CN101520381A

CN101520381A - 基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统

Info

Publication number: CN101520381A
Application number: CN200910096984A
Authority: CN
Inventors: 罗尧治; 沈雁彬
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-09-02

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，它主要由计算机工作站、基站和若干个检测单元组成；计算机工作站采用串口或USB口与基站的单片机相连，进行数据交互，基站与检测单元通过无线收发模块进行数据的无线信号传输。本发明利用太阳能供电模式与无线通讯协议，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作；根据钢结构建筑响应特性，实现各类物理参数的检测；根据钢材材质特性，实现表面快速无损安装与拆卸；根据钢结构建筑跨度大、分布面广的特性，实现传感器检测测点的传输接力、灵活组网。

Description

基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统

技术领域

本发明涉及钢结构建筑检测技术领域，尤其涉及一种适用于钢结构施工阶段与使用阶段的全天候安全检测诊断的基于太阳能供电与传感器技术的钢结构建筑无线检测系统。

背景技术

钢结构建筑普遍在大型公共和工业建筑中使用，例如超高层建筑、大型体育场馆，机场，展览馆，大型工业厂房、大型桥梁等等。这一类公众建筑的安全性能要求极高，因此，无论在其施工安装阶段还是投入使用阶段，掌握这一类结构的振动、挠度、内力等参数的变化特性，适时诊断其安全性，对社会安全生产和生活有着重大意义。

从结构力学的观点，钢结构建筑在施工阶段或者病态工作阶段，其整体或

者构件的振动、挠度、内力等各类参数相对于设计标准值而言会发生异常变化。显然，检测这些参数的变化，可以判断钢结构建筑的正常工作情况。但是，按目前现有的检测手段，要及时更要时时掌握钢结构建筑的工作状况，存在很大的局限性，更有大部分情况是不可实现的。

现有的检测钢结构是否处于安全工作状况的相关技术主要情况如下：

(1) 有线测量系统。传统的土木结构测试系统，如光纤光栅测试系统、振弦式测试系统，都是较热门的测试系统，经过几十年的发展，技术上已经相当成熟。但是，复杂的线路布置使其缺陷非常明显。此类传统意义上的检测系统需要用到大量的线路来传输数据以及提供电能，因此需要在线路安装上耗费大量的时间和费用。对于大型钢结构这类特殊建筑来讲，由于跨度大、分布面广，建立一套有效的检测系统，在安装线路上所耗费的时间和费用相当大，随着测点的增加，其费用更是成倍增长。另外安装复杂的线路在安全性方面不容易得到保障，线路的断线、故障等都会影响系统的稳定，而在结构施工阶段、或者有些特殊环境下，在结构上安装线路甚至不可能实现。

(2) 无线测量系统。现有的无线测量系统在技术与功能上还有很大的局限性。有些无线测量系统在局部区域内仍然采用有线连接，只在中间设置数据采集基站，再将采集到的数据以无线信号的形式发送出来，不能称为严格意义上的无线测量系统。另外，有些无线传感系统在数据采集、处理及传输上均做到了无线通讯，但在耗能、供能模式上都存在较大的缺陷。有些采用电池供电，必然涉及到一个电池更换及使用寿命的问题，不能适用于真正的长期监测；有

些为了达到长期监测的需求，釆用日常电源，则势必要引入线路进行供电，又不能实现真正意义上的无线设计。

(3) 太阳能供电模块。目前，太阳能作为全球主要能源之一，在各行各业中都被普遍采用，也有少量应用于传感技术领域。在土木建筑检测行业中，尚无将太阳能供电模式引入无线检测系统，从而真正意义上实现完全零线路的无线检测系统设计，同时满足自己供能的长期监测要求。

