CN102299948B - 振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统及方法，它主要由若干个无线传感器节点和一个数据处理终端组成；本发明借助无线传感网络技术低成本、自组织、低功耗的特点，构建了一种适合极端环境动荷载作用下建筑结构层间位移的无线检测系统，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作；利用角速度传感器和加速度器的共同工作，保证测量位移数据的同向性并获得所需的层间位移反应。

Description

振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑工程检测技术领域以及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种适用于极端环境动荷载作用下建筑结构层间位移的无线检测系统。

背景技术

众所周知，强风、地震以及爆炸等极端环境往往会给人类社会带来巨大的灾难，严重地危害人们的生命财产安全。我国2008年汶川地震、2009年玉树地震、2004年横扫浙江的“云娜”超强台风所造成的损失均是触目惊心的。为更好地组织灾后救助和重建工作，对房屋建筑特别是医院和学校等重要建筑进行安全检测评估是灾后需开展的重要工作内容。

专业人员借助于仪器设备进行现场检测是当前获取灾后结构层间位移(侧移)及扭转的主要手段。限于实际条件的制约，这种检测手段的局限性在于：                                                

现场检测需要结构工程领域的专业人员参与，并需要仪器设备的投入，对于受灾区域大量建筑结构的现场检测将需要大量人力和物力的投入；检测需一定的时间才能完成，难以实现重要建筑的即时安全检测评估；

灾后的现场检测得到的检测数据是灾后结构最终的层间位移及扭转，结构层间位移及扭转反应的时程履历则无法获取，因此也不能得到最大的层间位移及扭转反应并确定灾害中结构及其构件所经历最大损伤。与此同时，利用位移传感器测量位移数据需静止的参考点，而对动荷载作用下的建筑物而言，很难获得这样静止的参考点，因此也很难通过常用的动态位移传感器检测手段对极端环境动荷载作用下建筑结构的位移反应进行检测。

基于以上的工程背景，为顺利进行建筑结构灾后的安全评估，提供灾后救助和重建工作所需的基础工程数据，利用现有的技术和手段开发一种适用于极端环境动荷载作用下建筑结构层间位移的检测系统迫在眉睫。

无线传感器网络技术集传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。我国对无线传感器技术的研究起步较晚，在建筑行业上的应用不多。无线传感网络技术主要应用在工业自动化、农业自动化、医用设备控制等方面，在建筑结构上的应用则尚处于起步阶段。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，将无线传感器网络技术应用到建筑结构层间位移及扭转反应的检测中，通过测量技术和计算分析的有机结合，提供一种振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统，它主要由若干个无线传感器节点和一个数据处理终端组成；其中，所述无线传感器节点由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块及电源模块组成；传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连；数据处理终端由无线通信模块、数据分析模块和电源模块组成；无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连；无线通信模块与数据分析模块相连。

进一步地，所述传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，单片机处理器由处理器、存储器和A/D转换器组成，存储器和A/D转换器分别与处理器相连，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与A/D转换器相连。

一种应用上述无线检测系统检测振动环境下建筑结构层间位移的方法，包括以下步骤：

（1）运行振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统：无线传感器节点和数据处理终端均进行初始化；

（2）无线传感器节点采集振动信号并保存：无线传感器节点平时态为数据监测状态，仅对各自测点进行加速度数据的监测，但不保存和传输数据，当任一无线传感器节点自动判断有振动发生，发送警告命令给其它无线传感器节点，所有节点开始同步采集和保存数据，三维加速度传感器和三维角速度传感器对加速度和角速度信号的采集，并将采集到的数据信号进行模数转换；无线传感器节点判断振动发生的标准是：在两个连续的时间段内，三轴加速度中的任意一轴加速度是否发生超过设定阈值的变化；

（3）无线传感器节点停止采集振动信号并保存：在数据采集过程中，如果节点判断振动已结束，则向数据处理终端发送一条检测结束的请求；当数据处理终端确定结构振动结束，发送命令给所有节点，要求节点停止数据采集和保存；无线传感器节点判断振动结束的标准是：在连续半秒的数据采集时间段内，节点的三轴加速度传感器中的三轴加速度均没有发生超过设定阈值的变化；

