CN101832752A - 采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统。它包括计算机、无线控制基站和无线应变传感器网络，无线应变传感器网络是由若干个无线低功耗振弦式应变采集单元组成的网络；无线控制基站包括接口模块、处理模块和无线模块，接口模块与处理模块和无线模块依次相连；接口模块与计算机相连；无线低功耗振弦式应变采集单元包括无线模块、采集模块、处理模块、电源模块和振弦式传感器；电源模块与采集模块、处理模块、无线模块依次相连，采集模块与振弦式传感器相连。本发明采用模块化设计，体积小，能耗低，安装布点方便。可适应室外工地现场环境；安装固定方式灵活，可由高强磁铁或螺栓固定，适应不同土木构件材质的快速拆装。

Description

采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统
技术领域
本发明涉及土木工程建筑应力应变检测技术领域，尤其涉及一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统。
背景技术
土木工程建筑如桥梁、大坝、高层建筑、大型体育场馆、机场、展览馆、大型工业厂房等等，都属于国家重大基础设施，其安全性能关系国计民生。因此，无论在其施工安装阶段或服役阶段，及时掌握结构的受力特性，可以实时诊断其安全性，对社会安全生产和生活有着重大意义。
现有的土木工程安全检测相关技术主要情况如下：
(1)有线应变测试系统。传统的土木工程测试系统主要为有线测试系统，如电阻式应变测试系统、光纤光栅应变测试系统、振弦应变测试系统等等，相对来说技术成熟，并应用广泛。但是大量连接线路的存在，使得安装工作费时又费力。同时，大量的连接线路给系统的正常工作和维护带来了额外的负担，还影响建筑美观。而在施工过程的监测中，有线连接线路更容易被破坏，从而导致设备的整体瘫痪，检测工作的失败。
(2)无线应变测试系统。现有的无线应变测试技术正在飞速的发展中，目前主要存在的还是无线电阻应变测试系统，但电阻式应变测试技术的最大问题是性能的不稳定，长期监测尤其是室外工作环境都容易造成测试数据的漂移。
现有的无线振弦式应变采集系统，采用基本的点对点的无线形式，所有传感器仍由导线连接到唯一的采集设备，并由该采集设备通过无线信号，将数据传给接收基站，传输方式简单，不存在任何组网，灵活性差，并且这类产品一般能耗较大，需要市电供能，所以无线这类产品对导线依赖还是很大，与传统有线振弦式应变设备改进不明显。目前市场上还没有一种融合先进的无线通讯技术与稳定的传感技术的新型应变测试系统。
(3)无线传感器网络技术。无线传感器网络技术被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一，其特点是采用大量传感器节点，协作地感知、采集、处理在监测范围内的感知对象的信息，并发送给观察者。其特点与土木工程安全检测的要求完全一致，是一种比单纯点对点传输更先进、更优越的无线方式。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统。
采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统包括计算机、无线控制基站和无线应变传感器网络，无线应变传感器网络是由若干个无线低功耗振弦式应变采集单元组成的网络；无线控制基站包括接口模块、处理模块和无线模块，接口模块与处理模块和无线模块依次相连；接口模块与计算机相连；无线低功耗振弦式应变采集单元包括无线模块、采集模块、处理模块、电源模块和振弦式传感器；电源模块与采集模块、处理模块、无线模块依次相连，采集模块与振弦式传感器相连；电源模块给其他模块供电；处理模块采用超低能耗微处理器，控制采集模块、无线模块；无线模块通过无线传感器网络通讯协议，建立多级跳转到无线网络连接；采集模块采集控制多路振弦式应变传感器，振弦式应变传感器直接与待测结构相连，获取其应变信息。
所述的接口模块包括UART总线、RS232转换电路、USB转换电路、对外接口及稳压电路；UART总线与RS232转换电路、USB转换电路、对外接口、稳压电路依次相连，其中对外接口直接从计算机USB接口获取电源，通过稳压电路将稳定后的电压输出给处理模块和无线模块；同时，计算机又通过接口模块的USB或RS232转换电路将数据进行转换，然后通过UART总线传输给处理模块。
