CN100469031C - 用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点，包括无线收发与数据处理模块和电阻应变传感器信号调理模块，其中，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，它们通过共享的内部总线相连接，系统时钟提供处理器和无线通信操作的时钟信号；电阻应变传感器信号调理模块包括电阻应变传感器恒压电桥电路、电压放大/RC滤波和电压跟随输出模块。电阻应变传感器信号调理模块也可以为压电陶瓷传感器信号调理模块。本发明可以组建工程结构健康监测无线传感网络，取代传统的有线监测网络系统，重量轻、体积小、功耗低、配置快速、局部处理能力强，便于实现工程结构的大面积在线健康监测。

Description

用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点

一、技术领域

本发明涉及一种用于结构健康监测的装置，尤其涉及一种用于组建面向结构健康监测的无线传感网络的网络节点。

二、背景技术

结构健康监测是当前实际工程中的一种很重要的应用，是智能材料结构的一种很重要的应用。结构健康监测系统是一种仿生智能系统，在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。结构健康监测的技术优点突出：可以实时在线地监测及安全性评估，从则节省维护费用；依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判；可以及时的和最新技术相结合；大多数具有自修复功能；自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。近年来，随着材料和结构损伤特征信号处理技术研究的进展，传感/驱动技术研究的深入，监测系统越来越多的应用于实际的工程实践中，比如先进战斗机和超期服役飞机的健康监控、航天器及空间站的健康监测和民用结构的在线监测。例如在航空航天领域，复合材料由于轻质、高强度、高模量，可提高飞机结构的效率，降低飞机结构重量系数，在飞机上的应用越来越多。目前国际上最先进的第四代战机F22，树脂基复合材料的用量已达到飞机结构重量的24％。总体而言，层合复合材料在减轻结构重量，提高承载能力和隐身等方面性能卓著，然而它在损伤、失效等方面的表现却是机理复杂，现象多样，判别困难。传统的无损检测手段还不具备实时在线大面积监测的功能，且大多数设备复杂，成本高，费工费时，从而限制了复合材料的应用范围。因此近年来，工程结构健康监测技术一直是国内外研究的热点。

无线传感网络的概念是基于一个简单的等式：传感技术+中央处理器+无线通信＝数以千计的潜在应用可能。当需要对诸如温度、光通量、位移以及噪声等环境参数进行不间断地传感、测试和无线信号传输时，可以考虑在相关领域中配置智能化的无线传感网络，通过对环境待测参数的传感数据分析来实现检测目的。这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中。无线传感器网络不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等独特优点；而且利用无线传感器网络组成的分布式监测网络可以大大减少器件引线数量，使得无线传感器可方便的安装于监测环境比较复杂，不便于引线的部位；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性；另外无线传感网络在设计时所着重考虑的低功耗特点也可减少能源供给装置的重量并可实现对监测对象的长期在线监测。

无线传感器网络的最初研究来源于美国军方，美国国防先进研究计划局(DARPA)于2001年资助加州伯克力大学开发了名为“Smart Dust”(智能灰尘)或“Mote”的无线传感器开发系统。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛衫矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前国内无线传感器网络尚处于研究阶段，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究。针对面向结构健康监测的无线传感网络的研究，本申请人也曾开展了一些初步的探索，但是因为目前国内几乎没有自行研制的可以用于结构健康监测的无线传感网络节点，都是购买Mote产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种用于工程结构健康监测的智能化无线传感网络节点，以组建面向实际工程结构健康监测的无线传感网络。

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明采用两种方案。

第一种方案的用于工程结构健康监测的智能化无线传感网络节点可直接配接电阻应变传感器，其包括无线收发与数据处理模块和电阻应变传感器信号调理模块，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟通过共享的内部总线相连接，系统时钟提供中央处理器和无线通信操作的时钟信号；电阻应变传感器信号调理模块包括恒压电桥电路、电压放大、电阻电容滤波电路和电压跟随输出模块，电阻应变传感器将结构应力的变化通过恒压电桥电路转变为电信号，然后通过电压放大、电阻电容滤波电路放大恒压电桥电路的输出信号并滤除工频干扰，最后经过电压跟随输出模块将经过调理的信号输出到无线收发与数据处理模块中的片内模数转换器。

无线收发器包括Radio控制模块、RF收发器和硬件加速器，硬件加速器和Radio控制模块通过内部总线和中央处理器相连接，硬件加速器与RF收发器连接，Radio时钟信号和无线收发器，为无线通信操作提供时钟信号；硬件加速器高效地执行底层操作，支持针对于无线网络通信的操作，无线收发器采用集成电路的方法。

