CN101551282A

CN101551282A - 一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统

Info

Publication number: CN101551282A
Application number: CNA2009100224548A
Authority: CN
Inventors: 赵祥模; 徐志刚; 史昕; 邬满; 王海彬; 杨澜; 张楠; 韩永军; 张立成
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: CN101551282B

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，该系统由应变采集模块、挠度采集模块、加速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，具有传感器数据采集、处理、无线传输以及传感器节点的控制管理和采集数据的上位机显示、分析与评价等功能。能够对目前广泛使用的各种形式结构的桥梁性能进行全面地检测和综合评价，用于检验新建桥梁的施工质量，评定既有桥梁的承载能力和验证发展桥梁的结构设计。

Description

一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统

技术领域

本发明涉及一种桥梁荷载检测系统，特别涉及一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统。

背景技术

在目前的桥梁荷载检测中，对于检测数据的传输均是采用有线的方式完成。由于桥梁结构具有自身结构复杂、跨度较大、所处地理环境恶劣等诸多特点，这就给桥梁荷载检测带来了许多不可避免的弊端：如接线工作量大、容易引入干扰信号、各种线缆不易区分、不便于携带和运输、成本较高等。

随着交通事业的迅猛发展，桥梁荷载检测数据有线传输的弊端变得更加尖锐，而一种基于无线传感网络的检测系统渐渐地走进了人们的视线。美国、意大利等发达国家先后对信息的无线传输方式做出了很多的研究并且日趋成熟。但是国外的检测设备的价格往往比较昂贵，例如美国桥梁诊断公司推出的一款无线传感器节点的报价高达6万元人民币，整套设备的价格更是不菲，这明显不适合我国的国情与国民的消费水平。对于国内的一些大学喝研究机构也在从事这方面的研究工作。但是，迄今为止，国内还没有出现一款完整的、成型的由无线传感网络实现的桥梁荷载检测设备。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，能够实现桥梁静载动载检测数据的采集、自动处理、无线传输和分析评价等功能。

本发明的技术方案是这样实现的：由应变采集模块、挠度采集模块、加速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，应变采集模块、挠度采集模块和加速度采集模块分别与数据处理模块的模数转化端口相连；数据处理模块与无线收发模块通过SPI总线进行通信；数据处理模块与辅助存储器模块也是基于SPI总线通信的；无线收发模块汇节点SINK它与上位机的数据传输通过串行通信，应变采集模块的供电模块分别给应变采集模块和加速采集模块的偏置加法模块供电，数据处理及无线收发模块的供电模块给数据处理模块ATMega128L和无线收发模块CC2420供电。

采集到的数据通过无线的方式进行传输。

应变采集模块的供电模块为+5V供电模块，数据处理收发模块的供电模块为+3.3V供电模块。

应变采集模块由1K的应变片、精密微调电位器、仪表放大器AD620AN、偏置模块和应变采集供电模块等组成，两个1K的应变片和两个精密微调的电位器构成一个测量电桥，电桥的每半个桥臂由一个应变片和一个精密微调电位器串联构成，在两个电位器的非接地端，引出两根信号线作为放大模块的差分输入信号。

所述的偏置模块是一个分压器，由一个1K的电阻和一个2K的精密微调电位器串联组成，并在其两端加入+5V的电压，然后从电阻和电位器的连接点引出一条信号线接入仪表放大器AD620AN的5管脚，用以将负电压变为正电压。

挠度采集模块由仪表电池9V和LVDT位移传感器组成，将仪表电池的正负极分别接到LVDT位移传感器的两根电源线上，将位移传感器的两根信号线分别接入数据处理模块的模数转化端口，其中任意一个和GND接地管脚上。

加速度采集模块由+5V供电模块、加速度传感器YE5932A、偏置加法模块组成，该模块的偏置加法模块由芯片LM324、1个10K的电阻、1个20K的精密微调电位器和一个4.7uF的电解电容构成，将加速度传感器采集到的信号送入4.7uF电解电容的负极性端，将10K的电阻和20K的精密微调电位器串联，并在其两端加入+3V的电压，将电解电容的正极性端与电阻和电位器的连接点相连，并从此点引出信号线至LM324的3端口，同时将LM324的4端口接入+5V电压，11端口接地，1和2端口相互连接，将经过加法后的信号LM324的1端口送入模数转化ADC端口，其中任意一个，以便数据处理模块进行数据的处理。

数据处理及无线收发模块的供电模块即+3.3V供电模块，由两节干电池和芯片MAX1678构成，将两节干电池的正极输入与它的1、4、7端口连接，5、6端口跟电池的负极相连，8端口输出3.3V的电压，在1和7端口之间连入一个47uH的电感，8端口与地之间接一个10uF的电解电容。

