CN101532835B - 无线传感多功能高精度水平测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感多功能高精度水平测量仪，由分布于桥梁或高层建筑物各测量点的传感器，无线收发模块和终端电脑显示通过无线网络连接构成，它是实时监控桥梁，高层建筑物安全的装置，其特点是：传感器用于检测记录加速度，水平角度及倾角数据；无线收发模块：用于传送接收检测到的物理量数据；电脑终端显示用于工作人员实时检测分析相关接收到的物理数据并进行综合处理分析。本发明构思新颖，通过无线网络处理数据避免有线带来的困难和成本上升问题。

Description

无线传感多功能高精度水平测量仪

技术领域

本发明属于一种对能够对建筑物的水平、垂直角度变化及加速度等参数进行实时测量采集数据，通过无线传感器网络实现数据传输的无线传感多功能高精度水平测量仪，可用于大桥，高层建筑等安全状况的实时监测。

背景技术

随着桥梁及高层建筑物的逐渐增多，其运行安全及可靠性监测成为一个新的课题及难点。桥梁及建筑物结构安全监测系统是对桥梁服役期间的运营环境和结构健康状况进行监测的一种完整的在线监测系统，其主要功能是通过对桥梁结构状态的实时监测与数据分析，及时捕捉桥梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。目前对桥梁及建筑物的监测方法依赖于观测点的有线连接，其主要原理是观测点分布于桥梁及建筑物的各个点，各观测点采集到监测数据后通过有线网络传输至控制中心。这样不仅放置观测点存在难度，线路布置工作量大而且繁琐，同时数据采集只能限制在固定的时间点，装置功耗较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服数据采集点布因布设导线造成的施工困难和成本上升的缺点，实现通过无线网络进行数据实时采集、传输及控制，可以使桥梁等建筑物处于实时状态监测中的无线传感多功能高精度水平测量仪。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：利用分布于各测量点的传感器实现测量数据的实时采集，通过无线传感网络将采集到的数据逐级传输至控制终端电脑实现数据的实时显示、分析及处理，本发明由传感器，无线收发模块和终端电脑显示通过无线网络连接构成，它是实时监控桥梁，高层建筑物安全的装置，其特征在于：

传感器：用于检测记录加速度，水平角度及倾角数据；

无线收发模块：用于传送接收检测到的物理量数据；

电脑终端显示：用于工作人员实时检测分析相关接收到的物理数据并进行综合处理分析。

上述传感器采集到的数据通过zigbee无线网络传输，通过无线网络收发监测数据，实现实时综合处理分析。

上述所有无线网络的无线节点均设置有非层次型、基于功率控制的路由协议。

本发明构思新颖，通过无线网络处理数据避免有线带来的困难和成本上升问题。测量节点采用蓄电池和太阳能电池板给装置供电，可有效解决目前使用的装置功耗较大，能量供应困难和日常维护难的问题。控制终端电脑通过上位机软件实现动态显示，便于数据的实时测量分析和存储。本发明的有益效果是，桥梁及建筑物的运行安全状况实时采集，实时传输，实时分析。装置结构简单，便于实际使用。

附图说明

图1为本发明硬件总体结构图。

图2为倾斜角度传感器的原理框图。

图3为本发明的无线收发模块原理框图。

图4为本发明的数据包格式。

图中：1-数据发送接收模块、2-加速度传感器、3-水平角度传感器、4-倾角传感器、5-天线、6-电脑、7-终端接收节点、8-路由数据采集节点、9-终端数据采集节点、10-太阳能接收板、11-蓄电池、12-电池充电器、13-稳压器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

在图1中，整个装置主要由3种节点构成它们分别是终端接收节点7、路由数据采集节点8和终端数据采集节点9。终端数据采集节点9的主要功能是通过SPI方式和SCA103T通信来采集倾角数据，当采集完倾角数据后通过无线的方式将数据发送给数据终端接收节点7。终端数据采集节点9在发送数据时如果终端数据采集节点9和数据终端接收节点7距离较近则它可以直接将接收到的数据发送给数据终端接收节点7，否则它将把数据发送给路由数据采集节点8，通过路由数据采集节点8的转发将数据传送给终端接收节点7。这样终端数据采集节点9可以通过这种数据接力传的方式将数据发送至远方，由此带来的好处是每个终端数据采集节点9和路由数据采集节点8不必需要很大的发射功率就可以实现较远的距离传输，因此每个节点的耗电量很小。路由数据采集节点8的主要功能是实现倾角数据的采集和数据的转发，它即可以向终端数据采集节点9那样采集数据、发送数据同时它还担负起了数据转发的任务，将接收到的数据转送至下一个路由数据采集节点8直至终端接收节点7。终端接收节点7的主要任务是接收数据采集节点采集来的数据，然后将接收来的数据通过串口发送给电脑供上位机处理。

