採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置的製作方法

2023-08-06 20:12:06 1

專利名稱：採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及土木工程建築應力應變檢測技術領域，尤其涉及一種採用無線傳 感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置。
技術背景土木工程建築如橋梁、大壩、高層建築、大型體育場館、機場、展覽館、大型工業廠 房等等，都屬於國家重大基礎設施，其安全性能關係國計民生。因此，無論在其施工安裝階 段或服役階段，及時掌握結構的受力特性，可以實時診斷其安全性，對社會安全生產和生活
有著重大意義。現有的土木工程安全檢測相關技術主要情況如下(1)有線應變測試系統。傳統的土木工程測試系統主要為有線測試系統，如電阻式 應變測試系統、光纖光柵應變測試系統、振弦應變測試系統等等，相對來說技術成熟，並應 用廣泛。但是大量連接線路的存在，使得安裝工作費時又費力。同時，大量的連接線路給系 統的正常工作和維護帶來了額外的負擔，還影響建築美觀。而在施工過程的監測中，有線連 接線路更容易被破壞，從而導致設備的整體癱瘓，檢測工作的失敗。(2)無線應變測試系統。現有的無線應變測試技術正在飛速的發展中，目前主要存 在的還是無線電阻應變測試系統，但電阻式應變測試技術的最大問題是性能的不穩定，長 期監測尤其是室外工作環境都容易造成測試數據的漂移。現有的無線振弦式應變採集系統，採用基本的點對點的無線形式，所有傳感器仍 由導線連接到唯一的採集設備，並由該採集設備通過無線信號，將數據傳給接收基站，傳輸 方式簡單，不存在任何組網，靈活性差，並且這類產品一般能耗較大，需要市電供能，所以無 線這類產品對導線依賴還是很大，與傳統有線振弦式應變設備改進不明顯。目前市場上還 沒有一種融合先進的無線通訊技術與穩定的傳感技術的新型應變測試系統。(3)無線傳感器網絡技術。無線傳感器網絡技術被列為21世紀最有影響的21項 技術和改變世界的10大技術之一，其特點是採用大量傳感器節點，協作地感知、採集、處理 在監測範圍內的感知對象的信息，並發送給觀察者。其特點與土木工程安全檢測的要求完 全一致，是一種比單純點對點傳輸更先進、更優越的無線方式。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種採用無線傳感器網絡技術的 低功耗振弦式應變採集系統。採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置包括計算機、無線控制基 站和無線應變傳感器網絡，無線應變傳感器網絡是由若干個無線低功耗振弦式應變採集單 元組成的網絡；無線控制基站包括接口模塊、處理模塊和無線模塊，接口模塊與處理模塊和 無線模塊依次相連；接口模塊與計算機相連；無線低功耗振弦式應變採集單元包括無線模 塊、採集模塊、處理模塊、電源模塊和振弦式傳感器；電源模塊與採集模塊、處理模塊、無線模塊依次相連，採集模塊與振弦式傳感器相連；電源模塊給其他模塊供電；處理模塊採用 超低能耗微處理器，控制採集模塊、無線模塊；無線模塊通過無線傳感器網絡通訊協議，建 立多級跳轉到無線網絡連接；採集模塊採集控制多路振弦式傳感器，振弦式傳感器直接與 待測結構相連，獲取其應變信息。所述的接口模塊包括UART總線、RS232轉換電路、USB轉換電路、對外接口及穩壓 電路；UART總線與RS232轉換電路、USB轉換電路、對外接口、穩壓電路依次相連，其中對外 接口直接從計算機USB接口獲取電源，通過穩壓電路將穩定後的電壓輸出給處理模塊和無 線模塊；同時，計算機又通過接口模塊的USB或RS232轉換電路將數據進行轉換，然後通過 UART總線傳輸給處理模塊。