CN101666812A - 基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够实现加速度、温度、应变数据采集、节点通过太阳能电池与锂离子电池全自主供电、数据无线传输、多节点一个基站的一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统。它是由传感器节点和基站组成的，传感器节点无线连接基站。电源模块分别连接应变传感器、应变信号放大电路、模/数转换器、节点微处理器、节点无线模块、加速度传感器和温度传感器，基站电源分别连接基站无线模块、基站微处理器、基站串口通信模块和PC机控制处理终端。本发明提供计算机终端的控制和数据处理程序，操作简单，能够实时存储数据。节点在有太阳的环境下能够长期自主供电，稳定运行，不间断的采集数据并实时传输回到计算机终端。
Description
(一)技术领域
本发明涉及土木建筑工程技术，具体说就是一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统。
(二)背景技术
随着世界经济的迅速发展，土木建筑工程领域也取得了令人瞩目的成就，各种大型复杂结构不断出现。当今的土木工程结构正在向超大化、复杂化方向发展，如大型桥梁、超高层建筑、规模巨大的体育馆和剧院、大型水坝、核电站及近海结构等。然而这类重大工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等灾害因素的共同作用下将不可避免地导致结构系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下可能引发灾难性的突发事故。
随着对工程结构的安全性、耐久性及正常使用功能的日益关注，人们希望能够在结构的服役期，即使出现一些如地震、台风、爆炸等灾害性事故后，能充分了解结构的健康状况，以决定是否需要对结构进行维修和养护，以及何时进行维修和养护。因此，结构健康监测系统成为保障结构安全的重要途径，对现存的重要结构和设施进行健康监测，评价其安全状况，修复、控制损伤及在新建结构和设施中增设长期的健康监测系统已成为必须。
在结构健康系统中最基本的是传感器及其数据采集系统，目前广泛的使用的有线的数据采集法的具有数据采集稳定可靠，受噪声影响小等优点，但是其繁琐的布线工作需要花费较大的成本。因此目前国际上开始研究使用无线传感器及无线数据采集系统。无线传感器及其无线传感网络的优点是不仅可免去施工时间长、投资大且繁琐的布线工作，节省成本，而且无线传感器智能处理能力，可以嵌入信号处理算法。近年来对无线传感器及无线传感网络的研究很多，并有了一些产品问世。但现有的产品并没有完整解决无线传感器的多样采集数据、能量供给、接收数据、处理数据及长时期稳定工作的问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现加速度、温度、应变数据采集、节点通过太阳能电池与锂离子电池全自主供电、数据无线传输、多节点一个基站、带计算机控制和处理数据程序的一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统。
本发明的目的是这样实现的：它是由传感器节点和基站组成的，传感器节点无线连接基站。
本发明还有以下技术特征：
(1)所述的传感器节点包括电源模块、应变传感器、应变信号放大电路、模/数转换器、节点微处理器、节点无线模块、加速度传感器和温度传感器，电源模块分别连接应变传感器、应变信号放大电路、模/数转换器、节点微处理器、节点无线模块、加速度传感器和温度传感器，应变传感器连接应变信号放大电路，应变信号放大电路连接模/数转换器，模/数转换器连接节点微处理器，节点微处理器连接节点无线模块，加速度传感器连接应变信号放大电路，温度传感器连接节点微处理器。