第二种方案的用于工程结构健康监测的智能化无线传感网络节点可直接配接压电传感器，其包括无线收发与数据处理模块和压电陶瓷传感器信号调理模块，其中，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟通过共享的内部总线相连接，系统时钟提供中央处理器和无线通信操作的时钟信号；压电陶瓷传感器信号调理模块包括电荷放大模块、有源滤波模块和电压跟随输出模块，压电陶瓷传感器将结构振动响应的变化通过压电效应转变为电荷量传感信号，电荷放大模块将电荷量传感信号转化为电压量并放大，然后通过有源滤波模块滤除干扰信号，最后电压跟随输出模块将经过调理的传感信号输出到无线收发与数据处理模块中的片内模数转换器。

无线收发器包括Radio控制模块、RF收发器和硬件加速器，硬件加速器和Radio控制模块通过内部总线和中央处理器相连接，硬件加速器与RF收发器连接，Radio时钟信号和无线收发器，为无线通信操作提供时钟信号；硬件加速器高效地执行底层操作，支持针对于无线网络通信的操作，无线收发器采用集成电路的方法。

上述两种方案的用于工程结构健康监测的智能化无线传感网络节点可配合高级软件协议，组建成大规模的面向结构健康监测应用的无线传感网络，应用于实际的工程结构健康监测中。

本发明中的高性能的无线收发与数据处理功能模块，以共享硬件资源为前提，能够分离一般数据通路和无线数据通路，并且能兼容多种通信协议。考虑到无线传感网络的系统寿命和系统鲁棒性，该模块设计时需要考达到低功耗和鲁棒性的要求。从低功耗的设计要求出发，因为无线通信的功耗是模块功耗的主要部分，硬件方面必须选用单芯片、低功耗的无线收发器；软件方面必须采用先进的算法和协议缩短无线收发器活动状态的持续时间，另外利用节点端局部处理的方式可以大大减少需要无线传输的数据量。从鲁棒性的设计要求出发，采用模块化系统设计的方法可以提高系统的鲁棒性，即按设计功能划分成多个独立的子模块，每个功能子模快可以独立地测试，然后将它们组合成一个完整的应用系统；子模块必须尽可能地独立，而且对外的接口要小，以避免模块间的相互干扰。

无线收发与数据处理模块的核心是一个中央处理器，用于分时处理操作请求和通信协议。采用单一的中央处理器结构完全出于处理效率的考虑，在某些需要的场合可以将所有的中央处理器资源用于单一任务的运行。该结构中唯一的中央处理器需要具有额外的硬件电路以支持精细地并行处理操作，尽可能地提高并行操作的转换效率。这里降低并行操作转换时间采用的方法是添加寄存器窗口，CPU无需每次操作转换的数据都要写进存储器，只需要简单地保存在空的寄存器组中。和处理部分对应的数据通路通过共享的内部总线和模块中其他的组件相连接，还可以和外围设备相互连接。存储器、I/O口、片内模数转换器、系统时钟和硬件加速器都是通过这样的内部总线相连的。通过利用高速、低等待时间的内部总线，数据能方便地在中央处理器、存储器和外围设备之间传送。连接在内部总线上的外围设备能够直接从存储器子系统中获取数据，也可以将数据送到UART外围设备。共享的内部总线上的所有设备都是通过共享的存储器接口进行操作；每个设备都能够控制映射在共享地址空间的结构；其各个不同操作专用的共享地址空间可以动态地满足多种应用的需求。该结构的优点还在于专用硬件加速器的采用。相对于一般数据通路的低效率操作，这些硬件加速器可以高效地执行底层操作。每一个加速器都会支持针对于无线网络通信的操作。通过提高这些操作的效率，节点整体的功耗会大大降低。然而硬件加速器仅仅是针对于通信的底层操作，不包括完整的通信协议的执行，通过简单地软件重配置该节点可以同时支持多种通信协议。硬件加速器也支持那些用于尽可能优化无线收发器功耗的操作，优点还在于最小化硬件的功能，这对于高效地支持应用需求和分离通信和处理通道很有必要。