所述的處理模塊包括單片機、系統時鐘、休眠時鐘、UART總線、SPI總線、存儲器和 外部SD卡接口 ；單片機分別與系統時鐘、休眠時鐘、UART總線、SPI總線、存儲器和外部SD 卡接口相連；系統時鐘在單片機工作時提供主頻，休眠時鐘則在單片機空閒休眠時提供間 歇喚醒時鐘，單片機通過UART總線和SPI總線，分別與接口模塊、無線模塊、採集模塊進行 命令數據交換，單片機將臨時結果保存到存儲器，同時將大量結果通過SD卡接口保存到外 部SD存儲卡。所述的採集模塊包括單片機、SPI總線接口、數字接口、激勵電路、通道切換電路、 一級放大電路、二級放大電路、濾波電路、整形電路；單片機與激勵電路、通道切換電路、一 級放大電路、二級放大電路、濾波電路、整形電路相連，同時單片機又分別與SPI總線接口、 數字接口相連；單片機通過激勵電路和通道切換電路將激勵信號發送到振弦式傳感器，並 拾取振弦式傳感器響應，對響應信號兩次放大、整形低通濾波；單片機通過SPI總線與處理 模塊交流，通過數字接口直接讀取振弦式傳感器的溫度晶片。本實用新型採用振弦式應變測試原理，該技術成熟，結果穩定可靠，應用廣泛；同 時，本實用新型採用無線網絡傳輸數據，採用更加靈活的星狀、樹狀拓撲結構；每一個測試 單元同時又是一個無線單元，所有測試單元協作地感知、採集、處理、輸出在監測範圍內的 應變信息，並發送給觀察者；本實用新型採用低能耗設計，系統整體能耗極低，可採用普通 AA電池或鋰電池等供電，擺脫對電源的依賴；而且本實用新型在空閒時採用休眠模式，進 一步降低整體能耗，同時又能間隙性自動喚醒，保持對監測對象的監聽；並且使用防水密封 包裝，在功能上做到零線路布置、測試性能穩定；所以，本實用新型是一種融合先進的無線 通訊技術與穩定的傳感技術的新型應變測試系統。本實用新型將測試性能穩定的振弦傳感技術與先進的傳感器網絡技術相結合，並 且整體考慮低能耗設計，其測試可靠性、安裝靈活性、環境適應性已得到實驗驗證，並已試 用於多個國內土木工程的應力檢測、監測項目中。與傳統有線測試系統或者其它類無線應 變測試系統相比，更加技術先進、優勢明顯。

圖1是採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置結構示意圖；圖2是本實用新型的接口模塊示意圖；圖3是本實用新型的處理模塊示意圖；圖4是本實用新型的採集模塊示意圖。
具體實施方式
如 圖1所示，採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置包括計算機 1、無線控制基站2和無線應變傳感器網絡10，無線應變傳感器網絡10是由若干個無線低功 耗振弦式應變採集單元9組成的網絡；無線控制基站2包括接口模塊5、處理模塊4和無線 模塊3，接口模塊5與處理模塊4和無線模塊3依次相連；接口模塊5與計算機1相連；無 線低功耗振弦式應變採集單元9包括無線模塊3、採集模塊7、處理模塊4、電源模塊6和振 弦式傳感器8 ；電源模塊6與採集模塊7、處理模塊4、無線模塊3依次相連，採集模塊7與振 弦式傳感器8相連；電源模塊6給其他模塊供電；處理模塊4採用超低能耗微處理器，控制 採集模塊7、無線模塊3 ；無線模塊3通過無線傳感器網絡通訊協議，建立多級跳轉到無線網 絡連接；採集模塊7採集控制多路振弦式傳感器8，振弦式傳感器8直接與待測結構相連， 獲取其應變信息。