一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置的制作方法

1.本实用新型涉及桥梁健康监测的技术领域，特别是涉及一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置。


背景技术：

2.在交通网络中，桥梁具有连接交通线路的作用，是交通的咽喉，在经济、社会、生活等方面有着重要的战略意义。随着桥梁建造结构形式越发复杂和跨度不断增加，桥梁结构安全性的要求也对应变得愈来愈高。然而，在桥梁服役期间，受其内部结构变化、外界环境侵蚀等其他不利因素影响，桥梁会出现结构老化、受损等问题。当桥梁的结构损伤累积到一定程度以后，就会影响桥梁的使用，导致桥梁在使用过程中出现灾难性的事故，造成巨大的损失。由于技术的局限性，传统的桥梁健康状况评估大部分是依靠人工检测进行，但人工检测方法存在检查效率低、检查周期长、检查结果不稳定、安全性差等问题，无法满足现代桥梁的维护与管理要求。所以，开展有效、快捷的桥梁健康技术研究，对于保障桥梁的安全运行具有重要的意义。
3.最早的桥梁监测方法主要是通过人工进行检测，随着科技的不断进步，传感器技术也随之不断提高，人们开始利用各种新型传感器来采集桥梁的特征信号，并利用有线系统传输信号。该方法相对于人工方法具有数据传输效率高、具有很强的抗干扰能力且受自然条件影响小等优点。基于此，中国专利cn104406723b公开了一种桥梁健康监测系统，其包括给整个系统供电的供电电源，若干个压电传感器，所述压电传感器均匀的分布在桥梁内部，所述压电传感器通过信号放大器连接单片机，所述单片机连接地址选择器与第一报警器，所述单片机通过无线传输模块连接上位机，所述上位机连接显示模块与第二报警器，所述上位机上设有数据存储模块，所述第一报警器安装于桥梁防护栏上，所述第二报警器安装于值班室内。该系统具有寿命长、安装方便等优点，同时在桥梁防护栏上与值班室内均安装有报警器，当桥梁承受压力超过额定范围时，桥梁报警器会提醒过往车辆行人注意安全，值班室内的报警器会提醒工作人员目前桥梁的健康情况以及时采取应对策略。
4.然而，在桥梁结构的监测中，当人们需要监测一些大跨度桥梁的健康状态的时候，其所需的传感器数量也会增加。而有线电缆传输的方式会进一步导致工作量增加，导致实际检测过程时间长，效率低，后续数据处理难度变大。且，随着电缆线的电阻变大，也会影响到现场传感器采集的灵敏度，造成测量误差。上述问题对桥梁数据传输技术提出了更高的要求。
5.此外，数据处理是桥梁健康监测中很重要的一部分，也是解决桥梁存在的问题与及时处理的重要参考和依据。随着信息化技术快速发展，桥梁检测评估手段逐步信息化和在线化。即所有检测数据均可通过集中式处理模型，从网络传输到云计算中心，并利用云计算超强的能力来集中解决计算及存储问题。随着越来越多的检测和监测设备的现场安装，桥梁检测和监测数据将快速增长，且5g技术的广泛应用将会产生巨量数据。因此，采用以云计算模型为核心的集中式处理模式进行计算将会越来越困难，其带宽不足、实时性不够、安
全隐患大以及能耗高等缺陷将会愈加突出。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对桥梁健康监测过程中因数据处理而导致的带宽不足、实时性不够、安全隐患大以及能耗高的技术问题，提供一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置。
7.一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置，其包括：内支撑架、前装饰外壳、后防护外壳、控制电路板、侧指示部、连接器部、天线部、上安装支架、下安装支架、固定连接架以及若干接地部。所述内支撑架的前侧活动卡接所述前装饰外壳；所述内支撑架的后侧通过金属螺丝连接所述后防护外壳；所述控制电路板设置于所述内支撑架与所述后防护外壳之间；所述控制电路板与一连接于所述后防护外壳的金属螺丝电性连接。所述侧指示部与所述连接器部分别设置于所述内支撑架的两侧并均与所述控制电路板电性连接；所述天线部设置于所述内支撑架的侧上方；所述天线部的端部与所述控制电路板电性连接。所述内支撑架、所述前装饰外壳、所述后防护外壳、所述侧指示部以及所述连接器部相互形成围闭结构；于该围闭结构的上、下侧分别活动卡接所述上安装支架与所述下安装支架；所述固定连接架的上、下端部分别连接所述上安装支架与所述下安装支架。若干所述接地部均匀卡设于所述后防护外壳之上；每一所述接地部的内侧抵接所述后防护外壳之中所连接的金属螺丝；其外侧伸出所述后防护外壳之外。