(2)所述的基站包括基站电源、基站无线模块、基站微处理器、基站串口通信模块和PC机控制处理终端，基站电源分别连接基站无线模块、基站微处理器、基站串口通信模块和PC机控制处理终端，基站无线模块连接基站微处理器，基站微处理器连接基站串口通信模块，基站串口通信模块连接PC机控制处理终端。
(3)所述的电源模块包括太阳能电池板、最大功率追踪电路、开关型降压器、电源管理单元、锂离子电池，低压差线路稳压电路，太阳能电池板连接最大功率追踪电路，最大功率追踪电路连接开关型降压器、开关型降压器连接电源管理单元，电源管理单元分别连接锂离子电池和低压差线性稳压电路。
本发明基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，实现了传感器节点的多种数据采集(温度、加速度、应变)、能量自给、节点与基站多对一的无线远距离传输、数据接收与处理的功能。提供了一套完整的解决方案。对加速度的采集实现了采样频率为100Hz，对加速度的响应频率为X、Y轴0.5Hz-1600Hz，Z轴0.5Hz-550Hz，分辨率为0.1mg，量程为±3g。对应变的测量分辨率为1微应变，量程为±10000微应变或0-20000微应变，灵敏度在1-4之间，提供用惠斯通电桥的接线方式连接电阻应变片。温度的测量分辨率为0.0625℃，精度为0.5℃，量程为-40℃-85℃。无线传输距离为空旷地带500m以上。系统通过半双工的无线模块进行数据传输，使基站与节点均可接收与发射数据。无线模块支持地址匹配、CRC效验、载波检测、就绪输出，支持软件写地址，保证数据输出的准确性。本发明提供计算机终端的控制和数据处理程序，操作简单，能够实时存储数据。节点在有太阳的环境下能够长期自主供电，稳定运行，不间断的采集数据并实时传输回到计算机终端。
(四)附图说明
图1为本发明的系统总体结构方框图；
图2为本发明的电源模块结构方框图；
图3为本发明的最大功率追踪电路图；
图4本发明的节点应变传感器及电路图；
图5本发明的节点应变信号放大电路图；
图6本发明的节点微处理模块电路图；
图7本发明的节点传感器和模/数转换器电路图；
图8本发明的基站总体电路图；
图9本发明的节点电源稳压模块电路图；
图10本发明的节点电源管理模块电路图；
图11节点电源总体框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1、图2，本发明基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，它是由传感器节点(1)和基站(2)组成的，传感器节点(1)无线连接基站(2)。
本发明还有以下技术特征：
所述的传感器节点(1)包括电源模块(3)、应变传感器(4)、应变信号放大电路(5)、模/数转换器(6)、节点微处理器(7)、节点无线模块(8)、加速度传感器(9)和温度传感器(10)，电源模块(3)分别连接应变传感器(4)、应变信号放大电路(5)、模/数转换器(6)、节点微处理器(7)、节点无线模块(8)、加速度传感器(9)和温度传感器(10)，应变传感器(4)连接应变信号放大电路(5)，应变信号放大电路(5)连接模/数转换器(6)，模/数转换器(6)连接节点微处理器(7)，节点微处理器(7)连接节点无线模块(8)，加速度传感器(9)连接应变信号放大电路(5)，温度传感器(10)连接节点微处理器(7)。
所述的基站(2)包括基站电源(15)、基站无线模块(11)、基站微处理器(12)、基站串口通信模块(13)和PC机控制处理终端(14)，基站电源(15)分别连接基站无线模块(11)、基站微处理器(12)、基站串口通信模块(13)和PC机控制处理终端(14)，基站无线模块(11)连接基站微处理器(12)，基站微处理器(12)连接基站串口通信模块(13)，基站串口通信模块(13)连接PC机控制处理终端(14)。
所述的电源模块(3)包括太阳能电池板(16)、最大功率追踪电路(17)、开关型降压器(18)、电源管理单元(19)、锂离子电池(20)和低压差线路稳压电路(21)，太阳能电池板(16)连接最大功率追踪电路(17)，最大功率追踪电路(17)连接开关型降压器(18)、开关型降压器(18)连接电源管理单元(19)，电源管理单元(19)分别连接锂离子电池(20)和低压差线路稳压电路(21)。
