CN101886956A - 基于无线传感器网络的应变力测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的应变力测量装置及系统；其中装置包括处理器模块、无线通信模块和数据采集模块；所述数据采集模块用于在所述处理器模块的控制下进行应变力数据采集；得到对应于应变力的电压值信号；所述处理器模块用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包；所述无线通信模块用于在所述处理器模块的控制下进行mesh网络组网，并通过该mesh网络发送所述数据包。本发明的技术方案能够实现对应变力的无线采集和监测。

Description

基于无线传感器网络的应变力测量装置及系统

技术领域

本发明涉及应变力测量领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的应变力测量装置及系统。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络作为信息技术研究的一个重要方向，逐渐成为计算机科学研究中最具活力的领域，具有广阔的应用前景。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。可以预见，在不久的将来，无线传感网络将改变人与自然界的交互方式，给我们的生活方式带来革命性的变化。因此，无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。

无线传感器网络是指由大量传感器节点以及由无线通信的方式组成的信息传播网络，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。传感器网络分布式处理的特点带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控、可快速构建、部署方便等众多优点，不易受到目标环境的限制，特别适合布置在电源供给困难的区域或人员不易到达(环境恶劣地区、敌军阵地等)的区域，这些优点使其能广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。无线传感器网络是一种特殊的Adhoc网络，其节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。节点以Adhoc方式将数据向网关发送，再与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等等。节点间以Adhoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的应变力测量装置及系统，能够实现对应变力的无线采集和监测。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于无线传感器网络的应变力测量装置，包括：

处理器模块、无线通信模块和数据采集模块；

所述数据采集模块用于在所述处理器模块的控制下进行应变力数据采集；得到对应于应变力的电压值信号；

所述处理器模块用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包；

所述无线通信模块用于在所述处理器模块的控制下进行mesh网络组网，并通过该mesh网络发送所述数据包。

进一步地，所述处理器模块上电后处于深度休眠状态，还用于定时的从深度休眠状态醒来，唤醒所述数据采集模块进行数据采集；以及在将采集的电压值信号转变为所述电阻值的变化量数据，并打包成一帧的数据包后唤醒所述无线通信模块发送该数据包；以及在发送完成后控制所述数据采集模块和无线通信模块进入休眠状态，然后也进入深度休眠状态。

进一步地，所述处理器模块还用于在醒来时检查是否已进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，如果是则控制所述无线通信模块直接发送所述数据包；否则控制所述无线通信模块先进行mesh组网后再发送所述数据包。

进一步地，所述处理器模块还用于获取所述无线通信模块和网络通信的路由，并保存为路由表；所述处理器模块通过检查是否保存了所述路由表来检查是否已进行过mesh组网，如果保存了所述路由表则判断已进行过组网；通过比较所保存的路由表，和所获取的无线通信模块和网络通信的路由，来检查网络结构是否变化，如果保存的路由表与获取的路由不一致，则判断网络结构发生了变化。

进一步地，所述数据采集模块采用压阻式传感器，其基片直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成直流差动桥电路。

本发明还提供了一种基于无线传感器网络的应变力测量系统，包括：

若干个应变力测量装置、网关节点和监测设备；

各所述应变力测量装置安装在被监测物体的不同位置上，各包括：处理器模块、无线通信模块和数据采集模块；

所述数据采集模块用于在所述处理器模块的控制下进行应变力数据采集；得到对应于应变力的电压值信号；

所述处理器模块用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包；

所述无线通信模块用于在所述处理器模块的控制下进行mesh网络组网，并通过该mesh网络发送所述数据包到所述网关节点；

所述网关节点用于通过所述mesh网络接收各所述应变力测量装置发送的所述数据包；和本地的监测设备相连，把接收的所述数据包传输到监测设备上；以及通过以太网接口和Internet相连，把接收的所述数据包传输到Internet上；

所述监测设备用于从所述数据包中提取应变力数据，并与预存的阈值进行比较，如果超过阈值则进行报警。

进一步地，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块上电后处于深度休眠状态，还用于定时的从深度休眠状态醒来，唤醒所述数据采集模块进行数据采集；以及在将采集的电压值信号转变为所述电阻值的变化量数据，并打包成一帧的数据包后唤醒所述无线通信模块发送该数据包；以及在发送完成后控制所述数据采集模块和无线通信模块进入休眠状态，然后也进入深度休眠状态。

进一步地，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块还用于在醒来时检查是否已进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，如果是则控制所述无线通信模块直接发送所述数据包；否则控制所述无线通信模块先进行mesh组网后再发送所述数据包。

进一步地，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块还用于获取所述无线通信模块和网络通信的路由，并保存为路由表；所述处理器模块通过检查是否保存了所述路由表来检查是否已进行过mesh组网，如果保存了所述路由表则判断已进行过组网；通过比较所保存的路由表，和所获取的无线通信模块和网络通信的路由，来检查网络结构是否变化，如果保存的路由表与获取的路由不一致，则判断网络结构发生了变化。