为了使各个数据采集节点便于维护，每个数据采集节点都配备有一块太阳能电池板10和蓄电池11。当有太阳光时太阳能电池板10将太阳能转换成电能然后通过充电器12给蓄电池11充电，蓄电池11的输出电压会随着使用时间的延长而下降，为了给数据采集节点提供稳定的电压在蓄电池后面装有一个稳压器13。

图3为以无线单片机CC2430为核心的无线数据收发模块

CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

图2为SCA103T高精度倾角传感器，它可以提供两种接口与外部设备通信。一种是输出模拟信号经过差分运放后通过A/D转换器来采集倾角数据，另外一种方式是通过数字接口SPI来传输数据。本发明通过SPI方式来传输数据，这样器件外部电路得到了简化，采集数据也更加方便。

本发明的软件实现采用改进的ZigBee无线传感器优化算法，具体对无线节点功率控制算法和路由算法进行相关优化和改进，包括以下两部分：

A、无线节点的功率优化算法设计：

无线节点由电池供电，在无线通信过程中要尽量降低节点的功耗，以延长整个系统的工作寿命。为此，本系统中为无线节点优化了层次结构并设计了跨层功率控制算法；同时为保证无线通信的稳定性，设计了非层次型、基于功率控制的路由协议。

链路Link_i→j的发射功率由节点j接收到节点i的数据的包接收率PRR和判断阀值来决定，判决式如下：

链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j大于判断阀值，且发射功率小于最大值，则取该值作为链路Link_i→j的发射功率；链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j大于判断阀值，且发射功率等于最大值，则取最大值作为链路Link_i→j的发射功率；链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j小于判断阀值，且发射功率等于最大值，则将链路Link_i→j的放入黑名单内，并从路由表中删除，不再用作路由路径使用。

该优化算法的执行过程分为5个步骤，描述如下：

(1)收集链路信息

每个节点以PRR为指标来测量链路的质量。设置链路质量的判定阀值PRR_threshold，如果测得PRR值大于阀值PRR_threshold则该链路为稳定链路，反之则为不稳定链路。通过改变节点的发射功率大小，可以将不稳定链路转变成稳定链路，也可以发现新的不稳定链路。

(2)使用跨层协议减少节点开销：

节点在链路的建立和数据的路由过程中，要发射相当数量的控制包，这些控制包中有很大一部分都是没有起到作用而白白浪费了。使用跨层协议，在不同层之间相互交换需要的信息，使每个节点都能够明确各项工作的执行方向，减少广播的次数，减少不必要的控制包，节省节点能量。

(3)为每条链路确定发射功率：

步骤(1)中提出了链路质量的判定阀值PRR_threshold，每条链路的最优发射功率定义为使链路成为稳定链路的最小发射功率：Link_i→j＝P_tx当 ${\mathrm{PRR}}_{P_{\mathrm{tx}}}>{\mathrm{PRR}}_{\mathrm{threshold}},$ 且P_tx＝minP；否则Link_i→j＝P_tx，设置为最大发射功率P_max。阀值PRR_threshold的确定由不同发射功率下的PRR值

的统计分析和环境参数决定。

(4)开始路由前使用黑名单机制记录不稳定链路：

根据PRR值确定不能保证数据安全传输的不稳定链路，将其记录到黑名单内，同时从路由表中将这些链路删除，以后这些链路不会再被用于发送和接收任何数据。

(5)确定路径：

没有被记录到黑名单里的链路都是使用最优发射功率或最大发射功率的稳定链路，这些链路被记录在节点的路由表中，能够保证数据的安全传输。

B、无线节点路由算法的建立与设计

无线节点路由的建立过程分为信息收集、寻找中转节点、确定发射功率三个阶段，以下详细分析各个阶段的工作过程：

1)信息收集：

节点n为了确定其邻近节点，首先以最大发射功率发送联系建立请求(relationship build request)RBQ包，RBQ的数据包格式如图4(a)所示，其中DesAddr代表目的地址，此处为全1表示广播；SrcAddr代表源地址；ID为节点ID号；Type代表数据包类型，此处为RBQ包；Pos代表该区域内节点的位置信息；P_tx代表该区域内节点发送RBQ包的发送能量大小；CRC为效验和。收到节点n的RBQ包的节点r发送RB_ACK(relationship buildACK)回应，RB_ACK的包格式如图4(b)所示，其中DesAddr代表目的地址；SrcAddr代表源地址；ID为节点ID号；Type代表数据包类型，此处为RB_ACK包；Pos代表该区域内节点的位置信息；P_tx代表该区域内节点发送RB_ACK包的发送能量大小；P_rxof RBQ代表该区域内节点接收到的RBQ包的能量大小；CRC为效验和。节点n收到RB_ACK后，将节点r的相关信息加入到邻近节点能量表(Neighbor Power Table)NPT(n)中。