所述的處理模塊4內的無線路由協議程序通過總線控制無線模塊3，組成星狀、樹 狀的無線通訊組網，通過該無線通信網絡進行數據交換與接力跳轉，將數據傳輸到無線振 弦式應變採集單元；處理模塊同時還控制採集模塊7對振弦式應變傳感器8進行數據採 集；電源模塊6與電池等供電源相連，穩壓輸出後，同時對無線模塊3、處理模塊4、採集模塊 7供電，此外這些模塊由防水外殼包裝，形成一個完整的無線振弦式應變採集單元；如圖2所示，接口模塊(5)包括UART總線5.1、RS232轉換電路5. 2、USB轉換電 路5. 3、對外接口 5. 4及穩壓電路5. 5 ；UART總線5. 1與RS232轉換電路5. 2,USB轉換電路 5. 3、對外接口 5. 4、穩壓電路5. 5依次相連，其中對外接口 5. 4直接從計算機USB接口獲取 電源，通過穩壓電路5. 5將穩定後的電壓輸出給處理模塊4和無線模塊3 ；同時，計算機1又 通過接口模塊5的USB或RS232轉換電路5. 2將數據進行轉換，然後通過UART總線5. 1傳 輸給處理模塊4。如圖3所示，處理模塊4包括單片機4. 1、系統時鐘4. 3、休眠時鐘4. 2、UART總線 4.7、SPI總線4. 4、存儲器4. 5和外部SD卡接口 4.6 ；單片機4. 1分別與系統時鐘4. 3、休 眠時鐘4. 2,UART總線4. 7,SPI總線4. 4、存儲器4. 5和外部SD卡接口 4. 6相連；系統時鐘 4. 3在單片機4. 1工作時提供主頻，休眠時鐘4. 2則在單片機4. 1空閒休眠時提供間歇喚醒 時鐘，單片機4. 1通過UART總線4. 7和SPI總線4. 4，分別與接口模塊5、無線模塊3、採集 模塊7進行命令數據交換，單片機4. 1將臨時結果保存到存儲器4. 5，同時將大量結果通過 SD卡接口 4. 6保存到外部SD存儲卡。所述的單片機4. 1採用高性能AVR單片機，其內部存儲的無線通信協議軟體與無 線模塊3軟硬體結合，實現多種、靈活的組網方式；在單片機4. 1全速工作時，由高頻系統時 鍾4.3提供工作時鐘，保證分析處理能力，而在單片機4. 1空閒時進入休眠模式，關閉高頻 系統時鐘4. 3，由頻率較低的休眠時鐘4. 2提供頻率，使單片機4. 1間隙性喚，保持監聽狀 態同時又降低能耗；同時，存儲器4. 5保存臨時的結果，長期保存採集、分析的數據，則通過 SD卡接口保存在廉價的大容量SD卡存儲卡，即實現數據備份，又減少不必要的無線傳輸， 節約系統能量。如圖4所示，採集模塊7包括單片機7. 1、SPI總線接口 7.9、數字接口 7. 2、激勵電 路7. 3、通道切換電路7. 4、一級放大電路7. 5、二級放大電路7. 6、濾波電路7. 7、整形電路7. 8 ；單片機7. 1與激勵電路7. 3、通道切換電路7. 4、一級放大電路7. 5、二級放大電路7. 6、 濾波電路7. 7、整形電路7. 8相連，同時單片機7. 1又分別與SPI總線接口 7. 9、數字接口 7. 2相連；單片機7. 1通過激勵電路7. 3和通道切換電路7. 4將激勵信號發送到振弦式傳 感器，並拾取振弦式傳感器響應，對響應信號兩次放大、整形低通濾波；單片機7. 1通過SPI 總線7. 9與處理模塊4交流，通過數字接口 7. 2直接讀取振弦式傳感器的溫度晶片。所述的採集模塊單片機7. 1採用低能耗C8051F單片機，採集模塊7也採用休眠模 式，在休眠時能耗幾乎可以忽略；單片機7. 1輸出PWM信號通過激振電路7. 3轉換為激勵 信號，由通道切換電路7. 4選擇將激勵傳輸給連接到採集模塊7的其中一個待測振弦式傳 感器8 ；振弦式傳感器8在激勵信號作用發生振蕩並產生微弱響應，響應信號通過通道切換 電路7. 4傳回，一、二級放大電路將響應信號兩次高倍放大，將微弱響應信號放大到一個合 適值後傳輸給濾波電路7. 