CN103035109A - 一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统 - Google Patents
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本发明属于地下隧道环境领域，具体涉及一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统。包括至少一个无线发送节点和一个无线接收节点，所述无线发送节点由MEMS倾角传感模块、稳压模块、A/D转换模块、第一微处理器、温度传感器、第一无线收发模块和第一电源模块组成，所述无线接收节点由第二无线收发模块、第二微处理器和第二电源模块组成，第一无线收发模块和第二无线收发模块通过无线网络连接。本发明通过对无线倾角测量系统中的倾角信息进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，使其达到高精度的测量要求，并用无线网络进行数据传输，实现对隧道结构变化的准确、有效地实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及微机械系统(MEMS)、无线传感器网络(WSN)和倾角测量技术领域，具体涉及一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统。
背景技术
随着城市轨道交通的大力发展，地铁作为现代城市交通运输系统重要的一部分，在缓解城市尤其是特大城市交通压力和疏散城区人口等方面所起的作用日益凸显。隧道由于地层移动和岩土介质的复杂性、附近建筑施工载荷、地铁列车振动的长期循环作用等因素的影响，隧道管壁会产生一定的偏移。当偏移超出安全范围，隧道会发生塌方、透水等危及人身和财产安全的重大事故。因此，对地下隧道安全状况的实时监控也显得越来越重要。
由于地下隧道监控数据点种类多，并且分布分散，这些为地下隧道监控提出了更高的要求。无线传感器网络具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点，近年来，在环境监测、工矿监控等领域得到了广泛的应用。与传统倾角传感器相比，MEMS倾角传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了倾角传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。将MEMS技术和无线传感器网络技术相结合，用于环境安全健康检测，已经成为世界范围内土木工程领域研究的前沿方向。由于地下隧道环境恶劣、温度变化大、振动扰动频繁等因素，而在目前还没有一种有效结合微机械系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)技术，并实现行温度补偿、滤波和抗干扰处理的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，通过无线网络传输数据，实现体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高和便于安装的优点。
本发明要解决的是地下隧道缺少灵活、准确、有效监测的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，包括至少一个无线发送节点和一个无线接收节点，所述无线发送节点由MEMS倾角传感模块1、稳压模块2、A/D转换模块3、第一微处理器4、温度传感器5、第一无线收发模块6和第一电源模块7组成，其中：稳压模块2的输出端连接MEMS倾角传感模块1的输入端，MEMS倾角传感模块1的输出端连接A/D转换模块3的输入端，A/D转换模块3的输出端连接第一微处理器4，温度传感器5的输出端连接第一微处理器4，第一微处理器4与第一无线收发模块6双向连接；稳压模块2、温度传感器5、第一微处理器4、A/D转换模块3、第一无线收发模块6分别连接电源模块7；所述无线接收节点由第二无线收发模块8、第二微处理器9和第二电源模块10组成，其中：第二收发模块8与第二微处理器9双向连接，第二收发模块8和第二微处理器9分别连接第二电源模块10；第二微处理器9通过串口232与计算机终端11双向连接；第一无线收发模块6和第二无线收发模块8通过无线网络连接；MEMS倾角传感模块1监测地下隧道的变形输出模拟信号，通过A/D转换模块3转换成数字信号传送到第一微处理器4；温度传感器5负责监测地下隧道温度信息并传送给第一微处理器4用于补偿倾角传感器所受温度影响；第一微处理器4具有数据处理，实现倾角数据的温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据传送给第一无线收发模块6；第一无线收发模块6负责利用无线网络进行数据的无线传输；无线接收节点的第二无线收发模块8收到信息后，将其发送给第二微处理器9，第二微处理器9将通过RS232串口协议将接收到的数据包传送给计算机终端11进行数据处理，计算机终端11用于解析数据帧信号，实时绘制倾角曲线、数据保存和采样周期设置。