8.进一步的，所述内支撑架具有若干导引插孔以及两竖向锁扣。
9.更进一步的，若干所述导引插孔均匀设置于所述内支撑架的周边；两所述竖向锁扣设置于若干所述导引插孔之中。
10.更进一步的，所述前装饰外壳具有若干锁合卡扣；每一所述锁合卡扣对应与一所述导引插孔或一所述竖向锁扣匹配连接。
11.更进一步的，所述上安装支架或所述下安装支架设置有滑轨结构以及止位结构。
12.更进一步的，所述滑轨结构设置于所述上安装支架或所述下安装支架之中。
13.更进一步的，所述止位结构设置于所述滑轨结构的侧面。
14.更进一步的，所述天线部具有天线连接座以及天线杆体。
15.更进一步的，所述天线连接座与所述控制电路板连接。
16.更进一步的，所述天线杆体与所述天线连接座铰接。
17.综上所述，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置针对桥梁健康监测的需求，提出了一种应用于桥梁监测无线传感器节点和远程终端信号处理与监测模块。其中，无线传感器由多路传感器信号放大与采集、存储、数据传输等模块组成，可实现桥梁的震动等特征信号和温、湿度等环境信号的同步采集、存储、无线传输；远程节点终端处理模块完成桥梁信号预处理和频率、位移等特征提取处理和桥梁健康状况分类。并且，针对无线传感器节点中无线通信模块的装配需求，本实用新型揭示了一种装载结构方案，由现有的初步实验结果表明：位移、固有频率、温度、湿度多种特征作为桥梁健康特征，可以较好的反映了桥梁的健康状况；利用深度学习的多分类识别器诊断桥梁健康时，识别率高，可较为准确的判断出桥梁的健康状况。而本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置可以综合地传输位移、固有频率、温度、湿度等多种数据。并在
靠近数据生产处做数据处理，无需请求云计算中心，减少了系统延迟；在网络边缘处理大量临时数据而不再全部上传云端，极大地减轻了数据中心功耗和网络带宽的压力；边缘计算将隐私数据存储在网络边缘设备上，减少了网络数据泄露的风险。所以，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置解决了在桥梁健康监测过程中因数据处理而导致的带宽不足、实时性不够、安全隐患大以及能耗高的技术问题。
附图说明
18.图1为基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统的无线传感器节点结构图；
19.图2为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置的结构示意图；
20.图3为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置的爆炸结构示意图；
21.图4为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置另一方向的爆炸结构示意图；
22.图5为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置的安装示意图；
23.图6为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置所应用的一种实施例的无线通信模块的电路图；
24.图7为本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置的无线数据传输流程图。
具体实施方式
25.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是
机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
31.具体的，无线传感器网络的发展，为桥梁的位移、振动等桥梁状态和温、湿度等环境信息的实时采集、传输和存储，实现对桥梁健康状态全天候监测提供了技术基础和手段。基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统应包括：桥梁上无线传感器节点和远程数据分析、处理指控终端。该种监测系统通过4g或5g等无线移动公共通信网络实现对桥梁传感器节点的通信管理。被分布安装在待测桥梁上的各个无线传感器节点，由远程指控终端通过指令获取状态和环境数据，指控终端对数据进行分析和处理，进而完成桥梁健康状态的分析和诊断。