7，濾波電路經過濾波，去除雜波和幹擾後，得到 器的頻率參數；同時，單片機7. 1通過數字 接口 7. 2直接讀取振弦式傳感器內部溫度晶片的補償溫度，對測試結果進行修正。本實用新型在施工階段或者服役階段，一旦結構發生損傷，內力就會發生異常變 化，反應到構件本身，其應力應變值與理論設計值將產生偏差，或者直接超出結構材料屈服 強度設計值。反之，通過一種有效、性能穩定的測試設備去檢測土木結構的應變參數，可以 判度其是否出於正常工作狀態，是否存在安全隱患。本實用新型裝置採用模塊化設計理念， 包括無線模塊、採集模塊、處理模塊以及電源模塊。無線模塊使用國家開放頻段，並採用無 線傳感器網絡技術，通過無線通信協議實現自組網，採用星、樹、簇狀多種網絡拓撲形式，網 絡方式豐富，組網靈活，數據命令傳輸多級跳轉，網絡可靠性高；無線模塊與處理模塊通過 總線連接，將來自網絡的信息及時準確的傳遞給處理模塊，保證整個系統的可靠、高效。採 集模塊的傳感元件採用性能穩定的振弦式應變傳感技術，以保證系統長期測試的穩定性， 雖然採集模塊由處理模塊管理，但為提高效率採用獨立控制晶片，實現對多路外接振弦式 應變傳感器的通道間切換，適應建築結構一點複雜應力狀態的特點，通過PWM模式方波激 振，並對傳感器的反饋信號分別進行兩次放大、濾波，最終識別傳感器頻率等參數，並計算 準確應變值；同時，通過數字接口方式與處理模塊通訊。處理模塊採用高性能AVR晶片，管 理各功能模塊的協調關係，實現對整個系統的控制，數據的處理、分析、存儲及傳輸功能；處 理模塊與無線模塊相配合，實現無線傳感器網絡組網功能；並同時處理模塊採用智能的能 量控制機制，使系統空閒時休眠節能，控制各模塊的開關及系統休眠喚醒，保證整個系統的 低功耗要求又保持系統的及時反應。電源模塊負責給以上三個主要功能模塊提供穩定的電 源，根據外部供電方式的特別，變壓穩壓輸出，在外部供能過低時，及時切換供能，保證儀器 性能，在外部供能恢復時及時開啟。本實用新型系統採用高度密封的安裝保護外殼設計，所 有外部接口均考慮防水，整體達到IP65防護等級防水設計，可適應室外工地現場環境；安 裝固定方式靈活，包括高強磁鐵與螺栓固定，適應不同土木構件材質的快速拆裝。
權利要求一種採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置，其特徵在於包括計算機(1)、無線控制基站(2)和無線應變傳感器網絡(10)，無線應變傳感器網絡(10)是由若干個無線低功耗振弦式應變採集單元(9)組成的網絡；無線控制基站(2)包括接口模塊(5)、處理模塊(4)和無線模塊(3)，接口模塊(5)與處理模塊(4)和無線模塊(3)依次相連；接口模塊(5)與計算機(1)相連；無線低功耗振弦式應變採集單元(9)包括無線模塊(3)、採集模塊(7)、處理模塊(4)、電源模塊(6)和振弦式傳感器(8)；電源模塊(6)與採集模塊(7)、處理模塊(4)、無線模塊(3)依次相連，採集模塊(7)與振弦式傳感器(8)相連；電源模塊(6)給其他模塊供電；處理模塊(4)採用超低能耗微處理器，控制採集模塊(7)和無線模塊(3)；無線模塊(3)通過無線傳感器網絡通訊協議，建立多級跳轉到無線網絡連接；採集模塊(7)採集控制多路振弦式傳感器(8)，振弦式傳感器(8)直接與待測結構相連，獲取其應變信息。