所述的处理模块包括单片机、系统时钟、休眠时钟、UART总线、SPI总线、存储器和外部SD卡接口；单片机分别与系统时钟、休眠时钟、UART总线、SPI总线、存储器和外部SD卡接口相连；系统时钟在单片机工作时提供主频，休眠时钟则在单片机空闲休眠时提供间歇唤醒时钟，单片机通过UART总线和SPI总线，分别与接口模块、无线模块、采集模块进行命令数据交换，单片机将临时结果保存到存储器，同时将大量结果通过SD卡接口保存到外部SD存储卡。
所述的采集模块包括单片机、SPI总线接口、数字接口、激励电路、通道切换电路、一级放大电路、二级放大电路、滤波电路、整形电路；单片机与激励电路、通道切换电路、一级放大电路、二级放大电路、滤波电路、整形电路相连，同时单片机又分别与SPI总线接口、数字接口相连；单片机通过激励电路和通道切换电路将激励信号发送到振弦式传感器，并拾取振弦式传感器响应，对响应信号两次放大、整形低通滤波；单片机通过SPI总线与处理模块交流，通过数字接口直接读取振弦式传感器的温度芯片。
本发明采用振弦式应变测试原理，该技术成熟，结果稳定可靠，应用广泛；同时，本发明采用无线网络传输数据，采用更加灵活的星状、树状拓扑结构；每一个测试单元同时又是一个无线单元，所有测试单元协作地感知、采集、处理、输出在监测范围内的应变信息，并发送给观察者；本发明采用低能耗设计，系统整体能耗极低，可采用普通AA电池或锂电池等供电，摆脱对电源的依赖；而且本发明在空闲时采用休眠模式，进一步降低整体能耗，同时又能间隙性自动唤醒，保持对监测对象的监听；并且使用防水密封包装，在功能上做到零线路布置、测试性能稳定；所以，本发明是一种融合先进的无线通讯技术与稳定的传感技术的新型应变测试系统。
本发明将测试性能稳定的振弦传感技术与先进的传感器网络技术相结合，并且整体考虑低能耗设计，其测试可靠性、安装灵活性、环境适应性已得到实验验证，并已试用于多个国内土木工程的应力检测、监测项目中。与传统有线测试系统或者其它类无线应变测试系统相比，更加技术先进、优势明显。
附图说明
图1是采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统结构示意图；
图2是本发明的接口模块示意图；
图3是本发明的处理模块示意图；
图4是本发明的采集模块示意图。
具体实施方式
如图1所示，采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统包括计算机1、无线控制基站2和无线应变传感器网络10，无线应变传感器网络10是由若干个无线低功耗振弦式应变采集单元9组成的网络；无线控制基站2包括接口模块5、处理模块4和无线模块3，接口模块5与处理模块4和无线模块3依次相连；接口模块5与计算机1相连；无线低功耗振弦式应变采集单元9包括无线模块3、采集模块7、处理模块4、电源模块6和振弦式传感器8；电源模块6与采集模块7、处理模块4、无线模块3依次相连，采集模块7与振弦式传感器8相连；电源模块6给其他模块供电；处理模块7采用超低能耗微处理器，控制采集模块7、无线模块3；无线模块3通过无线传感器网络通讯协议，建立多级跳转到无线网络连接；采集模块7采集控制多路振弦式应变传感器8，振弦式应变传感器8直接与待测结构相连，获取其应变信息。
所述的处理模块4内的无线路由协议程序通过总线控制无线模块3，组成星状、树状的无线通讯组网，通过该无线通信网络进行数据交换与接力跳转，将数据传输到无线振弦式应变采集单元；处理模块同时还控制采集模块7对振弦式应变传感器8进行数据采集；电源模块6与电池等供电源相连，稳压输出后，同时对无线模块3、处理模块4、采集模块7供电，此外这些模块由防水外壳包装，形成一个完整的无线振弦式应变采集单元；
如图2所示，接口模块(5)包括UART总线5.1、RS232转换电路5.2、USB转换电路5.3、对外接口5.4及稳压电路5.5；UART总线5.1与RS232转换电路5.2、USB转换电路5.3、对外接口5.4、稳压电路5.5依次相连，其中对外接口5.4直接从计算机USB接口获取电源，通过稳压电路5.5将稳定后的电压输出给处理模块4和无线模块3；同时，计算机1又通过接口模块5的USB或RS232转换电路5.2将数据进行转换，然后通过UART总线5.1传输给处理模块4。