针对结构健康监测系统中采用的传感器极其信号特点，设计的无线传感网络节点必须能够直接配接两种现有的主要的传感器：应变传感器和压电传感器，所以第二大功能模块是相应传感信号的微型调理模块，即微型应变传感器信号调理模块和微型压电传感器信号调理模块。压电传感器和电阻应变传感器是结构健康监测中常用的两种传感元件，具有一系列的优点，如：(1)具有力学量和电学量之间的转换功能，特别是压电元件具有双向转换功能，既具有传感的能力，也具有激励的能力；(2)压电元件有着很宽的可用频带和良好的线性，作为传感元件具有很高的灵敏度和宽动态范围；(3)易于与结构结合，另外压电陶瓷不仅可以采取表面粘贴的方法，还能以内部嵌入的方式与结构材料结合；(4)电阻应变传感器还具有容易粘贴、灵敏度度较高等特点。因此这两种传感器在结构健康监测研究中被广泛的使用。但由于两种元件检测到的信号一般比较微小，大约在mV级左右，所以需要后续调理电路对微弱的传感信号进行处理。然而现有的调理电路基本采用的都是十几V甚至民用电的电源供电，且体积很大，不能满足传感器网络的电池供电与低功耗要求，所以采用了上述的微型电阻应变传感器信号调理模块和微型压电陶瓷传感器信号调理模块，这两种调理电路的设计非常必要。结合前面的通信与处理模块组成的无线传感网络节点，可以直接配接应变传感器和压电陶瓷传感器，可组建面向结构健康监测的无线传感网络，利于无线传感网络技术在工程结构健康监测领域的应用和发展。

3、有益效果：基于本发明的智能无线传感网络节点组建的工程结构健康监测无线传感网络，可以完全取代传统的有线监测网络系统，具有重量轻、体积小、功耗低、配置快速、局部处理能力强等优点，可组建适合工程结构健康监测的无线传感网络，便于实现工程结构的大面积在线健康监测。该智能节点的体积略大于一元硬币；低功耗模式下可持续超过一年的工作寿命；配合高级软件协议，可将众多的该智能节点配置成大规模的无线传感网络，应用于实际的工程结构健康监测中。

四、附图说明

图1是可直接配接电阻应变传感器的智能无线传感网络节点原理框图；

图2是可直接配接压电传感器的智能无线传感网络节点的原理框图；

图3为电阻应变传感器信号调理模块结构示意图；

图4是压电陶瓷传感器信号调理模块结构示意图。

五、具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例的可直接配接电阻应变传感器的智能无线传感网络节点，包括电阻应变传感器信号调理模块和无线收发与数据处理模块，其中，如图1所示，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟通过共享的高速、低等待时间的内部总线相连接，系统时钟提供中央处理器和无线通信操作的时钟信号，中央处理器用于分时处理操作请求和通信协议，无线收发器包括Radio控制模块、RF收发器和硬件加速器，采用集成电路的形式；硬件加速器高效地执行底层操作，支持针对于无线网络通信的操作。