进一步地，各所述应变力测量装置中：

所述数据采集模块采用压阻式传感器，其基片直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成直流差动桥电路。

本发明的技术方案可用于国防军事、建筑桥梁、工矿企业等领域的物体的应变力测量中，并可在物体所受应变力过大时发出报警信号，预防危险和灾害的出现。其中，应变力测量装置成本低、功耗小、性能稳定、实用价值高；采用高精度、高增益的应变力采集电路，可提供精确的应变力数据。而应变力测量系统具有无线自组网、信息处理、无线传输、应变力测量等的多功能，能够组成无线传感器网络，传递应变力数据。另外，应变力测量装置采用模块化设计，将各功能模块分开，通过标准接口自由组合，进行数据传输。因为在不同的应用环境中对应变力测量装置的能耗、采样率、响应时间和数据处理能力都有不同要求，应变力测量装置可以在不同的应用场合下，选择不同的组件自由配置就可以满足要求，也有助于控制成本。同时，模块化设计也有效的减小了体积。

附图说明

图1是实施例一中基于无线传感器网络的应变力测量装置结构图；

图2是实施例一中数据采集模块中的直流差动桥电路的示意图；

图3是实施例二中无线传感器网络的应变力测量系统结构示意图；

图4是无线传感器网络的应变力测量装置工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例一、一种基于无线传感器网络的应变力测量装置，如图1所示，包括：处理器模块3、无线通信模块4、电源模块5、数据采集模块6；

其中，所述电源模块5分别与其他各模块连接，用于为各模块提供可靠、稳定的电源；

所述数据采集模块6和所述处理器模块3相连，用于在处理器模块3的控制下进行应变力数据采集，得到对应于应变力的电压值信号。

所述处理器模块3用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包。

所述无线通信模块4和所述处理器模块3连接，用于在处理器模块3的控制下进行mesh网络(无线网格网络)组网，并通过mesh网络发送所述数据包。

以上模块可以根据使用该应变力测量装置的场合而自由选择，比如外部有电源时，可以不包括所述电源模块5。另外，当对应变力测量装置的能耗、采样率、响应时间和数据处理能力有不同要求时，可以相应选择数据采集模块6、处理器模块3和无线通信模块4。

本实施例中，所述数据采集模块6采用压阻式传感器，其基片直接作为测量传感元件，电阻在基片内接成直流差动桥电路；当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。所述直流差动桥电路如图2所示，与平衡电桥相比，差动电桥理论上没有非线性误差，同时具有温度误差的补偿作用，而且电桥电压灵敏度为平衡电桥的两倍；该桥电路的输出电压为：

其中，ΔR为基片受到外力作用而产生形变时电阻值的变化量，U₀为所述电压值信号。

实际应用时，也不排除数据采集模块6采用其它能够采集应变力数据的应变力传感器，并且也不排除当采用压阻式传感器时采用其它桥电路。

本实施例中，所述处理器模块3可以但不限于采用单片机，能够进入深度休眠状态，消耗极低的电流。

所述处理器模块3上电后处于深度休眠状态，还用于定时的从深度休眠状态醒来，唤醒所述数据采集模块6进行数据采集；以及在将采集的电压值信号转变为所述电阻值的变化量数据，并打包成一帧的数据包后唤醒所述无线通信模块4发送该数据包；以及在发送完成后控制所述数据采集模块6和无线通信模块4进入休眠状态，然后本身也进入深度休眠状态。

所述处理器模块3还用于在醒来时检查是否已进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，如果是则控制所述无线通信模块4直接发送所述数据包；否则控制所述无线通信模块4先进行mesh组网后再发送所述数据包。

所述处理器模块3还用于获取所述无线通信模块4和网络通信的路由，并保存为路由表；所述处理器模块3通过检查是否保存了所述路由表来检查是否已进行过mesh组网，如果保存了所述路由表则判断已进行过组网；所述处理器模块3通过比较所保存的路由表，和所获取的无线通信模块4和网络通信的路由，来检查网络结构是否变化，如果保存的路由表与获取的路由不一致，则判断网络结构发生了变化。

本实施例中，所述无线通信模块4进一步包括天线、射频电路和射频芯片。其中，该无线通信模块4采用符合802.15.4协议的射频芯片，同时在射频电路上加入了PA(Power Amplifier，功率放大器)模块和LNA(Low NoiseAmplifier，低噪声放大器)模块，使射频芯片具有更大的发射功率和更高的接收灵敏度。

实施例二，一种基于无线传感器网络的应变力测量系统，如图3所示，包括：若干个应变力测量装置1、网关节点2和监测设备7；其中：

各所述应变力测量装置1安装在被监测物体的不同位置上，其实现细节如实施例一所述，用于实时测量所在位置的应变力数据；还用于自组织成mesh网络，并将测得的应变力数据打包成数据包通过该mesh网络传输，最终汇聚到网关节点2。

所述网关节点2用于通过所述mesh网络接收各所述应变力测量装置1发送的数据包；通过串口或其它接口和本地的监测设备7相连，用于把接收的数据包传输到监测设备7上，供本地监测；以及通过Ethernet(以太网)接口和Internet相连，用于把接收的数据包传输到Internet上，供远程监测使用；