(4) 钢结构建筑检测系统。目前的土木建筑检测行业中没有专门针对钢结构建筑的专业检测系统。而钢结构建筑存在许多特殊性，比如钢材材质比较特殊、结构响应参数比较特殊、检测测点无法埋入式安装、建筑物相对跨度大分布面广等特性，决定了传统的土木建筑检测系统在使用上会碰到很大的局限性。因此，迫切需要开发专业的适用于钢结构建筑的检测系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，它主要由计算机工作站、基站和若干个检测单元组成；基站包括单片机和与其相连的无线收发模块；检测单元主要由封装在防水磁铁安装盒内的太阳能供能模块、无线收发模块、中央处理模块和传感模块组成；太阳能供能模块分别与无线收发模块、中央处理模块和传感模块相连，无线收发模块和传感模块均与中央处理模块相连；计算机工作站采用串口或USB 口与基站的单片机相连，进行数据交互。基站与检测单元通过无线收发模块进行数据的无线信号传输。

进一步地，所述太阳能供能模块主要由太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路、稳压模块和能量信息模块组成；其中，太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连，能量信息模块与蓄电池相连。进一步地，所述中央处理模块主要由串口总线、中央处理芯片、储存单元、异步时钟和数值分析模块组成；其中，串口总线、储存单元、异步时钟和数值分析模块分别与中央处理芯片相连。

进一步地，所述传感模块主要由传感元件、电压放大器、滤波去噪器、模数转换器依次相连组成。

本发明的有益效果是，

1、利用太阳能供电模式与无线通讯协议，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作；

2、根据钢结构建筑响应特性，实现各类物理参数的检测；

3、根据钢材材质特性，实现表面快速无损安装与拆卸；

4、根据钢结构建筑跨度大、分布面广的特性，实现传感器检测测点的传输接力、灵活组网。

附图说明

图l是本发明的整体结构框图；图2是太阳能供能模块结构框图；图3是中央处理模块结构框图；图4是传感模块结构框图；图5是本发明实施方案示意图。

具体实施方式

钢结构是一种特殊的土木建筑结构，在施工阶段或者病态工作阶段，构件内力、振动、温度等参数都会发生异常变化。反之，通过检测钢结构的这些参数，可以判断钢结构是否处于正常工作状态，是否存在安全隐患。本发明系统根据模块化设计思路分为供能模块、中央处理模块、传感模块及无线收发模块。供能模块通过太阳能板的光伏效应实现电能的收集、电量的存储、智能开关与稳压输出功能，从而保证整个系统运行的电能需求。本发明采用单晶硅与非晶硅两种采集方式，强光照射下，采用单晶硅太阳能板，弱光下则采用非晶硅太

阳能板，保证太阳能供电系统至少达到：晴天：9V， 200mA，阴天或室内9V， 40mA 的充电效率；中央处理模块采用A加ega芯片系列，对系统各个模块进行管理，并实现简单的数据处理、存储、系统休眠等功能；传感模块由中央处理模块控

5制，通过采用不同的传感元件实现对钢结构振动、应力、位移、温度等各种参数的检测，将检测到的模拟电压信号进行模数转换，转变为数字信号输出至中

央处理模块；无线收发模块采用zigbee通讯协议，由中央处理模块控制，将无线信号进行调制解调，并采用灵活的组网，实现对检测数据、检测命令的无线通讯传输。将以上四大模块集成安装于保护盒中，釆用防水接头与密封设计，实现设备在晴雨天气下的全天候工作，同时利用钢结构的材质特性，设计磁铁安装底盘，实现传感装置的无损快速拆卸。

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。如图1所示，本发明基于太阳能供电与传感器技术的钢结构建筑无线检测系统主要由计算机工作站、基站和若干个检测单元组成。基站包括单片机和与其相连的无线收发模块。检测单元主要由封装在防水磁铁安装盒内的太阳能供能模块、无线收发模块、中央处理模块和传感模块组成；太阳能供能模块分别与无线收发模块、中央处理模块和传感模块相连，无线收发模块和传感模块均与中央处理模块相连。计算机工作站采用串口或USB 口与基站的单片机相连，进行数据交互。基站与检测单元通过无线收发模块进行数据的无线信号传输。

