡劣環境下運行。cRIO控制器包括一個處理器和可重配置FPGA。振弦式傳感器主要用以完成信號轉換，例如跨中撓度，支點附近箱梁腹板剪切裂縫，關鍵截面應力及環境溫度等。振弦式模塊內含 CPU、時鐘、非易失性存儲器、A/D轉換器等，用于實現系統的自檢、測量與控制、被測數據存儲、數據通訊等。

（三）數據傳輸和處理子系統

本系統的數據傳輸功能由無線DTU模塊實現。由系統中核心控制單元cRIO控制器上的串口RS-232與無線DTU通信，將實時數據發送到公網內，供服務器端接收數據。無線DTU的四個核心功能：內部集成TCP/IP協議棧；提供串口數據雙向轉換功能；支持自動心跳，保持永遠在線；支持參數配置，永久保存。

（四）硬件系統封裝