32.更具体的，无线传感器节点一般可由四部分构成，分别是传感器模块、转换模块、无线通信模块和主控模块。其中，传感器模块完成对桥梁信号采集；转换模块对信号进行模数转换；无线通信模块把采集转换完毕的信号发送到指控终端中去；主控模块负责控制传感器、转换模块以及无线通信模块的工作协调和控制。设计的桥梁健康监测节点如图1所示。本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置为前述基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统中的无线通信模块的具体实现结构。
33.具体的，请一并参阅图2至图4，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置包括：内支撑架1、前装饰外壳2、后防护外壳3、控制电路板4、侧指示部5、连接器部6、天线部7、上安装支架8、下安装支架9、固定连接架10以及若干接地部11。所述内支撑架1的前侧活动卡接所述前装饰外壳2；所述内支撑架1的后侧通过金属螺丝连接所述后防护外壳3；所述控制电路板4设置于所述内支撑架1与所述后防护外壳3之间；所述控制电路板4与一连接于所述后防护外壳3的金属螺丝电性连接。所述侧指示部5与所述连接器部6分别设置于所述内支撑架1的两侧并均与所述控制电路板4电性连接；所述天线部7设置于所述内支撑架1的侧上方；所述天线部7的端部与所述控制电路板4电性连接。所述内支撑架1、所述前装饰外壳2、所述后防护外壳3、所述侧指示部5以及所述连接器部6相互形成围闭结构；于该围闭结构的上、下侧分别活动卡接所述上安装支架8与所述下安装支架9；所述固定连接架10的上、下端部分别连接所述上安装支架8与所述下安装支架9。若干所述接地部11均匀卡设于所述后防护外壳3之上；每一所述接地部11的内侧抵接所述后防护外壳3之中所连接的金属螺丝；其外侧伸出所述后防护外壳3之外。
34.具体的，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置作为外部桥梁健康监测系统中的无线通信模块的容设结构；其所设有的固定连接架10可以被限位固定于桥梁体上预设的安装位置；然后，其上、下端部所连接的所述上安装支架8与所述下安装支架9形成一卡接扣锁。用户可以将本实用新型对准该卡接扣锁的侧面，以使所述前装饰外壳2、所述后防护外壳3、所述侧指示部5以及所述连接器部6所围闭形成的装配结构体可以从其侧面滑入该卡接扣锁之中；具体如图5所示。安装完成之后，所述控制电路板4所容设的各功能模块相互配合工作，以通过所述天线部7与外界进行数据交互。此外，当本实用新型完成安装之后，所述控制电路板4通过接地线缆或金属弹片将其接地线路与连接于所述后防护外壳3之上的一金属螺丝电性接通。此后，该金属螺丝的头部抵接一所述接地部11；再令该所述接地部11与外部的大地接通；从而使该控制电路板4完成有效接地；进而增强数据交互的信号强度；以增加数据传输的效率。
35.具体的，目前物联网领域主流无线通信方案有很多，从通信距离和覆盖范围大致可以分为远距离无线广域和近距离无线局域，本实用新型主要考虑宽带无线通信。远距离无线通信方案按照所占带宽又可分为窄带广域通信和宽带广域通信，下表1为常用远距离无线通信模式的汇总。由于sigfox和lora工作在非授权频段，在城市范围内自组网难度大、成本高，nb-iot由于传输速率限制一次性发送数据的大小一般不超过200字节，也不适用于本实用新型的设计。所以，选择lte无线传输方案。lte即4g通信，目前我国主要采用的是中国移动的td-lte和中国联通的fdd-lte。
36.表1：无线功能对比图
[0037][0038]
综合以上，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置中所设置的所述控制电路板4所内置的通信模块可采取unv-sim7600ce1.2模块来进行无线通信。该模块体积小，仅有30*30*2.9mm，可极大的节约空间；其支持各种电平ttl串口，供电电压范围广，5-18v的电压均可供电，使得模块具有很强的适应性。而且该模块也内嵌tcp/ip协议，支持tcp/udp通信，可通过at指令来控制模块工作。图6为本实用新型所应用的一种无线通信模块电路图的实施例。由该实施例可知，主控芯片通过串口发送at指令来控制无线通信模块并传输数据，stm32的uart串口速率最大可设置为961200bps，而无线通信模块的上行速度为50mbps，下行速率为100mbps，而基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统的无线数据传输节点的最大数据量为50kb，远小于4g网络的上行传输速率。所以，该模块可满足