检测单元中，传感模块与钢结构建筑检测对象相连，中央处理模块通过传感模块获取检测数据并通过无线收发模块进行信号传输与组网，太阳能供能模块则对无线收发模块、中央处理模块、传感模块进行供电。单个基本检测单元可根据测点数量、布置方案在钢结构建筑检测对象上进行灵活布置，各个基本检测单元之间可进行数据交互或传输接力，以实现灵活组网，并最终将数据传输至基站。

如图2所示，太阳能供能模块主要由太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路、稳压模块和能量信息模块组成，其中，太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连，能量信息模块与蓄电池相连。太阳能电池板可同时采用适合晴天强光的单晶硅太阳能板和适合阴大或室内弱光的非晶硅太阳能板。太阳能电池板将光能转变为电能，通过充电保护控制器，对蓄电池进行充电，并可根据蓄电池的充电程度进行判断，以避免过充，损伤电池；蓄电池经由智能开关电路和稳压模块输出电能，智能开关电路根据蓄电池的电量进行智能判断，实现低电压切断，高电压输出的功能，而稳压模块起到电压稳压输出的功能，以实现最终对无线信号发射模块、中央数据处理模块与传感模块进行供能，能量信息模块将电池电量信息输出，由传感模块的模数转换器将其转换为数字信号进行处理。

如图3所示，中央处理模块主要由串口总线、中央处理芯片、储存单元、异步时钟和数值分析模块组成，其中，串口总线、储存单元、异步时钟和数值

分析模块分别与中央处理芯片相连。中央处理芯片可以采用Atmega芯片系列，通过串口总线控制无线收发模块实现无线信号的收发与节点组网，通过串口总线控制传感模块实现数据采集，控制储存单元进行数据的存储，控制数值分析模块实现简单的数值分析与处理、通过异步时钟可实现整个系统的休眠，以降低功耗，延长系统工作时间。

如图4所示，传感模块主要由传感元件、电压放大器、滤波去噪器、模数转换器依次相连组成；传感元件可根据不同测量参数要求选用电阻应变片、加速度传感芯片、位移传感元件、温度传感元件等，传感元件与钢结构建筑测量对象直接相连，以模拟电压信号的方式获得检测信息，通过电压放大器，实现信号放大，再经滤波去噪器进行数值滤波与去噪，最后经模数转换器将电压模拟信号转换为数字信号，通过串口总线传输给中央处理模块，实现测试数据的采集工作。

防水磁铁包装盒将无线信号发射模块、太阳能供能模块、中央处理模块和传感模块封装为一个基本检测单元。盒子采用防水设计，外露防水接口，太阳能板与天线置于盒子外侧，盒子安装底盘采用磁铁设计，利用钢结构材质特性，实现在钢结构建筑检测对象上的快速无损安装。

本发明作为一种全天候工作、零线路连接的钢结构快速无损检测系统，与现有的测试系统相比，安装更方便、工作时间更长、钢结构建筑针对性更强。

本发明的实施方案如图5所示。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1、一种基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，其特征在于，它主要由计算机工作站、基站和若干个检测单元组成。其中，所述基站包括单片机和与其相连的无线收发模块。检测单元主要由封装在防水磁铁安装盒内的太阳能供能模块、无线收发模块、中央处理模块和传感模块组成；太阳能供能模块分别与无线收发模块、中央处理模块和传感模块相连，无线收发模块和传感模块均与中央处理模块相连。计算机工作站采用串口或USB口与基站的单片机相连，进行数据交互。基站与检测单元通过无线收发模块进行数据的无线信号传输。

2、根据权利要求1所述基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，其特征在于，所述太阳能供能模块主要由太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路、稳压模块和能量信息模块组成。其中，太阳能电池板、充电保护控制器、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连，能量信息模块与蓄电池相连。

3、根据权利要求1所述基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，其特征在于，所述中央处理模块主要由串口总线、中央处理芯片、储存单元、异步时钟和数值分析模块组成。其中，所述串口总线、储存单元、异步时钟和数值分析模块分别与中央处理芯片相连。

4、根据权利要求1所述基于太阳能供电与传感器的钢结构建筑无线检测系统，其特征在于，所述传感模块主要由传感元件、电压放大器、滤波去噪器、模数转换器依次相连组成。