CN101526412A

CN101526412A - 太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统

Info

Publication number: CN101526412A
Application number: CN 200910096986
Authority: CN
Inventors: 罗尧治; 沈雁彬; 孙斌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明公开了一种太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，它主要由数据采集控制基站和若干个检测单元组成；其中，数据采集控制基站主要由无线网络信号收发基站和计算机工作站连接组成，检测单元主要由风速风压传感模块、太阳能供电模块、中央处理模块和无线收发模块组成；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；可根据大跨度空间结构建筑响应特性，实现各处关键点的风速风压检测；可根据空间结构材质特性，实现表面快速无损安装与拆卸；根据空间结构建筑跨度大、分布面广的特性，实现风速风压传感器检测测点的传输接力、灵活组网。

Description

太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统

技术领域

本发明涉及大跨度空间结构建筑检测技术领域，尤其涉及一种适用于大跨度空间结构施工阶段与使用阶段的全天候风速风压检测的基于太阳能供电的大跨度空间结构建筑风速风压无线检测系统。

背景技术

大跨度空间结构建筑普遍运用在各地的大型公共场所及体育场馆中，往往是一个地区的地标性建筑，通常为人员聚集、大型活动的场所，故这一类建筑的安全性能要求极高。大跨度空间结构建筑多为三维空间曲面，具有质量轻、柔度大、阻尼小、模态密集等特点，因而风荷载往往成为控制屋面结构设计的主要荷载。因此，无论是在施工阶段还是在运行阶段，能够实时掌握结构周围的风速和结构表面的风压，并即时对结构安全性进行评估，对保障人民生命财产安全有着重要的意义。

现有的风速风压实测系统的相关技术主要情况如下：

(1)有线测量系统。传统的有线风速风压测试系统经过几十年的发展，应用已经开始普及。但是，复杂的线路布置使其缺陷非常明显。鉴于大型空间结构建筑外形复杂，进行风速风压测试需要布置大量测点，而大量测点带来的大量长距离布线使得测试难度大大提高。由于大跨度空间结构建筑跨度大、分布面广，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，其费用及人力成本更是成倍增长；且安装复杂的线路在安全性方面不容易得到保障，断路短路等故障等都会影响系统的稳定。必须指出的是，在一些特殊环境下，在结构上布置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，尤其在风速风压实测上未见使用。

(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，尚未有将太阳能供电模式引入无线检测系统的报道。使用太阳能供电可以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)大跨度空间结构建筑风速风压检测系统。由于现场实测的困难性，目前全世界范围内开展的风速风压实测试验仍然较少，而测试的结构对象一般均为小型的低矮建筑或缩尺比例较大的结构模型，在大跨度空间结构建筑上进行风速风压实测的试验极为少见。而由于空间结构为风敏感结构，故迫切需要开发一套适用于空间结构建筑的风速风压检测系统。

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的大跨度空间结构建筑风速风压无线检测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，它主要由数据采集控制基站和若干个检测单元组成；其中，所述数据采集控制基站主要由无线网络信号收发基站和计算机工作站连接组成，控制整个系统的数据采集及信号收发；检测单元主要由风速风压传感模块、太阳能供电模块、中央处理模块和无线收发模块组成；风速风压传感模块、中央处理模块、无线收发模块分别与太阳能供电模块相连，风速风压传感模块和无线收发模块均与中央处理模块相连。

进一步地，所述风速风压传感模块主要由压阻式压力传感器、电压放大器、滤波去噪器和模数转换器依次相连组成。所述太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制保护装置、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连组成。所述中央处理模块主要由存储单元、中央处理芯片、数值分析模块、异步时钟和串口总线组成，存储单元、数值分析模块、异步时钟和串口总线分别与中央处理芯片相连。

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、可根据大跨度空间结构建筑响应特性，实现各处关键点的风速风压检测；

3、可根据空间结构材质特性，实现表面快速无损安装与拆卸；

4、根据空间结构建筑跨度大、分布面广的特性，实现风速风压传感器检测测点的传输接力、灵活组网。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是压阻式压力传感器示意图；