（4）无线传感器节点发送数据，数据处理终端接收数据：当数据处理终端接收到全部节点的检测结束请求后，认为结构振动停止，同时发送终止数据采集和保存的命令；随后，无线传感器节点接收命令，停止数据采集和保存，并将记录下的数据发送给数据处理终端，数据处理终端接收数据并保存数据；无线传感器节点完成发送后进入平时检测状态；

（5）数据处理终端处理数据：无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由数据处理终端进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应。 

本发明的有益效果是：

1、借助无线传感网络技术低成本、自组织、低功耗的特点，构建了一种适合极端环境动荷载作用下建筑结构层间位移的无线检测系统，在功能上做到真正意义上的零线路布置，长期全天候工作；

2、将无线传感器网络技术应用到结构层间位移及扭转反应的检测中，无需专业人员的参与就能准确实时地得到极端环境下建筑结构的层间位移及扭转反应，为结构的灾害评估提供最原始的工程数据。

3、通过测量技术和计算分析的有机结合，根据建筑物的振动特性，利用角速度传感器和加速度器的共同工作，保证测量位移数据的同向性并获得所需的层间位移反应。

4.无线传感器节点以及数据处理终端布置位置为结构楼层的表面，因此可实现检测系统的快速无损安装和拆卸。

附图说明

图1为振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统的结构示意图；

图2 为本发明的无线传感器节点的结构框图；

图3为本发明的数据处理终端硬件结构框图；

图4为本发明的无线传感器节点的软件流程图；

图5为本发明的数据处理终端的软件流程图；

图6为本发明的数据分析模块的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所述，本发明振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统主要由若干个无线传感器节点和一个数据处理终端组成。无线传感器节点测量测点处建筑结构振动的三维加速度和三维角速度，它不仅采集数据信号，而且还具有无线网络的数据路由功能。当两个节点距离太远超过无线通信距离或某条网络链接中断时，无线传感器节点可以自动通过其它的节点自组织网络，完成测量数据有效而可靠的传输到数据处理终端；数据处理终端是本系统的控制器，它不仅是接收测量的数据，而且当振动停止时，发送命令给所有节点停止保存数据；数据处理终端完成数据的融合处理和计算分析，最终得到在极端环境动荷载作用下的建筑结构的层间位移及扭转反应。

如图2所述，无线传感器节点由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块及电源模块组成。传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连。其中，传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与A/D转换器相连，具有加速度和角速度数据采集功能，由单片机处理模块和无线通信模块控制。通过采用三维加速度传感器和三维角速度传感器实现加速度和角速度数据的采集，并将采集到的数据信号进行模数转换，转换为数字信号发送给单片机处理器模块。单片机处理器由处理器、存储器和A/D转换器组成，存储器和A/D转换器分别与处理器相连，单片机处理器接收数据并存储，处理器控制无线发射模块，将处理后的数据发送给下一个节点。所有模块要需要电源模块供给电能。

其中，三维加速度传感器可以采用AD公司ADXX335型号的产品，角速度传感器可以采用ST公司LRP530AL和LY530ALH型号的产品，处理器可以采用TI公司CC2430型号的产品，无线通信模块可以采用TI公司推荐的2.4GHz的PCB天线的产品，但均不限于此。电源模块的输出电压为3.3V和5V。

如图3所述，数据处理终端由无线通信模块、数据分析模块、电源模块组成。无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连；无线通信模块与数据分析模块相连。无线通信模块接收其他节点发送的数据，并且将数据传输给数据分析模块，数据分析模块对数据进行融合处理和计算分析，最终得到在极端环境动荷载作用下的建筑结构的层间位移及扭转反应。

应用本发明的无线检测系统检测振动环境下建筑结构层间位移的方法，包括以下步骤：

1．运行振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统

无线传感器节点和数据处理终端均进行初始化。

2.无线传感器节点采集振动信号并保存

三维加速度传感器和三维角速度传感器对加速度和角速度信号的采集，将采集到的数据信号进行模数转换。如图4所述，节点经过初始化后进行模式选择。节点平时态为数据监测状态，仅对各自测点进行加速度数据的监测，但不保存和传输数据。模式一是无线传感器节点自动判断是否有振动发生。如果有振动发生则发送警告命令给其它无线传感器节点，所有节点收到命令后开始同步采集和保存数据。模式二是无线传感器节点接收到其它节点的警告命令后进行数据采集和保存。无线传感器节点判断发生振动的标准是，在两个连续的时间段内，三轴加速度中的任意一轴加速度是否发生超过设定阈值的变化。所述设定阈值为0.01g。

