一種基於無線傳感網絡接口的橋梁應變採集儀的製作方法
2023-05-02 23:22:31 2
專利名稱：一種基於無線傳感網絡接口的橋梁應變採集儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種橋梁荷載檢測技術，特別涉及一種基於無線傳感網 絡接口的橋梁應變採集儀。
背景技術：
橋梁應變檢測在橋梁的科研、設計及施工、驗收等方面都起著重要的作 用。目前常用的橋梁應變檢測方法是基於有線線纜傳輸的橋梁應變檢測。
有線線纜傳輸的橋梁應變檢測中，傳輸均採用有線電纜方式完成。首先， 雖然此技術手段具有數據傳輸效率高和技術成熟的優點，但是在大跨度橋梁 結構測試中，隨著橋梁跨徑的不斷增大，從而傳感器數量和有線電纜用量隨 之劇增，導致現場布置和撤離有線電纜工作量大、測試周期長、效率低，甚 至可能導致幾千米的有線電纜布線工作量難以實施。眾多的有線電纜分布復 雜凌亂，容易接錯線位，為後期的數據處理帶來難以補救的損失等。其次， 傳統有線線纜傳輸方式中採用模擬信號傳輸，使得線纜之間容易產生串擾。 不僅如此，信號受溫度、電磁波的幹擾尤為明顯。從而造成數據不能正確反 應橋梁應變檢測信息。最後，目前現有的橋梁應變採集儀價格昂貴，從而不 適合我國國民消費水平。 發明內容
本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於無線傳感網
絡接口的橋梁應變採集儀。由於傳感器與Sink節點之間數據傳輸採用數位訊號，這就有效的提高了數據的抗幹擾性。以及本實用新型將採集、處理、無 線傳輸高度集成在一起，從而該節點的集成度大大提高。
本實用新型的技術方案是這樣實現的
具有無線傳感網絡接口的多通道橋梁應變採集儀
包括數據採集模塊、弱信號調理放大器模塊、數據處理模塊、無線傳輸
模塊、無線接收模塊、5V供電模塊與3.3V供電模塊七部分組成，該傳感器的 數據採集模塊與弱信號調理放大模塊連接，這兩部分由5V供電模塊供電。弱 信號調理放大模塊與數據處理模塊連接，數據處理模塊與無線傳輸模塊連接， 無線傳輸模塊與無線接收模塊連接，最後無線接收模塊通過SPI總線連接PC 終端。無線傳輸模塊和無線接收模塊是由3. 3V供電模塊提供電壓。
其中數據處理模塊中的單片機晶片ATmegal28L具有八通道的十位的 ADC轉換埠，據此該應變採集儀可以檢測八通道的應變信號，從而由無線 傳輸模塊的射頻晶片CC2420進行無線發送。
數據採集模塊是由一個平衡電橋組成，電橋中包含兩個1K的應變片從 Ql和Q2分別接入，兩個精密微調的電位器R1和R2,電橋的半個橋臂由一 個應變片和一個精密微調電位器串聯構成，在兩個電位器的非接地端，引出 兩根信號線作為放大模塊的差分輸入信號，當應變片因受力產生形變時，電 橋失去平衡，從而產生差分信號，此差分信號與弱信號調理放大器模塊相連 接，接入弱信號調理放大器模塊的儀表放大器AD620AN的2， 3腳。
偏置電壓實質上是一個分壓器，由一個1K的電阻和一個2K的精密微調 電位器串聯組成，並在其兩端加入+5V的電壓，然後從電阻和電位器的連接 點引出一條信號線接入儀表放大器AD620AN的5管腳，用以將負電壓變為 正電壓。引腳6輸出放大後電壓。將此電壓信號與數據處理模塊相連的單片機晶片ATMegal28L的模數轉化(ADC)埠 。電壓信號經過A/D轉換成為數字 信號，將此數位訊號與無線傳輸模塊的射頻晶片CC2420相連。
數據處理模塊和無線傳輸模塊的數據通信是基於SPI總線的，無線傳輸 模塊中的射頻晶片CC2420對應埠 SI、 SO、 CSN、 SCLK分別和數據處理 模塊中的單片機晶片ATMegal28L的MOSI、 MISO、 SS、 SCK埠相連以實 現數據通信。此無線傳輸的信號是數位訊號，CC2420傳輸頻率在 2.4G 2.4835GHz，共有16個傳輸信道，傳輸的路徑由路由仿真平臺生成的 路由信息而確定，從而實現數據的多跳無線傳輸。
數據處理模塊與無線傳輸模塊的組合實現了數據的處理與無線發送。他 們的組合與無線接收模塊結構是一樣的，其區別在於數據處理模塊是與弱 信號調理放大器模塊相連接，實現數據的AD轉換，然後由射頻晶片將數據 進行無線發送；而無線接收模塊是整個無線傳感網絡總的匯節點。是用於與 上位機連接，實現接收了來自於傳輸模塊所發送的數據。