2)寻找中转节点

如果NPT(n)中的节点个数NodeNum∈[2，5)(对目标定位最少需要3个区域内节点，因此节点数最少为2个；为提高定位精度可适当增加区域内节点的个数，在综合考虑节点成本的条件下，将节点数最多定为5个)，且发射功率为最大能量，则节点n发出求救Help包，报告此处网络存在割裂问题。如果NPB(n)中的节点个数NodeNum∈[5，∞)，节点n首先对NPT(n)中的所有节点按照接收信号强度值的强弱，从小到大进行排序NPT(n)＝{(J₁，J₂，...J_i...J_m)|P_rx(J₁)＜P_rx(J₂)...P_rx(J_i)...＜P_rx(J_m)}。在J₁，J₂......J_n中寻找符合以下关系的节点：节点n通过该节点中转后再到节点J_n消耗的能量小于节点n直接到节点J_n所消耗的能量。一旦找到节点i满足i∈NPT(n)且P_tx(n→i)+P_tx(i→m)＜P_tx(n→m)，节点n减小发射功率，使得 $J_m\∉\mathrm{NPT}\left(n\right).$

3)确定发射功率

节点n减小发射功率后，重复步骤1)和2)，直到NPT(n)内的节点数NodeNum∈[2，5]，采用节点数在此区间内的最大发射功率作为节点n的发射功率P_tx(Use)。

无线节点要时刻传输各种数据，多数情况下数据的传输需要经过多跳才能到达目的地，因此网络的连通性是至关重要的。无线节点在工作过程中，会经常出现个别节点因为故障、能量耗尽等原因失效，或者新的节点加入，故网络自身需要不断的更新信息和重新组织节点形成连通的网络。本发明将工作过程中损坏的节点称为失效节点，将新安装的节点称为新加入节点。维护网络路由的职责就是要在节点数量和位置发生变化后，采取措施来处理失效节点和新加入节点。

路由维护的过程需要综合考虑现有节点失效和新节点加入两种情况。

对于节点失效的情况：节点n用3)中确定的发射功率P_tx(Use)进行信息收集工作时，如果发现NPT(n)中某个节点i的数据没有更新，则认为该节点失效，进而采用最大发射功率按照步骤1)2)3)开始新的路由建立工作。

对于新节点加入的情况：节点n用3)中确定的发射功率P_tx(Use)进行信息收集工作时，如果发现NPT(n)中有新节点i的ID号，则节点n首先对NPT(n)中的现有节点重新按接收信号强度值的强弱，从小到大进行排序

NPT(n)＝{(J₁，J₂，...J_i...J_m)|P_rx(J₁)＜P_rx(J₂)...P_rx(J_i)...＜P_rx(J_m)}。在J₁，J₂...J₁...J_m中寻找节点i是否符合以下关系：节点n通过节点i中转后再到节点J_m消耗的能量小于节点n直接到节点J_m所消耗的能量。一旦找到节点i满足i∈NPT(n)且P_tx(n→i)+P_tx(i→m)＜P_tx(n→m)，节点n减小发射功率，使得 $J_m\∉\mathrm{NPB}\left(n\right).$ 否则，节点n的发射功率不变。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种无线传感多功能高精度水平测量仪，由分布于桥梁或高层建筑物各测量点的传感器，无线收发模块和终端电脑显示通过无线网络连接构成，它是实时监控桥梁，高层建筑物安全的装置，

传感器：用于检测记录加速度，水平角度及倾角数据，传感器采集到的数据通过zigbee无线网络传输，通过无线网络收发监测数据，实现实时综合处理分析；

无线收发模块：用于传送接收检测到的物理量数据；

电脑终端显示：用于工作人员实时检测分析相关接收到的物理数据并进行综合处理分析；

所有无线网络的无线节点均设置有非层次型、基于功率控制的路由方法，每个测量点都配备有太阳能电池板和蓄电池，其特征在于：无线节点功率控制方法和路由方法包括以下两部分：

A、无线节点的功率控制方法：

无线节点由电池供电，链路Link_i→j的发射功率由节点j接收到节点i的数据的包接收率PRR和判断阀值来决定，判决式如下：

链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j大于判断阀值，且发射功率小于最大值，则取该值作为链路Link_i→j的发射功率；链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j大于判断阀值，且发射功率等于最大值，则取最大值作为链路Link_i→j的发射功率；链路Link_i→j的包接收率PRR_i→j小于判断阀值，且发射功率等于最大值，则将链路Link_i→j的放入黑名单内， 并从路由表中删除，不再用作路由路径使用；