如图3所示，电阻应变传感器信号微型调理模块包括电阻应变传感器恒压电桥电路、电压放大、电阻电容滤波电路和电压跟随输出模块，其结构如下：它包括电阻应变传感器恒压电桥电路、运算放大器A1和运算放大器A2，电阻应变传感器恒压电桥电路的第一端和第三端之间接入电源，第二端通过电阻R2与运算放大器A1的反向输入端连接，第四端与运算放大器A1的正向输入端连接，运算放大器A1的输出端通过电阻R3与运算放大器A2的正向输入端连接，运算放大器A2的反向输入端与输出端连接，运算放大器A2的正向输入端通过电容C1接地；运算放大器A2的输出信号与中央处理器内部集成的片内模数转换器的输入端相连接。电阻应变传感器将结构应力的变化通过电桥转变为电信号，然后通过电压放大、电阻电容滤波电路放大电桥的输出信号并滤除工频干扰，最后经过输出级将调理的信号输出到中央处理器的内部集成的片内模数转换器。如图1所示，中央微控制器即中央处理器采用的是Atmel的ATmega 128，主要时钟由一个外部的8MHz的晶振提供，处理速度可以达到8百万条指令每秒(MIPS)。ATMEG A128属于Atmel公司开发的AVR系列单片机中性能最优的8位微控制器，它集成了128Kb的FLASH程序存储器、4Kb静态RAM、8通道10位片内模数转换器、三个硬件时钟、48根通用I/O接口、一个通用异步收发器(UART)、一个同步串行外设接口。一般情况下，只是在制造产品固化软件或者现场维护时需要对嵌入式微控制器进行编程。但是在无线传感网络中需要随时对微控制器进行重新编程。设计中采用协处理器对ATmega128重新编程。另外为了给每个节点提供一个唯一的网络辨识，每个节点都采用美信(Maxim)公司的单总线硅序列号芯片DS2401，这是一个低功耗的ROM设备，不需要外接电源。无线通信部分采用了TI公司的集成射频芯片CC1000，它是一个频率可调的单芯片无线收发器，功耗低且与微控制器的接口和电路简单。外部存储器采用4Mb的Atmel串行FLASH存储器AT45DB041，用于数据的存储。选用该存储器的原因是它的接口简单且封装小。主要存储采集的传感数据和从网络接口传来的临时程序镜像。电源管理模块用于调节和供给系统工作电压，电源采用两节五号(AA)电池，选用了Maxim 1678直流-直流(DC-DC)转换器，提供3.3V直流电，Maxim1678允许的最低输入电压为1.1V。在超低功耗休眠模式下关闭直流升压转换器可以降低功耗，但同时无线收发器将停止工作。I/O扩展子系统采用一个51针的板对板连接器，用于外接各种需要的传感器板和编程板。可以将连接器划分成五个部分：8个模拟接口、8个电源控制接口、3个脉冲宽度调制接口、2个模拟比较接口、4个外部中断接口、1个IIC接口、1个SPI接口、1个串行口和1个对微控制器编程的接口。扩展连接器可以用于对节点进行编程，以及和其他设备进行通信，比如作为网关节点的PC机。另外标准的UART接口可以控制或者提供数据给任何具备RS-232协议的设备。

如图3所示，本实施例的电阻应变传感器信号调理模块中，电阻应变传感器恒压电桥电路将电阻应变传感器的电阻变化转化为电压变化信号。由于从应变片电桥输出的电压值很小，所以首先要经过放大电路将从应变片电桥输出的电压值放大，放大的倍数的范围为100-1000倍，并且需要具有很好的可调性。另外，运算放大器选用的是INA128和LF412。INA 128是美国B—B公司的精密仪用放大器，具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大。根据外接电阻的变化，可以选用不同的放大倍数。具体的放大公式为G＝1+50k/Rg.G为实际需要的放大倍数，Rg为可调节的电阻。应变片电桥一般取放大倍数的范围为100-1000倍，可调电阻Rg经计算为50—500欧姆。仪用放大器的输出需要加低通滤波器，以便滤除信号路径中的高频干扰成分，滤波电路采用最简单的电阻电容组成电阻电容网络，用电容冲放电特性将高频成分滤去，截至频率为f＝53HZ。

实施例2：如图2所示，本实施例的可直接配接压电陶瓷传感器的智能无线传感网络节点，包括压电陶瓷传感器信号调理模块和无线收发与数据处理模块，其中，无线收发与数据处理模块的结构与实施例1相同；压电陶瓷传感器信号调理模块包括电荷放大、有源滤波和电压跟随输出模块，其结构如图4所示，采用四个相级联的运算放大单元，第一个运算放大单元将电荷量转为电压量，第二个运算放大单元为二阶高通有源滤波单元，第三个运算放大单元为二阶低通有源滤波单元，第四个运算放大单元为电压放大输出级，将电压量进一步放大，下面结合附图4进行说明，外界传感器采集的信号通过电阻R1输入运算放大器A1的反向输入端，运算放大器A1的反向输入端与输出端之间连有电容C1，电容C1与电阻R2并联，运算放大器A1的正向输入端通过电阻R3接地；运算放大器A1的输出端通过相串联的电容C2、C3与运算放大器A2的正向输入端连接，运算放大器A2的输出端连接有电阻R5，电阻R5的另一端接入电容C2与C3之间，运算放大器A2的正向输入端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接地，运算放大器A2的反向输入端与输出端接有电阻R6，运算放大器A2的反向输入端通过电阻R7接地，电阻R7非接地一端与电阻R6连接；运算放大器A2的输出端通过相串联的电阻R8、R9与运算放大器A3的正向输入端连接，运算放大器A3的输出端接有电容C5，电容C5的另一端接于电阻R8、R9之间，运算放大器A3的正向输入端通过电容C4接地，运算放大器A3的反向输入端通过电阻R11接地，电阻R11的非接地一端与与电阻R10连接，电阻R10的另一端与运算放大器A3的输出端连接；运算放大器A3的输出端与运算放大器A4的反向输入端连接，运算放大器A4的输出端与反向输入端之间通过电阻R14连接，运算放大器A4的正向输入端通过电阻R15接地。运算放大器A4的输出端与中央处理器内部集成的片内模数转换器的输入端相连接。