無線接收模塊是由AVR單片機晶片ATMegal28L、存儲器AT45DB041 和射頻晶片CC2420以及外圍電路組成的，它將無線接收到的數位訊號，通 過SPI總線與PC終端進行串行通信。ATmegal28L中AVCC、 VCC埠與 3.3V供電模塊的8埠相連。將ATmegal28L的28、 30、 48和27引腳分別 與存儲器AT45DB041的1、 2、 4和8引腳相互連接，以實現單片機和輔助 存儲器之間的通信。引腳IO、 11、 12和13埠分別與CC2420的31、 32、 33和34引腳相互連接，以實現單片機與射頻晶片之間的數據通信。 ATmegal28L的引腳51、 50和49分別接入三個發光二極體，用來表示數據 發送狀態、數據接收狀態和路由接收狀態。引腳2和3與上位機的串口相連， 用以實現Sink節點與上位機之間的通信。ATmegal28L引腳18和19外接一 個32.768KHz的有源晶振，引腳23和24外接一個7.3728MHz的無源晶振， ATmegal28L的兩個晶振分別用於節點的工作狀態和休眠狀態。CC2420隻需要極少的外圍元器件，它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹
配電路和微控制器接口電路三個部分。CC2420的38， 39引腳外接1 6MH z晶體振蕩器和兩個2 2 p F負載電容。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來 匹配晶片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為5 0Q，同時為晶片內部的 P A及LNA提供直流偏置。CC2420可以通過4線S P I總線(S I、 SO、 SCLK、CSn)設置晶片的工作模式並實現讀/寫緩存數據讀/寫狀 態寄存器等。通過控制F I F O和F I F 0 P管腳接口的狀態可設置發射/ 接收緩存器。
首先數據採集模塊是通過在橋梁的最不利正彎矩截面上布置分布式等距 多個應變片與相同個數的精密可調電位器形成惠斯登電橋，從而可以測量到 實時的代表橋梁物理特性的差分信號——壓力形變信號。然後將該信號接入 弱信號調理放大器中，通過AD620AN晶片，將採集到的模擬信號進行適度放 大，系統通過數據處理核心晶片AVR單片機將接收的數據進行A/D轉換，然 後通過專門的射頻晶片CC2420將該數位訊號轉換為數據幀，並以802.15. 4 協議方式發送到Sink節點。最後無線接收模塊通過SPI總線與上位機進行通 信。上位機通過解析幀格式得到檢測數據。從而對橋梁結構的健康狀況和損 傷狀況作出實時準確的分析和判斷。 本實用新型具有以下優點
1、 本橋梁應變採集儀採用IEEE802.15.4/Zigbee協議進行數據傳輸。避 免了傳統橋梁應變檢測設備大規模布線，實現了檢測過程無需布線， 檢測周期縮短，效率提高等優點。
2、 傳感器採用數位訊號無線傳輸，避免了有線傳輸中模擬信號易產生 各線纜串擾以及易受溫度、電磁波幹擾等問題。從而有效的提高了抗幹擾能力。
3、 本橋梁應變採集儀具有體積小、方便攜帶、以及能耗低等優點。由 於數據採集、信號調理、數據處理以及數據無線傳輸模塊均採用低 功耗晶片，加之單片機具有獨特的睡眠模式，從而有效的保證了傳 感器和網絡的低功耗和高壽命的特點。
4、 傳感器之間採用不低於250kbps的傳輸速率與Sink節點進行通信，並 且傳輸採用中級多跳模式，從而提高數據傳輸的安全性，延長了傳 輸距離，適合於大跨度橋梁的檢測。
本實用新型中節點實現了無需布線、抗幹擾性強、傳輸速率高，檢測橋 梁跨徑大、測試周期縮短等技術難點，完成了一個高精度，高實時性，高性 價比的具有無線傳感網絡接口的多通道橋梁應變採集儀的開發。
圖1是本實用新型結構流程圖
圖2是電路設計圖
(a) 數據採集模塊與弱信號調理放大器連接電路圖
(b) 數據處理模塊中的單片機晶片電路圖
(c) 無線傳輸模塊與無線接收模塊中的射頻晶片電路圖
(d) 5V供電模塊電路圖
(e) 3.3V供電模塊電路圖
以下結合附圖對本實用新型的內容作進一步詳細說明。
具體實施方式