所述监测设备7用于从所述数据包中提取应变力数据，并与预存的阈值进行比较，如果超过阈值则进行报警。

如果应变力测量装置1和网关节点2之间距离较远时，所述应变力测量系统还可以包括若干中继节点，用于将应变力测量装置1发送的应变力数据转发给所述网关节点2。

所述应变力测量装置1可以相互之间担当中继功能；担当中继功能的应变力测量装置1用于将另一应变力测量装置1发送的数据包直接或多跳转发给所述网关节点2。

图4是无线传感器网络的应变力测量装置1工作流程图。应变力测量装置1首先处于休眠状态A，定时醒来进入数据采集状态B。在数据采集状态B采集应变力数据后，进入数据处理状态C。在数据处理状态C进行数据处理，将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将该电阻值的变化量数据打包成一帧的数据包，然后，进入mesh网络组网状态D。在mesh网络组网状态D进行mesh组网后，进入数据发送状态E。在数据发送状态E发送应变力数据完成后，再进入休眠状态A。如果已经进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，在数据处理状态C进行数据处理后，将直接进入数据发送状态E。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的应变力测量装置，其特征在于，包括：

处理器模块、无线通信模块和数据采集模块；

所述数据采集模块用于在所述处理器模块的控制下进行应变力数据采集；得到对应于应变力的电压值信号；

所述处理器模块用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包；

所述无线通信模块用于在所述处理器模块的控制下进行mesh网络组网，并通过该mesh网络发送所述数据包。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述处理器模块上电后处于深度休眠状态，还用于定时的从深度休眠状态醒来，唤醒所述数据采集模块进行数据采集；以及在将采集的电压值信号转变为所述电阻值的变化量数据，并打包成一帧的数据包后唤醒所述无线通信模块发送该数据包；以及在发送完成后控制所述数据采集模块和无线通信模块进入休眠状态，然后也进入深度休眠状态。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述处理器模块还用于在醒来时检查是否已进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，如果是则控制所述无线通信模块直接发送所述数据包；否则控制所述无线通信模块先进行mesh组网后再发送所述数据包。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述处理器模块还用于获取所述无线通信模块和网络通信的路由，并保存为路由表；所述处理器模块通过检查是否保存了所述路由表来检查是否已进行过mesh组网，如果保存了所述路由表则判断已进行过组网；通过比较所保存的路由表，和所获取的无线通信模块和网络通信的路由，来检查网络结构是否变化，如果保存的路由表与获取的路由不一致，则判断网络结构发生了变化。

5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于：

所述数据采集模块采用压阻式传感器，其基片直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成直流差动桥电路。

6.一种基于无线传感器网络的应变力测量系统，其特征在于，包括：

若干个应变力测量装置、网关节点和监测设备；

各所述应变力测量装置安装在被监测物体的不同位置上，各包括：处理器模块、无线通信模块和数据采集模块；

所述数据采集模块用于在所述处理器模块的控制下进行应变力数据采集；得到对应于应变力的电压值信号；

所述处理器模块用于将采集的电压值信号转变为应变片发生形变后的电阻值的变化量数据，并将数据打包成数据包；

所述无线通信模块用于在所述处理器模块的控制下进行mesh网络组网，并通过该mesh网络发送所述数据包到所述网关节点；

所述网关节点用于通过所述mesh网络接收各所述应变力测量装置发送的所述数据包；和本地的监测设备相连，把接收的所述数据包传输到监测设备上；以及通过以太网接口和Internet相连，把接收的所述数据包传输到Internet上；

所述监测设备用于从所述数据包中提取应变力数据，并与预存的阈值进行比较，如果超过阈值则进行报警。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块上电后处于深度休眠状态，还用于定时的从深度休眠状态醒来，唤醒所述数据采集模块进行数据采集；以及在将采集的电压值信号转变为所述电阻值的变化量数据，并打包成一帧的数据包后唤醒所述无线通信模块发送该数据包；以及在发送完成后控制所述数据采集模块和无线通信模块进入休眠状态，然后也进入深度休眠状态。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块还用于在醒来时检查是否已进行过mesh组网，并且网络结构没有变化，如果是则控制所述无线通信模块直接发送所述数据包；否则控制所述无线通信模块先进行mesh组网后再发送所述数据包。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，各所述应变力测量装置中：

所述处理器模块还用于获取所述无线通信模块和网络通信的路由，并保存为路由表；所述处理器模块通过检查是否保存了所述路由表来检查是否已进行过mesh组网，如果保存了所述路由表则判断已进行过组网；通过比较所保存的路由表，和所获取的无线通信模块和网络通信的路由，来检查网络结构是否变化，如果保存的路由表与获取的路由不一致，则判断网络结构发生了变化。

10.如权利要求6到9中任一项所述的系统，其特征在于，各所述应变力测量装置中：

所述数据采集模块采用压阻式传感器，其基片直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成直流差动桥电路。

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