3.无线传感器节点停止采集振动信号并保存

如图4所述，在数据采集过程中，如果节点判断振动已结束，则向数据处理终端发送一条检测结束的请求。当数据处理终端确定结构振动结束，发送命令给所有节点，要求节点停止数据采集和保存。无线传感器节点判断振动结束的标准是，在连续半秒的数据采集时间段内，节点的三轴加速度传感器中的三轴加速度均没有发生超过设定阈值的变化。所述设定阈值为0.01g。

4.无线传感器节点发送数据，数据处理终端接收数据

如图5所述，数据处理终端初始化之后需接收每个节点检测结束的请求。当数据处理终端接收到全部节点的检测结束请求后，认为结构振动停止，同时发送终止数据采集和保存的命令。随后，无线传感器节点接收命令，停止数据采集和保存，并将记录下的数据发送给数据处理终端，数据处理终端接收数据并保存数据；无线传感器节点完成发送后进入平时检测状态。

5.数据处理终端处理数据

无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由数据处理终端进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应。

Claims (1)

1.一种检测振动环境下建筑结构层间位移的方法，该方法在振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统上实现，所述无线检测系统主要由若干个无线传感器节点和一个数据处理终端组成；其中，所述无线传感器节点由传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块和电源模块组成；传感器模块、单片机处理器模块、无线通信模块分别与电源模块相连，传感器模块、无线通信模块分别与单片机处理模块相连；数据处理终端由无线通信模块、数据分析模块和电源模块组成，无线通信模块、数据分析模块分别与电源模块相连；无线通信模块与数据分析模块相连；所述传感器模块包含三维加速度传感器和三维角速度传感器，单片机处理器模块由处理器、存储器和A/D转换器组成，存储器和A/D转换器分别与处理器相连，三维加速度传感器和三维角速度传感器分别与A/D转换器相连；其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）运行振动环境下建筑结构层间位移的无线检测系统：无线传感器节点和数据处理终端均进行初始化；

（2）无线传感器节点采集振动信号并保存：无线传感器节点平时态为数据监测状态，仅对各自测点进行加速度数据的监测，但不保存和传输数据，当任一无线传感器节点自动判断有振动发生，发送警告命令给其它无线传感器节点，所有节点开始同步采集和保存数据，三维加速度传感器和三维角速度传感器对加速度和角速度信号的采集，并将采集到的数据信号进行模数转换；无线传感器节点判断振动发生的标准是：在两个连续的时间段内，三轴加速度中的任意一轴加速度是否发生超过设定阈值的变化；

（3）无线传感器节点停止采集振动信号并保存：在数据采集过程中，如果节点判断振动已结束，则向数据处理终端发送一条检测结束的请求；当数据处理终端确定结构振动结束，发送命令给所有节点，要求节点停止数据采集和保存；无线传感器节点判断振动结束的标准是：在连续半秒的数据采集时间段内，节点的三轴加速度传感器中的三轴加速度均没有发生超过设定阈值的变化；

（4）无线传感器节点发送数据，数据处理终端接收数据：当数据处理终端接收到全部节点的检测结束请求后，认为结构振动停止，同时发送终止数据采集和保存的命令；随后，无线传感器节点接收命令，停止数据采集和保存，并将记录下的数据发送给数据处理终端，数据处理终端接收数据并保存数据；无线传感器节点完成发送后进入平时检测状态；

（5）数据处理终端处理数据：无线传感器节点测量得到的三维角速度测量数据，由数据处理终端进行积分运算，得到结构的扭转反应时程；由此进一步对各层测点的加速度反应进行局部坐标系向整体坐标系的转换，统一所有加速度反应测量数据的坐标系，使其具有方向可比性；对整体坐标系下的加速度反应进行积分运算得到各测点处的位移反应，并由各层测点的位移反应差计算得到结构的层间位移反应。

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