应变采集模块的供电模块由两节干电池和芯片MAX631构成，用两节干电池为MAX631芯片提供1.5V～3.0V的输入电压，MAX631的4端口作为电池电压的输入，1、3和7端口接地，5端口作为转化电压的输出端口，同时在4端口和电池正极之间接上一个330mH的电感，在5端口和地之间接上一个0.1uF的电解电容。

本发明具有以下优点：

1、本检测系统采用无线传感网络的技术，数据的传输采用基于ZigBeX协议的无线传输模式，避免了有线传输模式的大规模的布线，降低了检测成本，提高了桥梁检测的工作效率；

2、本检测系统具有轻小、便携和低功耗等优点，从传感器模块到数据处理传输模块都是采用干电池进行供电的，同时传感器模块采用了高效率低功耗的电压转化芯片，数据处理传输模块也具有休眠功能，从而有效地节约了能量；

3、本检测系统中无线传输的信号是数字信号，其特点是抗干扰能力比较强，能够提高数据传输的安全性，便于远距离的传输。

附图说明

图1是无线桥梁荷载检测系统结构框图；

图2是应变采集模块原理框图；

图3是应变采集模块的偏置模块原理框图；

图4是挠度采集模块接口框图；

图5是加速度采集模块接口框图；

图6是加速度采集模块的偏置加法模块原理框图；

图7是应变采集模块的供电框图；

图8是数据处理及无线收发模块的供电框图；

图9是无线桥梁检测系统嵌入式模块功能框图；

图10是无线桥梁荷载检测系统上位机功能模块框图；

具体实施方式

本发明的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统由应变传感器、位移传感器、加速度传感器、采集放大滤波电路、AVR单片机、射频芯片CC2420、电源供电模块电路、下载调试器、以及计算机等组成。本发明的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统主要由传感器数据的采集模块、数据的处理模块、数据的无线传输模块(具有数据发送和接收功能)组成。各个模块之间是相互独立的，数据处理模块通过ADC(模数转换器)端口与数据采集模块相连接，数据的无线传输模块通过SPI总线与数据处理模块实现通信，数据传输模块又通过串口通信实现与上位机的连接。上位机负责监控各下位机模块，可以向无线传输模块发布路由信息，也可接收处理各模块传来的检测数据，显示数据信息和波形。各模块执行上位机的指令，向上位机传送检测数据。UART接口电路负责无线收发模块与上位机间的串行通信。

首先利用TinyOS集成开发环境对数据处理和无线传输程序进行编译，通过AVRStudio将编译后的目标文件下载到ATMega128L中，利用上位机的应用程序设置串行通信的相关参数，并打开通信端口，同时上位机也可以利用无线的方式将由路由仿真平台获得的路由信息发送到各个传感器节点。然后将位移传感器、加速度传感器以及应变信号调理模块的输出信号接入到ATMega128L的模数转化(ADC)端口。接着打开各个传感器节点和SINK节点的开关，以及SINK节点与上位机通信的开关。通过上位机的程序可以看到各个传感器的数据信息和相关的波形图，在数据采集结束的时候，可以将本次采集的数据项生成报表，实现现场打印。

参照图1所示，应变数据采集模块、挠度数据采集模块和加速度数据采集模块分别跟数据处理模块的模数转化(ADC)端口相互连接，数据处理模块的核心是AVR单片机ATmega128L，该处理器内部集成了8个10位的模数转化(ADC)转化端口。由于在无线传输的过程中为了延长传输的距离，特采用了多跳中继的方式，这种方式会使某个节点的处理器汇集大量的数据，而处理器内部的存储空间是十分有限的，在此加入了辅助存储器模块——AT45DB041，该存储器模块包含2048个页面，每个页面有264个字节的空间，从而大大的增加了每个处理节点的存储容量。单片机与辅助存储器之间的通信是基于SPI总线的，单片机根据辅助存储器的读写操作码，在严格的时钟控制下，完成对辅助存储器的读写操作。无线收发模块采用的射频芯片——CC2420，该芯片支持802.15.4协议，MAC和PHY的帧格式由硬件自动产生，其内部集成了数字调制解调模块、模数转化(ADC)、DAC、直接上变频模块、二次变频低中频模块等。正是由于该芯片内部集成了功率放大器、低噪放大器和混频器，从而使无线收发模块的外围电路比较简单。对于单片机和无线收发模块的数据通信也是基于SPI总线的，其对应端口SI、SO、CSN、SCLK分别和单片机的MOSI、MISO、SS、SCK端口相连以实现数据通信。该系统的RF通信传输的信号是数字信号，传输频率在2.4G～2.4835GHz，共有16个传输信道，传输的路径由路由仿真平台生成的路由信息而确定，从而实现数据的多跳无线传输。汇节点(SINK)与上位机的通信是采用虚拟的串行通信。应变采集模块的供电模块也称为+5V供电模块，数据处理及无线收发模块的供电模块也称为+3.3V的供电模块。