2.根據權利要求1所述的一種採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝 置，其特徵在於所述的接口模塊(5)包括UART總線(5. 1)、RS232轉換電路(5. 2)、USB轉換 電路(5. 3)、對外接口 (5. 4)及穩壓電路(5. 5) ；UART總線(5. 1)與RS232轉換電路(5. 2)、 USB轉換電路(5. 3)、對外接口(5. 4)、穩壓電路(5.5)依次相連，其中對外接口(5.4)直接 從計算機USB接口獲取電源，通過穩壓電路(5. 5)將穩定後的電壓輸出給處理模塊(4)和 無線模塊(3)；同時，計算機(1)又通過接口模塊(5)的USB或RS232轉換電路(5.2)將數 據進行轉換，然後通過UART總線(5. 1)傳輸給處理模塊(4)。
3.根據權利要求1所述的一種採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝 置，其特徵在於所述的處理模塊(4)包括單片機(4. 1)、系統時鐘(4. 3)、休眠時鐘(4. 2)、 UART總線(4. 7)、SPI總線(4. 4)、存儲器(4. 5)和外部SD卡接口 (4. 6)；單片機(4. 1)分 別與系統時鐘(4. 3)、休眠時鐘(4. 2) ,UART總線(4. 7)、SPI總線(4. 4)、存儲器(4. 5)和外 部SD卡接口 (4. 6)相連；系統時鐘(4. 3)在單片機(4. 1)工作時提供主頻，休眠時鐘(4. 2) 則在單片機(4. 1)空閒休眠時提供間歇喚醒時鐘，單片機(4. 1)通過UART總線(4. 7)和 SPI總線(4. 4)，分別與接口模塊(5)、無線模塊(3)、採集模塊(7)進行命令數據交換，單片 機(4. 1)將臨時結果保存到存儲器(4. 5)，同時將大量結果通過SD卡接口(4. 6)保存到外 部SD存儲卡。
4.根據權利要求1所述的一種採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集 裝置，其特徵在於所述的採集模塊(7)包括單片機(7. 1)、SPI總線接口(7. 9)、數字接口 (7. 2)、激勵電路(7. 3)、通道切換電路(7. 4)、一級放大電路(7. 5)、二級放大電路(7. 6)、濾 波電路(7. 7)、整形電路(7.8)；單片機(7. 1)與激勵電路(7. 3)、通道切換電路(7. 4)、一 級放大電路(7. 5)、二級放大電路(7. 6)、濾波電路(7. 7)、整形電路(7. 8)相連，同時單片 機(7. 1)又分別與SPI總線接口 (7. 9)、數字接口 (7. 2)相連；單片機(7. 1)通過激勵電路 (7. 3)和通道切換電路(7. 4)將激勵信號發送到振弦式傳感器，並拾取振弦式傳感器響應， 對響應信號兩次放大、整形低通濾波；單片機(7. 1)通過SPI總線(7. 9)與處理模塊⑷交 流，通過數字接口(7.2)直接讀取振弦式傳感器的溫度晶片。
專利摘要本實用新型公開了一種採用無線傳感器網絡技術的低功耗振弦式應變採集裝置。它包括計算機、無線控制基站和無線應變傳感器網絡，無線應變傳感器網絡是由若干個無線低功耗振弦式應變採集單元組成的網絡；無線控制基站包括接口模塊、處理模塊和無線模塊，接口模塊與處理模塊和無線模塊依次相連；接口模塊與計算機相連；無線低功耗振弦式應變採集單元包括無線模塊、採集模塊、處理模塊、電源模塊和振弦式傳感器；電源模塊與採集模塊、處理模塊、無線模塊依次相連，採集模塊與振弦式傳感器相連。本實用新型採用模塊化設計，體積小，能耗低，安裝布點方便。可適應室外工地現場環境；安裝固定方式靈活，可由高強磁鐵或螺栓固定，適應不同土木構件材質的快速拆裝。
文檔編號H04W84/18GK201707028SQ20102013251
公開日2011年1月12日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者梁宸宇, 王小波, 童若飛, 羅堯治 申請人:浙江大學