随着道路交通增长，我国桥梁劳损加速，结构病害的发生几率与恶化风险显著提高，运营安全保障工作日渐繁重。对桥梁结构展开监测，实现异常预警、病害识别跟踪、损伤评估等功能，其带来的安全效益受到重视[3]。对于斜拉桥、系杆拱桥等索结构桥，索的拉张状况具有决定交通承载力和结构稳定度的关键意义，但相对外露易受损伤，又不便日常巡检，因此对其展开索监测意义更加显著。旧金山的金门大桥、韩国Jindo双桥，以及国内无锡蓉湖桥、南通新江海河桥等先后实施了此类监测。但以上系统中索监测设备在体积、功耗、网络灵活性等方面存在各自的不足，应用推广还有待进一步优化提升。
频率法测索力是以上索监测采用的典型方法[7]，但原始数据多，现场采集配合远程分析的使用模式面临线缆供电不可靠、无线通信与网络部署开销高等问题。本文提出的监测用无线索力计通过硬件和基本系统低功耗化，将索频算法嵌入设备内，大幅减少数据传输开销，并以无线自组网接入取代线缆布设，增强了桥索监测系统的灵活性。
1 系统整体结构
整体系统的设计主要由硬件设计、索力检测算法设计、网络接入设计三大部分组成。
系统的硬件部分结构示意图如图1。系统包括主控制器、射频模块、传感器接口等。
软件系统层次如图2所示，其与硬件适配构成了低功耗无线网络化的传感平台，采集控制、索力分析、数据输出依托其上。
2 硬件系统设计
本索力计选择Microchip的无线微控制器Mega256rfr2作为主控兼通信芯片。最高逾20 MIPS的运算能力，配合256 KB闪存及32 KB RAM，为索力数据分析的嵌入与网络协议栈运行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及动态可调的运行频率，则使设备具备低功耗长续航基础条件；片内集成的IEEE802.15.4射频收发机拥有100 dB以上充裕的链路预算以及可降低多径衰减影响的接收分集功能，无线通信覆盖与稳定性得以加强。
振动频率采集单元采用NXP公司的3轴MEMS加速度传感器MMA8451，其通过高速I2C接口与主控通信。内部过采样可达800 Hz，确保覆盖索力监测频段的5倍以上量程；±8g的最大测量范围和250 μg最佳分辨率满足桥索不同振动强度时的监测需要；输出缓冲区的存在有效避免采集过程唤醒主控。
电源方面借助德州仪器的TPS62740转换电压令系统各部分电压保持较低水平，从而减少芯片内嵌压降单元上的能量损耗。
另外硬件系统配置SPI接口的片外Flash存储芯片AT45DB641E，使本索力计可存储一定时间内的历史数据，必要时可导出供第三方工具分析研究。
3 嵌入式索力算法设计实现
3.1 频率法理论模型
频率法测量索力首先利用传感系统采集的振动数据，再对这些原始数据进行分析和处理、提取自振频率，最后通过自振频率和索力之间存在的固有关系推算出索力。
索振动方程如下：
式中，fn是第n阶固有频率。除fn以外，其他参数均已由设计和施工材料给出，测得fn及其阶数即可推算出索力值。
3.2 索力采集分析设计