桥梁健康安全监测的信号传输需求。当4g模块发送时，工作于tcp数据透传模式。无线传输过程如图*所示。
[0039]
由图7可知，无线传输的具体流程为首先使能sim7600模块，判断模块是否能够正常工作，待模块正常启动后，设置目标ip地址和端口来连接云服务器，等待连接云服务器以后，模块进入无线透传模式，传感器采集信息按照传输协议进行传输，一次传输完成以后，模块等待下次传输。
[0040]
进一步的，在所述控制电路板4的设计方案中，为了增加电路板的抗干扰能力并减少外部干扰，可以采取以下措施：增大电源线、时钟线和信号线间的距离；加粗部分电源线和信号线；有意加宽地平面；布线时尽量避开焊盘。对于发热量比较大的芯片如主控芯片以及无线通信芯片等，在其底部焊盘打了较多的用于连通上下走线层及地层的过孔以增强散热效果。大功率稳压芯片、无线通信芯片正反面均安装散热片，从一定程度上可以缓解芯片的发热情况。最后设计好的控制电路板4可以有效解决安全隐患大以及能耗高的技术问题。
[0041]
进一步的，所述内支撑架1具有若干导引插孔101以及两竖向锁扣102；若干所述导引插孔101均匀设置于所述内支撑架1的周边；两所述竖向锁扣102设置于若干所述导引插孔101之中。所述前装饰外壳2具有若干锁合卡扣201；每一所述锁合卡扣201对应与一所述导引插孔101或一所述竖向锁扣102匹配连接。具体的，围绕于所述内支撑架1周边设置的若干所述导引插孔101可以便于将所述前装饰外壳2导引至预设的位置以便令其定位锁合；两所述竖向锁扣102能令所述前装饰外壳2的锁合稳定而不易松动。
[0042]
进一步的，所述上安装支架8或所述下安装支架9设置有滑轨结构801以及止位结构802；所述滑轨结构801设置于所述上安装支架8或所述下安装支架9之中；所述止位结构802设置于所述滑轨结构801的侧面。更具体的，所述滑轨结构801设置为可令所述内支撑架1、所述前装饰外壳2、所述后防护外壳3、所述侧指示部5以及所述连接器部6相互形成围闭结构而滑动的导轨状结构；所述止位结构802于所述滑轨结构801的端部以防止该围闭结构意外脱离。
[0043]
进一步的，所述天线部7具有天线连接座701以及天线杆体702；所述天线连接座701与所述控制电路板4连接；所述天线杆体702与所述天线连接座701铰接。具体的，所述天线杆体702可以绕所述天线连接座701转动，以便用户调整其接收信号的方向。
[0044]
综上所述，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置针对桥梁健康监测的需求，提出了一种应用于桥梁监测无线传感器节点和远程终端信号处理与监测模块。其中，无线传感器由多路传感器信号放大与采集、存储、数据传输等模块组成，可实现桥梁的震动等特征信号和温、湿度等环境信号的同步采集、存储、无线传输；远程节点终端处理模块完成桥梁信号预处理和频率、位移等特征提取处理和桥梁健康状况分类。并且，针对无线传感器节点中无线通信模块的装配需求，本实用新型揭示了一种装载结构方案，由现有的初步实验结果表明：位移、固有频率、温度、湿度多种特征作为桥梁健康特征，可以较好的反映了桥梁的健康状况；利用深度学习的多分类识别器诊断桥梁健康时，识别率高，可较为准确的判断出桥梁的健康状况。而本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置可以综合地传输位移、固有频率、温度、湿度等多种数据。并在靠近数据生产处做数据处理，无需请求云计算中心，减少了系统延迟；在网络边缘处理大量临时数据而不再全部上传云端，极大地减轻了数据中心功耗和网络带宽的压力；边缘计算
将隐私数据存储在网络边缘设备上，减少了网络数据泄露的风险。所以，本实用新型一种用于桥梁健康监测的边缘计算和数据安全传输装置解决了在桥梁健康监测过程中因数据处理而导致的带宽不足、实时性不够、安全隐患大以及能耗高的技术问题。
[0045]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0046]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。