该方法的执行过程分为5个步骤，描述如下：

(1)收集链路信息

每个节点以PRR为指标来测量链路的质量，设置链路质量的判定阀值PRR_threshold，如果测得PRR值大于阀值PRR_threshold则该链路为稳定链路，反之则为不稳定链路；通过改变节点的发射功率大小，可以将不稳定链路转变成稳定链路，也可以发现新的不稳定链路；

(2)使用跨层协议减少节点开销：

节点在链路的建立和数据的路由过程中，要发射相当数量的控制包，这些控制包中有很大一部分都是没有起到作用而白白浪费了，使用跨层协议，在不同层之间相互交换需要的信息，使每个节点都能够明确各项工作的执行方向，减少广播的次数，减少不必要的控制包，节省节点能量；

(3)为每条链路确定发射功率：

步骤(1)中提出了链路质量的判定阀值PRR_threshold，每条链路的最优发射功率定义为使链路成为稳定链路的最小发射功率：Link_i→j＝P_tx当 

且P_tx＝minP；否则Link_i→j＝P_tx，设置为最大发射功率P_max，阀值PRR_threshold的确定由不同发射功率下的PRR值 

的统计分析和环境参数决定；

(4)开始路由前使用黑名单机制记录不稳定链路：

根据PRR值确定不能保证数据安全传输的不稳定链路，将其记录到黑名单内，同时从路由表中将这些链路删除，以后这些链路不会再被用于发送和接收任何数据； 

(5)确定路径：

没有被记录到黑名单里的链路都是使用最优发射功率或最大发射功率的稳定链路，这些链路被记录在节点的路由表中，能够保证数据的安全传输；

B、无线节点路由方法的建立

无线节点路由的建立过程分为信息收集、寻找中转节点、确定发射功率三个阶段，以下详细分析各个阶段的工作过程：

1)信息收集：

节点n为了确定其邻近节点，首先以最大发射功率发送联系建立请求RBQ包，收到节点n的RBQ包的节点r发送RB_ACK回应，节点n收到RB_ACK后，将节点r的相关信息加入到邻近节点能量表NPT(n)中；

2)寻找中转节点

如果NPT(n)中的节点个数NodeNum∈[2，5)，且发射功率为最大能量，则节点n发出求救Help包，报告此处网络存在割裂问题，如果NPB(n)中的节点个数NodeNum∈[5，∞)，节点n首先对NPT(n)中的所有节点按照接收信号强度值的强弱，从小到大进行排序NPT(n)＝{(J₁，J₂，...J_i...J_m)|P_rx(J₁)＜P_rx(J₂)...P_rx(J_i)...＜P_rx(J_m)}，在J₁，J₂......J_n中寻找符合以下关系的节点：节点n通过该节点中转后再到节点J_n消耗的能量小于节点n直接到节点J_n所消耗的能量，一旦找到节点i满足i∈NPT(n)且P_tx(n→i)+P_tx(i→m)＜P_tx(n→m)，节点n减小发射功率，使得 

3)确定发射功率

节点n减小发射功率后，重复步骤1)和步骤2)，直到NPT(n) 内的节点数NodeNum∈[2，5]，采用节点数在此区间内的最大发射功率作为节点n的发射功率P_tx(Use)；

路由维护的过程需要综合考虑现有节点失效和新节点加入两种情况：

对于节点失效的情况：节点n用步骤3)中确定的发射功率P_tx(Use)进行信息收集工作时，如果发现NPT(n)中某个节点i的数据没有更新，则认为该节点失效，进而采用最大发射功率按照步骤1)-步骤3)开始新的路由建立工作；

对于新节点加入的情况：节点n用步骤3)中确定的发射功率P_tx(Use)进行信息收集工作时，如果发现NPT(n)中有新节点i的ID号，则节点n首先对NPT(n)中的现有节点重新按接收信号强度值的强弱，从小到大进行排序NPT(n)＝{(J₁，J₂，...J_i...J_m)|P_rx(J1)＜P_rx(J₂)...P_rx(J_i)...＜P_rx(J_m)}，在J₁，J₂...J_i...J_m中寻找节点i是否符合以下关系：节点n通过节点i中转后再到节点J_m消耗的能量小于节点n直接到节点J_m所消耗的能量，一旦找到节点i满足i∈NPT(n)且P_tx(n→i)+P_tx(i→m)＜P_tx(n→m)，节点n减小发射功率，使得 否则，节点n的发射功率不变。 

Images