如图3所示，处理模块4包括单片机4.1、系统时钟4.3、休眠时钟4.2、UART总线4.7、SPI总线4.4、存储器4.5和外部SD卡接口4.6；单片机4.4分别与系统时钟4.3、休眠时钟4.2、UART总线4.7、SPI总线4.4、存储器4.5和外部SD卡接口4.6相连；系统时钟4.3在单片机4.1工作时提供主频，休眠时钟4.2则在单片机4.1空闲休眠时提供间歇唤醒时钟，单片机4.1通过UART总线4.7和SPI总线4.4，分别与接口模块4、无线模块3、采集模块7进行命令数据交换，单片机4.1将临时结果保存到存储器4.5，同时将大量结果通过SD卡接口4.6保存到外部SD存储卡。
所述的单片机4.1采用高性能AVR单片机，其内部存储的无线通信协议软件与无线模块3软硬件结合，实现多种、灵活的组网方式；在单片机4.1全速工作时，由高频系统时钟4.3提供工作时钟，保证分析处理能力，而在单片机4.1空闲时进入休眠模式，关闭高频系统时钟4.3，由频率较低的休眠时钟4.2提供频率，使单片机4.1间隙性唤，保持监听状态同时又降低能耗；同时，存储器4.5保存临时的结果，长期保存采集、分析的数据，则通过SD卡接口保存在廉价的大容量SD卡存储卡，即实现数据备份，又减少不必要的无线传输，节约系统能量。
如图4所示，采集模块7包括单片机7.1、SPI总线接口7.9、数字接口7.2、激励电路7.3、通道切换电路7.4、一级放大电路7.5、二级放大电路7.6、滤波电路7.7、整形电路7.8；单片机7.1与激励电路7.3、通道切换电路7.4、一级放大电路7.5、二级放大电路7.6、滤波电路7.7、整形电路7.8相连，同时单片机7.1又分别与SPI总线接口7.9、数字接口7.2相连；单片机7.1通过激励电路7.3和通道切换电路7.4将激励信号发送到振弦式传感器，并拾取振弦式传感器响应，对响应信号两次放大、整形低通滤波；单片机7.1通过SPI总线7.9与处理模块4交流，通过数字接口7.2直接读取振弦式传感器的温度芯片。
所述的采集模块单片机7.1采用低能耗C8051F单片机，采集模块7也采用休眠模式，在休眠时能耗几乎可以忽略；单片机7.1输出PWM信号通过激振电路7.3转换为激励信号，由通道切换电路7.4选择将激励传输给连接到采集模块7的其中一个待测振弦式传感器8；振弦式传感器8在激励信号作用发生振荡并产生微弱响应，响应信号通过通道切换电路7.4传回，一、二级放大电路将响应信号两次高倍放大，将微弱响应信号放大到一个合适值后传输给滤波电路7.7，滤波电路经过滤波，去除杂波和干扰后，得到频率成分单一的正弦信号，再将正弦响应信号输入整形电路7.8将正弦波转换为适合单片机识别的方波信号，最后输入单片机7.1计数器，得到振弦式传感器的频率参数；同时，单片机7.1通过数字接口7.2直接读取振弦式传感器内部温度芯片的补偿温度，对测试结果进行修正。
本发明在施工阶段或者服役阶段，一旦结构发生损伤，内力就会发生异常变化，反应到构件本身，其应力应变值与理论设计值将产生偏差，或者直接超出结构材料屈服强度设计值。反之，通过一种有效、性能稳定的测试设备去检测土木结构的应变参数，可以判度其是否出于正常工作状态，是否存在安全隐患。本发明系统采用模块化设计理念，包括无线模块、采集模块、处理模块以及电源模块。无线模块使用国家开放频段，并采用无线传感器网络技术，通过无线通信协议实现自组网，采用星、树、簇状多种网络拓扑形式，网络方式丰富，组网灵活，数据命令传输多级跳转，网络可靠性高；无线模块与处理模块通过总线连接，将来自网络的信息及时准确的传递给处理模块，保证整个系统的可靠、高效。采集模块的传感元件采用性能稳定的振弦式应变传感技术，以保证系统长期测试的稳定性，虽然采集模块由处理模块管理，但为提高效率采用独立控制芯片，实现对多路外接振弦式应变传感器的通道间切换，适应建筑结构一点复杂应力状态的特点，通过PWM模式方波激振，并对传感器的反馈信号分别进行两次放大、滤波，最终识别传感器频率等参数，并计算准确应变值；同时，通过数字接口方式与处理模块通讯。处理模块采用高性能AVR芯片，管理各功能模块的协调关系，实现对整个系统的控制，数据的处理、分析、存储及传输功能；处理模块与无线模块相配合，实现无线传感器网络组网功能；并同时处理模块采用智能的能量控制机制，使系统空闲时休眠节能，控制各模块的开关及系统休眠唤醒，保证整个系统的低功耗要求又保持系统的及时反应。电源模块负责给以上三个主要功能模块提供稳定的电源，根据外部供电方式的特别，变压稳压输出，在外部供能过低时，及时切换供能，保证仪器性能，在外部供能恢复时及时开启。本发明系统采用高度密封的安装保护外壳设计，所有外部接口均考虑防水，整体达到IP65防护等级防水设计，可适应室外工地现场环境；安装固定方式灵活，包括高强磁铁与螺栓固定，适应不同土木构件材质的快速拆装。