实施例2：结合图1--图11，本发明中节点为一块PCB板，分为模拟和数字两个区域，中间通过电容电感(图6中L1、L2、C3、C4)隔离电源。节点模数转换(ADC)用现成的产品，要求其16位，高精度，低功耗，更新频率在200Hz以上，使用ADI公司的AD7795，其基准源与加速度传感器电源共同使用一块电压基准芯片MAX6033-30(图7中的U5)，输出3V电压。ADC通过SPI总线与微处理器相连，接收微处理器的配置信息，输出转换数据。可以对ADC的工作模式、转换频率、基准源、转换通道等进行选择。ADC共有4个(图7中U1、U2、U4、U7)，分别为应变、加速度X轴、加速度Y轴、加速度Z轴的采集ADC。节点加速度传感器及电路为三轴加速度传感器(图7中U8)，型号为ADXL335。其输出在3V基准源下为0-3V模拟电压，指示当前的加速度信息。节点温度传感器及电路5为数字式温度传感器，型号为DS18B20(图6中U10)，在数据线与电源正之间加一个上拉电阻R10，通过一线式通信与节点微处理器相连。节点应变传感器及电路采用惠斯通电桥，由电压源(图7中U6)提供基准电压1.248V，这样可以节省电阻耗费的能量。电阻应变传感器为1000欧电阻应变片，灵敏系数1-4。通过开关S1(图4中S1)选择哪个桥路上接外围电阻应变片，当用1/4桥和半桥接法时板上的标准电阻R1、R2、R3、R4(图4)在S1的控制下接入电路，当采用全桥接法时板上标准电阻全部断开。点应变信号放大电路采用一块仪表放大器(图7中U3)，放大倍数通过图5中的R5和R8设在100-200，型号为AD8553。通过图7中的P5与P6的跳线选择放大器的基准为GND、VCC或1/2VCC。无线收发模块利用现成的模块和产品，要求其工作频段使用430MHz，最大功率+10dB，具有载波检测、地址匹配和校验，通过SPI接口与节点微处理器相连。本发明采用430M频率、最大功率+10dB工作，每个节点分别占用一个地址，基站为一个地址，基站与节点之间只有一对多或多对一的通信关系。对于微处理器，需要其能够具有功耗低、处理速度高的特点，型号为ATMEGA16L，控制串口、ADC、无线模块、电源模块、温度传感器、应变放大模块的工作，并起到数据中转站的作用。采用C语言编写微处理器的程序，控制模数转换器(ADC)、应变信号放大电路、无线、串口的工作。基站串口通信模块(RS232)采用串口电平转换芯片RS232(图8中U16)，一端与基站微处理器的USART接口相连，另一端与计算机的COM口相连。基站电源采用USB供电，通过线性稳压器AMS1117-3.3转换成3.3V为整个基站PCB板供电。计算机控制与数据处理程序采用VC编写，通过读写串口能够初期完成握手功能，接收数据并存成数据文件。太阳能电池最大功率点控制电路采用一块开关型DC-DC稳压芯片MAX797(图3中U1)，一块带电压基准的电压比较器MAX982(图3中U3)，其输出端与MAX797的关断引脚相连。锂离子电池及充放电电路采用一块大容量(2000mAh)锂离子电池，一块电源管理芯片，型号为LTC4055(图10中U4)。稳压输出电路采用一块低压差线性稳压芯片MAX687(图9中U5)。太阳能电池板采用非晶硅太阳能电池板，功率在1-2W之间即可。在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，且在温度变化不大情况下最大功率点电压变化也不大，使用一个开关型DC-DC变换器(图3中U1)，把处在最大功率点的电压降为电源管理模块要求的5V，使用一个带电压基准的电压比较器(图3中U3)，太阳能电池经过电阻(图3中R5和R7)分压后与内部基准作比较，当太阳能电池电压处在最大功率点时分压后与U3内部基准相等，太阳能电池电压高于最大功率点电压时U3输出置高，使U1正常工作，当太阳能电池电压低于最大功率点电压时U3输出置低，使U1暂时关断，太阳能电池保持电压不下降。电源管理模块使用一块电源管理芯片，当输入的电压高于电池电压时对电池充电，并向稳压模块供电，当输入电压低于电池电压时由电池对稳压模块供电。该电源管理芯片支持电池温度监控，使用一个负温度系数热敏电阻贴于电池表面，保护电池工作于规定温度区，否则停止电池的充电与供电。稳压模块采用低压差线性稳压器，提供良好的电源，对节点供能。