第四级运算放大单元作为电荷放大电路的输出级，可分为电压放大和电压跟随输出模块两级运放电路实现。在运算放大器A3的输出端连接有一个单刀双掷开关S1，运算放大器A4的反向输入端并联连接有电阻R12、R13，通过单刀双掷开关S1与电阻R12或R13连接可以改变电压放大倍数。

压电陶瓷传感器将结构振动响应的变化通过压电效应转变为电荷量传感信号，电荷放大子模块将电荷量转化为电压量并放大，然后通过有源滤波子模块滤除干扰信号如工频干扰和高频噪声，最后电压跟随输出模块将调理的传感信号输出到中央处理器片内集成的片内模数转换器。运算放大器型号选择opa340，opa340是满摆幅CMOS运放，最低工作电压可达2.5V，单位增益带宽达5.5MHz，该芯片完全满足高阻抗与高开环增益这两项性能指标。该信号调理模块的频带为1.6KHz—5.3MHz，能满足输入绝大多数结构相应信号监测的要求。

在对实施例1和实施例2的试验中，采用函数发生器输入测试信号的方法模拟输入的传感器信号，对无线收发与数据处理模块进行了测试。测试实验中主要进行了两方面的测试，功耗和无线传输距离的测试。首先是测试了功耗性能，采用两节五号(AA)电池供电，在四个节点上采用TinyOS的CntToLedsAndRfm应用组件(每四秒钟传送一个TOS数据包并点亮三个LED)，无线射频设定在916MHz，传送功率为0dBm，该试验的工作电流在10—15mA左右，其他例如对于Flash、CPU和编程的操作比该工作电流要高。试验测得采用容量2×1700mAh的AA电池时节点连续工作的时间为170小时。如果使得该节点始终工作在超低功耗的工作状态(小于200uA)，其工作时间将超过一年，可以满足特定应用场合对系统工作寿命的特殊要求。节点的传输距离是和功耗密切联系的，无线传输功率大的情况下功耗必定大，但同时其传输距离会增加。该项测试同样采用TinyOS的CntToLedsAndRfm应用组件，以节点不能接收到数据包(即LED不闪亮)为传输距离的判定界限。试验测得的传输距离能够满足大多数应用中对传感网络节点距离的要求(室内30米左右)，而且如果在野外空旷环境进行测试，传输距离将会更远。

Claims (3)

1、一种用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点，其特征在于，包括无线收发与数据处理模块和电阻应变传感器信号调理模块，其中，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟通过共享的内部总线相连接，系统时钟提供处理器和无线通信操作的时钟信号；电阻应变传感器信号调理模块包括恒压电桥电路、电压放大、电阻电容滤波电路和电压跟随输出模块，电阻应变传感器将结构应力的变化通过恒压电桥电路转变为电信号，然后通过电压放大、电阻电容滤波电路放大恒压电桥电路的输出信号并滤除工频干扰，最后经过电压跟随输出模块将经过调理的信号输出到无线收发与数据处理模块中的片内模数转换器。

2、一种用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点，其特征在于，包括无线收发与数据处理模块和压电陶瓷传感器信号调理模块，其中，无线收发与数据处理模块包括无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟，无线收发器、用于分时处理操作请求和通信协议的中央处理器、存储器、I/O口、片内模数转换器和系统时钟通过共享的内部总线相连接，系统时钟提供处理器和无线通信操作的时钟信号；压电陶瓷传感器信号调理模块包括电荷放大模块、有源滤波模块和电压跟随输出模块，压电陶瓷传感器将结构振动响应的变化通过压电效应转变为电荷量传感信号，电荷放大模块将电荷量传感信号转化为电压量并放大，然后通过有源滤波模块滤除干扰信号，最后电压跟随输出模块将经过调理的传感信号输出到无线收发与数据处理模块中的片内模数转换器。

3、如权利要求1或2所述的用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点，其特征在于，无线收发器包括Radio控制模块、RF收发器和硬件加速器；硬件加速器和Radio控制模块通过内部总线和中央处理器相连接，硬件加速器与RF收发器连接，Radio时钟信号和无线收发器相连，为无线通信操作提供时钟信号。

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