参照图2所示，系统的应变采集模块中，它由电桥、弱信号放大模块和+5V的供电模块组成。电桥中包含两个1K的应变片(从BSGA1和BSGA2分别接入)，两个精密微调的电位器(R1和R2)，电桥的半个桥臂由一个应变片和一个精密微调电位器串联构成，在两个电位器的非接地端，引出两根信号线作为放大模块的差分输入信号。由于模数转化(ADC)端口只能识别正电压，而差分信号的放大输出有正负，因此在应变传感器模块中加入偏置模块，参照图3所示，它是一个分压器，由一个1K(Rb)的电阻和一个2K(ZER01)的精密微调电位器串联组成，并在其两端加入+5V的电压，然后从电阻和电位器的连接点引出一条信号线接入仪表放大器AD620AN的5管脚，用以将负电压变为正电压。同时，电桥和仪表放大模块都利用+5V的供电模块供电。

参照图4所示，挠度采集模块接口图中，采用9V的仪表电池给LVDT位移传感器供电。由于一般的桥梁静载时的下挠值通常非常小，最大的不会超过3个厘米，所以如果位移传感器相对于桥梁的位置摆放适当的话，其信号输出线两端电压的极性是不变的。鉴于这样的缘故，位移传感器输出端的信号可以直接连接到处理模块的模数转化(ADC)端口中，处理模块将A/D转化的结果送入模数转化(ADC)寄存器中，以作为无线收发模块的数据来源。

参照图5所示，加速度采集模块接口图，在本系统中采用的加速度传感器在合理的输出量程范围内(在当前档位下，指针摆动要超过1/3量程且小于2/3量程)，它的输出电压范围在正负1V之间。鉴于模数转化(ADC)端口不能转化负电压，在此处引入偏置加法模块，参照图6所示，它由芯片LM324，1个10K的电阻、1个20K的精密微调电位器和一个10uF的电解电容构成，为加速度传感器的输出信号提供1.2V的偏置电压。将加速度传感器采集到的信号送入4.7uF电解电容的负极性端，将10K的电阻和20K的精密微调电位器串联，并在其两端加入+3V(两节电池提供)的电压，将电解电容的正极性端与电阻和电位器的连接点相连，并从此点引出信号线至LM324的3端口，同时将LM324的4端口接入+5V电压，11端口接地，1和2端口相互连接。偏置加法模块的供电依然利用+5V的供电模块。然后将经过加法后的信号(LM324的1端口)送入模数转化(ADC)端口，以便数据处理模块进行数据的处理。

参照图7所示，应变采集模块的供电模块，也就是前面提及到的+5V供电模块，利用两节干电池为MAX631芯片提供1.5V～3.0V的输入电压，MAX631的4端口作为电池电压的输入，1、3和7端口接地，5端口作为转化电压的输出端口，在电池供电正常的情况，该端口的输出电压为+5V。同时，MAX631的外围电路十分简单，在4端口和电池正极之间接上一个330mH的储能电感，在5端口和地之间接上一个100uF的电解电容，用以去除噪声。

参照图8所示，该供电模块采用的是MAX1678芯片，两节干电池的正极输入与它的1、4、7端口连接，5、6端口跟电池的负极相连，8端口输出3.3V的电压，在1和7端口之间连入一个47uH的电感，8端口与地之间接一个10uF的电解电容。该模块主要是用来给数据处理模块和无线收发模块的芯片供电。

参照图9所示。指示灯组件主要控制三个指示灯的亮灭及闪烁，用来指示系统当前的工作状态；时钟组件实现定时器的控制，关闭、打开定时器，设定定时间隔，以及产生定时中断；串口组件实现嵌入式节点与上位机之间的通信，进行数据传输以及产生调试信息；EEPROM组件控制EEPROM的读写操作；数据采样组件，负责模拟量采集及模数转换，产生转换中断；无线通信组件，控制通信的信道，射频芯片的工作状态，进行数据的无线收发，从而实现网络间的通信。整个嵌入式系统由上述模块间互相调用及配合，实现无线检测的整体功能。