节点上电初始化时先设定微处理器的各个端口的初始状态，设置ADC通道，ADC工作在连续转换模式下，无放大，单极性。设置无线模块的地址、功率、工作状态。经过与基站的握手后启动0.01s定时器，每0.01s就触发定时中断一次，中断发生后，节点依次读加速度X轴、加速度Y轴、加速Z轴、应变ADC的值，并启动无线发送数据。每100次中断读一次温度的值，并随加速度、应变同时发回基站。
基站上电初始化时先设定微处理器的各个端口的初始状态，设置无线模块的地址、功率、工作状态，设置串口的工作参数与状态，与计算机终端握手后与节点握手，之后就一直处在接收数据状态，每接收到数据就直接传回计算机。
替换方案：非晶硅太阳能电池板可以换为单晶硅太阳能电池板，但功率要求为2W。ADC可以选用满足条件(16位，高精度，低功耗，更新频率在200Hz以上、SPI接口、有外接基准、能够连续转换)的其它产品。
实施例3：结合图1-图11，本发明包括传感器节点与基站两部分，总体思路如图1所示。就是将加速度、应变模拟信号通过ADC采样之后得到数字信号，与温度传感器直接得到数字信号共同传给节点处理器。节点微处理器通过无线模块把数据传输给基站处理器，再通过串口(RS232)传给计算机，并由软件控制与处理数据。整个节点(包括节点微处理器、加速度、应变传感器、无线模块)均由电源模块供电。
电源模块示意图如图2所示。由太阳能电池最大功率点控制电路、锂离子电池及充放电电路、稳压输出电路、太阳能电池板构成。
本发明基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，组成如下：节点电源模块，节点微处理模块，节点模数转换(ADC)，节点加速度传感器及电路，节点温度传感器及电路，节点应变传感器及电路，节点应变信号放大电路，无线收发模块，基站微处理模块，基站串口通信模块(RS232)，计算机控制与数据处理程序。节点电源模块包括：太阳能电池最大功率点控制电路，锂离子电池及充放电电路，稳压输出电路，太阳能电池板。
1.电源部分。太阳能电池板与太阳能电池最大功率点控制电路(图3)相连，保证太阳能电池工作在功率最大的状态下。在一定的温度和日照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，且在温度变化不大情况下最大功率点电压变化也不大，使用一个开关型DC-DC变换器(图3中U1)，把处在最大功率点的电压降为电源管理模块要求的5V，使用一个带电压基准的电压比较器(图3中U3)，太阳能电池经过电阻(图3中R5和R7)分压后与内部基准作比较，当太阳能电池电压处在最大功率点时分压后与U3内部基准相等，太阳能电池电压高于最大功率点电压时U3输出置高，使U1正常工作，当太阳能电池电压低于最大功率点电压时U3输出置低，使U1暂时关断，太阳能电池保持电压不下降。电源管理模块使用一块电源管理芯片，当输入的电压高于电池电压时对电池充电，并向稳压模块供电，当输入电压低于电池电压时由电池对稳压模块供电。该电源管理芯片支持电池温度监控，使用一个负温度系数热敏电阻贴于电池表面，保护电池工作于规定温度区，否则停止电池的充电与供电。稳压模块采用低压差线性稳压器，提供良好的电源，对节点供能。
2节点应变传感器及电路(图4)与节点应变信号放大电路(图5)相连，节点应变信号放大电路与节点模数转换(ADC)相连；节点加速度传感器及电路与节点模数转换(ADC)相连；节点模数转换(ADC)将应变与加速度的模拟信号转换为数字信号，与节点微处理模块(图6)相连，将数字信号传给节点微处理模块；节点温度传感器及电路与节点微处理模块相连，把温度信息传给节点微处理模块；节点微处理模块与无线收发模块相连，基站微处理模块与无线收发模块相连，节点微处理模块通过无线收发模块把数据传给基站微处理模块；微处理模块通过基站串口通信模块(RS232)与计算机控制与数据处理程序进行通信。