本實用新型的具有無線傳感網絡接口的多通道橋梁應變採集儀由粘貼式應變片電橋，電源供電電路、放大調理濾波電路、單片機晶片ATmegal28L、 CC2420射頻電路與計算機等組成。
參照圖1所示，數據採集模塊與弱信號調理放大模塊相連，用於採集橋梁 受壓時的形變。該數據採集模塊是由應變片和精密微調電位器組成的電橋電 路。信號調理將採集的毫伏級電壓通過放大濾波至0 3.3V範圍，然後傳送至 數據處理模塊進行A/D轉換。數據處理模塊由ATmegal28L晶片以及其供電模 塊組成。該單片機具有8通道的10位ADC埠，保證了A/D轉換精度精確高的 特點。數據處理模塊與無線傳輸模塊相連，用於將轉換後的數位訊號通過內 置PCB天線進行無線發送。該無線傳輸模塊可以向Sink節點發送數據，同時 也可以接收由Sink發送的無線路由。數據幀以基於802.15.4的協議方式通過 PCB天線發送到Sink節點。無線接收模塊與PC終端相連。Sink節點將接收到 的數據幀進行幀解析，提取出所需要的檢測數據。由於此時採集到的數據是 電壓信息，這就需要通過應變儀進行物理量標定。從而PC機可以顯示採集到 的橋梁荷載參數。
參照圖2所示，數據採集模塊是由一個平衡電橋組成，數據採集和弱信 號調理放大器模塊由5V供電模塊提供這部分電路連接工作電壓，該圖中的 VCC端連接5V供電模塊的5埠。電橋中包含兩個1K的應變片(從Ql 和Q2分別接入)，兩個精密微調的電位器(R1和R2)，電橋的半個橋臂由一 個應變片和一個精密微調電位器串聯構成，在兩個電位器的非接地端，引出 兩根信號線作為放大模塊的差分輸入信號。當應變片因受力產生形變時，電 橋失去平衡，從而產生差分信號。此差分信號與弱信號調理放大器模塊相連 接，接入弱信號調理放大器模塊的儀表放大器AD620AN的2， 3腳進行放 大調理。弱信號調理放大器模塊主要由儀表放大器晶片AD620AN組成。由引腳5提供輸出偏置電壓，引腳6輸出調理放大後的電壓。
由於單片機的ADC埠只能識別正電壓，而差分信號的放大輸出有正負， 因此在弱信號調理放大器模塊中加入偏置電壓。偏置電壓是一個分壓器，由 一個1K的電阻和一個2K的精密微調電位器串聯組成，目的使放大輸出的 信號始終為正值。AD620AN放大輸出引腳(6腳)與AVR單片機的A/D轉 換腳(59腳)相連。
參照圖2 (b)所示，晶片中AVCC、 VCC埠與3.3V供電模塊的8端
口相連。將該晶片的28、 30、 48和27引腳分別與存儲器AT45DB041的1、 2、 4和8引腳相互連接，以實現單片機和輔助存儲器之間的通信。引腳IO、 11、 12和13埠分別與CC2420的31、 32、 33和34引腳相互連接，以實 現單片機與射頻晶片之間的數據通信。引腳51、 50和49分別接入三個發光 二極體，用來表示數據發送狀態、數據接收狀態和路由接收狀態。引腳2和 3與上位機的串口相連，用以實現Sink節點與上位機之間的通信。引腳18 和19外接一個32.768KHz的有源晶振，引腳23和24外接一個7.3728MHz 的無源晶振，該系統的兩個晶振分別用於節點的工作狀態和休眠狀態。由於 在無線傳輸的過程中為了延長傳輸的距離，特採用了多跳中繼的方式，這種 方式會使某個節點的處理器匯集大量的數據，而處理器內部的存儲空間是十 分有限的，在此加入了輔助存儲器模±央~~AT45DB041，該存儲器模塊包含 2048個頁面，每個頁面有264個字節的空間，從而大大的增加了每個處理節 點的存儲容量。單片機與輔助存儲器之間的通信是基於SPI總線的，單片機 根據輔助存儲器的讀寫操作碼，在嚴格的時鐘控制下，完成對輔助存儲器的 讀寫操作。
參照圖2 (c)所示，3.3V供電模塊的8埠與CC2420晶片的DVDD—3.3V埠相連，提供晶片工作電壓。復位(21腳)、幀起始分隔符(27腳)、信道空 閒標誌位(28腳)、FIFO (29腳)、FIFOP (30腳)、片選信號(31腳)、SPI時 鍾信號(32腳)、SPI輸入(33腳)、SPI輸出(34腳)、電壓調整器使能(41 腳)與ATmegal28L相連。它採用SPI接口，當CS變低，CC2420的SPI通信 周期開始。在晶片"被選"以後，開始驅動SCLK時鐘信號。在SCLK信號上 升沿，CC2420對SI、 SO上的數據進行取樣。在SCLK信號下降沿，如果SO的 操作模式是輸出，CC2420將改變SO上的數據。