参照图10所示，用户管理模块实现对系统用户的管理，用户分为超级用户和一般用户，一般用户只有浏览数据的权限，超级用户没有限制。系统在使用之前需要进行一些初始化工作，串口设置便是进行串口的设置，包括串口号、缓冲区参数、波特率等设置。串口设置之后便可以进入节点控制管理模块，为系统添加节点，包括节点的ID、坐标位置等，节点设置完毕之后，便可以调用算法生成路由，这个算法是基于坐标的最短路径算法，是对Leach算法的一种改进，实现节点能量平均消耗与网络寿命的延长。生成的路由表通过节点控制管理模块发送至下位机各节点，各节点收到路由之后会发送应答帧，上位机收到应答信息，表示网络形成。通过节点控制模块的发送控制信息功能可以对网络中的每个节点进行控制，包括睡眠、唤醒等。唤醒每个节点之后，各个节点便开始采集数据了。视图显示方式有两种，查看拓扑结构可以查看整个网络的拓扑信息，节点多跳情况一目了然，查看数据曲线功能实现了每个节点的每个通道的数据变化趋势。采集的数据通过数据存储模块保存，整个桥检包括静载和动载两个部分，静载检测桥梁的挠度与应变，动载检测桥梁的阻尼比与主频，对静载和动载数据一一保存后点击生成报表和打印，将生成一份完整的桥梁荷载检测报告。

Claims

1、基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，由应变采集模块、挠度采集模块、加速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，应变采集模块、挠度采集模块和加速度采集模块分别与数据处理模块的模数转化端口相连；数据处理模块与无线收发模块通过SPI总线进行通信；数据处理模块与辅助存储器模块也是基于SPI总线通信的；无线收发模块汇节点SINK它与上位机的数据传输通过串行通信，应变采集模块的供电模块分别给应变采集模块和加速采集模块的偏置加法模块供电，数据处理及无线收发模块的供电模块给数据处理模块ATMega128L和无线收发模块CC2420供电。

2、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，采集到的数据通过无线的方式进行传输。

3、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，应变采集模块的供电模块为+5V供电模块，数据处理收发模块的供电模块为+3.3V供电模块。

4、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，应变采集模块由1K的应变片、精密微调电位器、仪表放大器AD620AN、偏置模块和应变采集供电模块等组成，两个1K的应变片和两个精密微调的电位器构成一个测量电桥，电桥的每半个桥臂由一个应变片和一个精密微调电位器串联构成，在两个电位器的非接地端，引出两根信号线作为放大模块的差分输入信号。

5、根据权利要求4所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，所述的偏置模块是一个分压器，由一个1K的电阻和一个2K的精密微调电位器串联组成，并在其两端加入+5V的电压，然后从电阻和电位器的连接点引出一条信号线接入仪表放大器AD620AN的5管脚，用以将负电压变为正电压。

6、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，挠度采集模块由仪表电池9V和LVDT位移传感器组成，将仪表电池的正负极分别接到LVDT位移传感器的两根电源线上，将位移传感器的两根信号线分别接入数据处理模块的模数转化端口，其中任意一个和GND接地管脚上。

7、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，加速度采集模块由+5V供电模块、加速度传感器YE5932A、偏置加法模块组成，该模块的偏置加法模块由芯片LM324、1个10K的电阻、1个20K的精密微调电位器和一个4.7uF的电解电容构成，将加速度传感器采集到的信号送入4.7uF电解电容的负极性端，将10K的电阻和20K的精密微调电位器串联，并在其两端加入+3V的电压，将电解电容的正极性端与电阻和电位器的连接点相连，并从此点引出信号线至LM324的3端口，同时将LM324的4端口接入+5V电压，11端口接地，1和2端口相互连接，将经过加法后的信号LM324的1端口送入模数转化ADC端口，其中任意一个，以便数据处理模块进行数据的处理。

8、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，数据处理及无线收发模块的供电模块即+3.3V供电模块，由两节干电池和芯片MAX1678构成，将两节干电池的正极输入与它的1、4、7端口连接，5、6端口跟电池的负极相连，8端口输出3.3V的电压，在1和7端口之间连入一个47uH的电感，8端口与地之间接一个10uF的电解电容。

9、根据权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，应变采集模块的供电模块由两节干电池和芯片MAX631构成，用两节干电池为MAX631芯片提供1.5V～3.0V的输入电压，MAX631的4端口作为电池电压的输入，1、3和7端口接地，5端口作为转化电压的输出端口，同时在4端口和电池正极之间接上一个330mH的电感，在5端口和地之间接上一个0.1uF的电解电容。