节点微处理器模块上的LED(图6中LED)指示节点的工作状态。节点微处理器的内部ADC与电池通过两个等值电阻分压后的电压检测线相连，当电池电压低时能够向基站报告。
本发明的效果如下：
本发明实现了传感器节点的多种数据采集(温度、加速度、应变)、能量自给、节点与基站多对一的无线远距离传输、数据接收与处理的功能。提供了一套完整的解决方案。对加速度的采集实现了采样频率为100Hz，对加速度的响应频率为X、Y轴0.5Hz-1600Hz，Z轴0.5Hz-550Hz，分辨率为0.1mg，量程为±3g。对应变的测量分辨率为1微应变，量程为±10000微应变或0-20000微应变，灵敏度在1-4之间，提供用惠斯通电桥的接线方式连接电阻应变片。温度的测量分辨率为0.0625℃，精度为0.5℃，量程为-40℃-85℃。无线传输距离为空旷地带500m以上。本发明通过半双工的无线模块进行数据传输，使基站与节点均可接收与发射数据。无线模块支持地址匹配、CRC效验、载波检测、就绪输出，支持软件写地址，保证数据输出的准确性。
本发明提供计算机终端的控制和数据处理程序，操作简单，能够实时存储数据。节点在有太阳的环境下能够长期自主供电，稳定运行，不间断的采集数据并实时传输回到计算机终端。
Claims (4)
1.一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，它是由传感器节点(1)和基站(2)组成的，其特征在于：传感器节点(1)无线连接基站(2)。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，其特征在于：所述的传感器节点(1)包括电源模块(3)、应变传感器(4)、应变信号放大电路(5)、模/数转换器(6)、节点微处理器(7)、节点无线模块(8)、加速度传感器(9)和温度传感器(10)，电源模块(3)分别连接应变传感器(4)、应变信号放大电路(5)、模/数转换器(6)、节点微处理器(7)、节点无线模块(8)、加速度传感器(9)和温度传感器(10)，应变传感器(4)连接应变信号放大电路(5)，应变信号放大电路(5)连接模/数转换器(6)，模/数转换器(6)连接节点微处理器(7)，节点微处理器(7)连接节点无线模块(8)，加速度传感器(9)连接应变信号放大电路(5)，温度传感器(10)连接节点微处理器(7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，其特征在于：所述的基站(2)包括基站USB电源(15)、基站无线模块(11)、基站微处理器(12)、基站串口通信模块(13)和PC机控制处理终端(14)，基站USB电源(15)分别连接基站无线模块(11)、基站微处理器(12)、基站串口通信模块(13)和PC机控制处理终端(14)，基站无线模块(11)连接基站微处理器(12)，基站微处理器(12)连接基站串口通信模块(13)，基站串口通信模块(13)连接PC机控制处理终端(14)。
4.根据权利要求2所述的一种基于太阳能的无线加速度应变温度数据采集系统，其特征在于：所述的电源模块(3)包括太阳能电池板(16)、最大功率追踪电路(17)、开关型降压器(18)、电源管理单元(19)、锂离子电池(20)和低压差线性稳压电路(21)，太阳能电池板(16)连接最大功率追踪电路(17)，最大功率追踪电路(17)连接开关型降压器(18)、开关型降压器(18)连接电源管理单元(19)，电源管理单元(19)分别连接锂离子电池(20)和低压差线性稳压电路(21)。
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