Claims (4)

1.一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统，其特征在于包括计算机(1)、无线控制基站(2)和无线应变传感器网络(10)，无线应变传感器网络(10)是由若干个无线低功耗振弦式应变采集单元(9)组成的网络；无线控制基站(2)包括接口模块(5)、处理模块(4)和无线模块(3)，接口模块(5)与处理模块(4)和无线模块(3)依次相连；接口模块(5)与计算机(1)相连；无线低功耗振弦式应变采集单元(9)包括无线模块(3)、采集模块(7)、处理模块(4)、电源模块(6)和振弦式传感器(8)；电源模块(6)与采集模块(7)、处理模块(4)、无线模块(3)依次相连，采集模块(7)与振弦式传感器(8)相连；电源模块(6)给其他模块供电；处理模块(7)采用超低能耗微处理器，控制采集模块(7)和无线模块(3)；无线模块(3)通过无线传感器网络通讯协议，建立多级跳转到无线网络连接；采集模块(7)采集控制多路振弦式应变传感器(8)，振弦式应变传感器(8)直接与待测结构相连，获取其应变信息。
2.根据权利要求1所述的一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统，其特征在于所述的接口模块(5)包括UART总线(5.1)、RS232转换电路(5.2)、USB转换电路(5.3)、对外接口(5.4)及稳压电路(5.5)；UART总线(5.1)与RS232转换电路(5.2)、USB转换电路(5.3)、对外接口(5.4)、稳压电路(5.5)依次相连，其中对外接口(5.4)直接从计算机USB接口获取电源，通过稳压电路(5.5)将稳定后的电压输出给处理模块(4)和无线模块(3)；同时，计算机(1)又通过接口模块(5)的USB或RS232转换电路(5.2)将数据进行转换，然后通过UART总线(5.1)传输给处理模块(4)。
3.根据权利要求1所述的一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统，其特征在于所述的处理模块(4)包括单片机(4.1)、系统时钟(4.3)、休眠时钟(4.2)、UART总线(4.7)、SPI总线(4.4)、存储器(4.5)和外部SD卡接口(4.6)；单片机(4.4)分别与系统时钟(4.3)、休眠时钟(4.2)、UART总线(4.7)、SPI总线(4.4)、存储器(4.5)和外部SD卡接口(4.6)相连；系统时钟(4.3)在单片机(4.1)工作时提供主频，休眠时钟(4.2)则在单片机(4.1)空闲休眠时提供间歇唤醒时钟，单片机(4.1)通过UART总线(4.7)和SPI总线(4.4)，分别与接口模块(4)、无线模块(3)、采集模块(7)进行命令数据交换，单片机(4.1)将临时结果保存到存储器(4.5)，同时将大量结果通过SD卡接口(4.6)保存到外部SD存储卡。
4.根据权利要求1所述的一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统，其特征在于所述的采集模块(7)包括单片机(7.1)、SPI总线接口(7.9)、数字接口(7.2)、激励电路(7.3)、通道切换电路(7.4)、一级放大电路(7.5)、二级放大电路(7.6)、滤波电路(7.7)、整形电路(7.8)；单片机(7.1)与激励电路(7.3)、通道切换电路(7.4)、一级放大电路(7.5)、二级放大电路(7.6)、滤波电路(7.7)、整形电路(7.8)相连，同时单片机(7.1)又分别与SPI总线接口(7.9)、数字接口(7.2)相连；单片机(7.1)通过激励电路(7.3)和通道切换电路(7.4)将激励信号发送到振弦式传感器，并拾取振弦式传感器响应，对响应信号两次放大、整形低通滤波；单片机(7.1)通过SPI总线(7.9)与处理模块(4)交流，通过数字接口(7.2)直接读取振弦式传感器的温度芯片。
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