图3是本发明的实施方案示意图

图中，1、硅杯，2、膜片，3、扩散电阻，4、内部引线，5、引线端，6、第一压力接管，7、第二压力接管。

具体实施方式

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、3所示，本发明太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统主要由数据采集控制基站和若干个检测单元组成。数据采集控制基站由无线网络信号收发基站和计算机工作站连接组成，控制整个系统的数据采集及信号收发。检测单元主要由风速风压传感模块、太阳能供电模块、中央处理模块和无线收发模块组成，风速风压传感模块、中央处理模块、无线收发模块分别与太阳能供电模块相连，风速风压传感模块、无线收发模块均与中央处理模块相连。其中，风速风压传感模块具有风速风压检测功能，由中央处理及无线收发模块中央处理模块控制，通过采用压阻式压力传感器实现对风速风压数据的检测，并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，中央处理模块控制无线收发模块应用zigbee通讯协议，将无线信号调制解调，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。太阳能供电模块通过太阳能板的光伏效应实现电能的收集，利用特定电路实现电量的存储、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；中央处理模块采用Atmega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；将以上风速风压传感模块、太阳能供电模块、中央处理模块及无线收发模块集成安装于保护盒中，构成检测单元。保护盒采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，同时利用空间结构材质多为钢材的特征，设计磁铁安装底盘，实现传感装置的无损快速拆卸。

如图1所示，风速风压传感模块主要由压阻式压力传感器、电压放大器、滤波去噪器和模数转换器依次相连组成。太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制保护装置、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连组成。中央处理模块主要由存储单元、中央处理芯片、数值分析模块、异步时钟和串口总线组成，存储单元、数值分析模块、异步时钟和串口总线分别与中央处理芯片相连。

风速风压传感模块中，压阻式压力传感器与大跨度空间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，经模数转换器将电压模拟信号转换为数字信号后，由串口总线传输给中央处理芯片，实现测试数据的采集工作；数字信号通过串口总线，一方面可发送给中央处理芯片与数据分析模块进行基本的数据处理，另一方可由中央处理芯片控制无线收发模块，将信号调制成无线信号传递出去。

如图2所示，压阻式压力传感器主要由硅杯1、膜片2、4个扩散电阻3、内部引线4、引线端5、第一压力接管6和第二压力接管7组成。第一压力接管6接入需测量的气流。当第二压力接管7接入大气时，压阻式压力传感器提供的是表压；若第二压力接管7密封，且腔内抽成近似真空，则压阻式压力传感器提供的是绝压。风速可由风速风压换算规律由风压换算而得。

太阳能供电模块中，太阳能电池板将光能转变为电能，通过充电控制保护装置对蓄电池进行充电，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，稳压模块进行输出，智能开关电路根据蓄电池电量进行智能判断，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，对中央处理模块、无线收发模块、风速风压传感模块进行供能。

中央处理模块中，中央处理芯片采用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，通过串口总线控制风速风压传感模块实现数据采集，控制储存单元进行数据的存储，控制数值分析模块可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，延长系统工作时间等等。

防水磁铁包装盒将太阳能供电模块、中央处理模块和风速风压传感收发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，利用空间结构材质特性，实现在空间结构建筑检测对象18上的快速无损安装。

本发明作为一种全天候工作、零线路连接的大跨度空间结构建筑风速风压检测系统，具有良好的工程应用前景，安装方便、工作时间长、空间结构建筑针对性强，其实施过程如图3所示。

Claims

1、一种太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，其特征在于，它主要由数据采集控制基站和若干个检测单元组成。其中，所述数据采集控制基站主要由无线网络信号收发基站和计算机工作站连接组成，控制整个系统的数据采集及信号收发。检测单元主要由风速风压传感模块、太阳能供电模块、中央处理模块和无线收发模块组成。风速风压传感模块、中央处理模块、无线收发模块分别与太阳能供电模块相连，风速风压传感模块和无线收发模块均与中央处理模块相连。

2、根据权利要求1所述太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，其特征在于，所述风速风压传感模块主要由压阻式压力传感器、电压放大器、滤波去噪器和模数转换器依次相连组成。

3、根据权利要求1所述太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，其特征在于，所述太阳能供电模块由太阳能电池板、充电控制保护装置、蓄电池、智能开关电路和稳压模块依次相连组成。

4、根据权利要求1所述太阳能供电的空间结构建筑风速风压无线检测系统，其特征在于，所述中央处理模块主要由存储单元、中央处理芯片、数值分析模块、异步时钟和串口总线组成，存储单元、数值分析模块、异步时钟和串口总线分别与中央处理芯片相连。