當這一周期完成時，停止SCLK 的驅動並將CS信號變高。CC2420的30埠與單片機的埠17相連，FIFO(30 引腳)為高電平時表示接收緩衝區有數據，低電平時表示緩衝區為空d CC2420 的FIFOP (29引腳)為高電平時表示接收緩衝區溢出，否則沒有溢出。CCA(28 引腳)為高電平時表示數據傳送信道空閒，否則信道繁忙。SFD(27引腳)為高 電平時表示幀起始符接收完畢，開始接收數據(包含地址信息)，該埠會一 直保持高電平，直到數據接收完畢為止。在接收數據過程中，如果地址識別 出現錯誤的，SFD的電平會跳轉到低電平，從而終止數據的接收。
參照圖2 (d)所示，它主要為數據採集模塊與弱信號調理放大器模塊提 供5V的工作電壓。首先利用兩節乾電池為MAX631晶片提供l.5V 3.0V的輸入 電壓，MAX631的4埠作為電池電壓的輸入，1、 3和7埠接地，然後它的5 埠作為升壓後的輸出埠，在電池供電正常的情況，該埠的輸出電壓為 +5V。同時，MAX631的外圍電路十分簡單，在4埠和電池正極之間接上一 個330mH的儲能電感，在5埠和地之間接上一個100uF的電解電容，用以去 除噪聲。圖中所示的VCC即接的是MAX631的5埠。
參照圖2 (e)所示，該供電模塊主要是用來給數據處理模塊的單片機晶片ATMegal28L、無線傳輸模塊與無線接收模塊中的射頻晶片CC2420供電。 該供電模塊採用的是MAX1678晶片，兩節乾電池的正極輸入與它的1、 4、 7埠連接，5、 6埠跟電池的負極相連，8埠輸出升壓後的3.3￥電壓， 在1和7埠之間連入一個47uH的電感，8埠與地之間接一個10uF的電 解電容。該8埠與圖2 (b)中的AVCC、 VCC相連，提供ATMegal28L 晶片的工作電壓；該8埠與圖2 (c)中的DVDD一3.3V相連，提供射頻晶片 CC2420的工作電壓。
權利要求1、一種基於無線傳感網絡接口的橋梁應變採集儀，包括數據採集模塊、弱信號調理放大器模塊、數據處理模塊、無線傳輸模塊以及無線接收模塊五部分組成，其特徵在於，該傳感器的數據採集模塊與弱信號調理放大模塊連接，弱信號調理放大模塊與數據處理模塊連接，數據處理模塊與無線傳輸模塊連接，無線傳輸模塊與無線接收模塊連接，最後無線接收模塊連接PC終端，其中數據處理模塊中的單片機晶片ATmega128L具有八通道的十位的ADC轉換埠。
2、 根據權利要求1所述的採集儀，其特徵在於，所述的數據採集模塊 是由一個平衡電橋組成，電橋中包含兩個1K的應變片從Ql和Q2分別接入， 兩個精密微調的電位器R1和R2，電橋的半個橋臂由一個應變片和一個精密 微調電位器串聯構成，在兩個電位器的非接地端，引出兩根信號線作為放大 模塊的差分輸入信號，當應變片因受力產生形變時，電橋失去平衡，從而產 生差分信號，此差分信號與弱信號調理放大器模塊相連接，接入弱信號調理 放大器模塊的儀表放大器AD620AN的2, 3腳。
3、 根據權利要求1所述的採集儀，其特徵在於，數據處理模塊和無線 傳輸模塊的數據通信是基於SPI總線的，其對應埠SI、 SO、 CSN、 SCLK 分別和單片機的MOSI、 MISO、 SS、 SCK埠相連以實現數據通信，此無 線傳輸的信號是數位訊號，傳輸頻率在2.4G 2.4835G Hz,共有16個傳輸信 道。
專利摘要本實用新型公開了一種具有無線傳感網絡接口的多通道橋梁應變採集儀。該傳感器的數據採集模塊與弱信號調理放大器模塊連接，弱信號調理放大器模塊與數據處理模塊連接，數據處理模塊與無線傳輸模塊連接，無線傳輸模塊與無線接收模塊連接，最後無線接收模塊連接PC終端，數據處理模塊中的ATmega128L單片機具有八通道的十位的ADC轉換埠，據此該應變採集儀可以檢測八通道的應變信號，從而由無線傳輸模塊的CC2420射頻晶片進行無線發送。並由無線接收模塊接收後，通過SPI總線傳輸給PC終端。本實用新型檢驗既有橋梁的承載能力和驗證發展橋梁的結構設計，具有無需布線，檢測效率高和實時監測等特點。
文檔編號G08C17/02GK201402520SQ20092003313
公開日2010年2月10日 申請日期2009年5月14日 優先權日2009年5月14日
發明者昕 史, 楠 張, 張立成, 徐志剛, 瀾 楊, 王海彬, 趙祥模, 滿 鄔, 韓永軍 申請人:長安大學