本发明中，所述MEMS倾角传感模块1用于检测盾构隧道内衬砌圆环形变的倾角信息，采用体积小、功耗低、便于安装高精度MEMS的倾角测量芯片，保证检测到隧道微小的形变。
本发明中，所述稳压模块2用于输出稳定电压为MEMS倾角传感模块供电，采用高精度的稳压芯片保证输出电压压差不超过±20mV为MEMS倾角传感模块供电。
本发明中，所述A/D转换模块3用于将MEMS倾角传感模块输出的模拟信号转换成数字信号传送到第一微处理器4，采用16位或24位A/D转换芯片保证MEMS倾角模块输出信息不丢失；所述微处理器4用于对倾角信息进行滤波处理消除地铁振动的影响，通过提取温度传感器生成的温度信息进行温度补偿，打包高精度的倾角信息生成数据帧信号。
本发明中，所述温度传感器5用于监测隧道内环境温度，采用高分辨率的数字式温度传感器实时监测倾角传感器所在点的温度，得到修正倾角信息的温度信息。
本发明中，所述第一无线收发模块6和第二无线收发模块8分别用于通过无线网络无线传输微处理器已经处理的数据。
本发明中，所述电源模块7用于稳压模块2、A/D转换模块3、微处理器4、温度传感器5和无线收发模块6供电。
本发明中，所述无线倾角测量系统中无线发送节点和无线接收节点之间的通信方式为：无线网络协议。
本发明中，所述无线倾角测量系统与计算机终端的通信方式为：RS232。
本发明中，所述计算机终端用于解析数据帧信号，实时绘制倾角曲线、数据保存和采样周期设置。
本发明中，所述数据帧信号的数据结构包括：数据头字段、节点编号字段、数据字段、校验字段和数据尾字段；
所述数据帧信号的数据结构包括：
数据头字段：用于标定所述数据信息的起始；
节点编号字段：用于标定所述倾角传感器节点的编号；
数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；
校验字段：用于校验发送数据是否正确；
数据尾字段：用于标定所述数据信息的结束。
本发明对所述无线倾角测量系统中的倾角信息进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，使其达到高精度的测量要求，并用无线网络进行数据传输，实现对隧道结构变化的准确、有效地实时监测。
附图说明
图1为基于无线倾角测量系统的地下隧道安全监测应用场景示意图；
图2为本发明的无线倾角测量系统中MEMS倾角传感模块的倾斜姿态示意图；
图3为本发明的无线倾角测量系统框图；
图4为本发明的无线倾角测量系统程序流程图。
图中标号：1为MEMS倾角传感模块，2为稳压模块，3为A/D转换模块，4为第一微处理器，5为温度传感器，6为第一无线收发模块，7为第一电源模块，8为第二无线收发模块，9为第二微处理器，10为第二电源模块，11为计算机终端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明中无线倾角测量系统的无线发送节点A、B、C、D、E、F主要安装在隧道衬砌圆环的管片上，包括封顶块、邻接块、标准块、封底块和块与块间以环向螺连接构成的纵向接头等不同部位；各节点利用无线方式传输数据，通过无线接收节点汇聚发送过来的数据信息并上传到计算机终端，组成无线倾角测量系统。本发明的无线倾角测量系统可以实时测量隧道管片内各部位的倾斜角度，通过组合计算得出管片的实际形变；传感器内进行滤波、抗干扰处理和温度补偿，去除地铁振动噪声和温度的影响，使其达到高精度的测量要求；使用无线网络进行数据传输，简化了布线的要求，更加适合地下隧道复杂的环境，实现对隧道结构变化的准确、有效地实时监测。
本发明中，无线倾角测量系统中MEMS倾角传感模块1用于检测所安装平面的两个轴向倾斜程度，如图2所示，当倾角检测芯片处于平衡状态时，其X轴Y轴与水平方向成0°，与重力加速度方向成90°。当MEMS倾角传感模块发生倾斜时，根据重力加速度在倾角检测芯片两个灵敏轴上不同的分量，MEMS倾角传感模块输出不同的倾角信息，通过数据处理，得到其倾斜角度。在本实例中，两轴的倾斜角度介于±30°之间，倾角检测芯片的输出为模拟电压信号，根据角度的不同而输出0.5V~4.5V不等的电压。
本发明的无线倾角测量系统的第一微处理器4具有温度补偿、数字滤波去干扰和数据打包的功能。第一微处理器通过采用数字滤波器的方法，去除地铁运行产生的高频振动噪声，保证倾角信息的准确性；通过提取温度传感器生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，并将数据打包，生成数据帧信号提供给第一无线收发模块6。
温度传感器5采用高分辨率数字式温度传感器，实时监测倾角传感器所在点的温度，为微处理器实现对MEMS倾角传感模块的温度补偿提供温度信息。无线收发模块6用于将数据信息通过无线网络进行接收和发送。第一电源模块7用于稳压模块2、A/D转换模块3、第一微处理器4、温度传感器5和第一无线收发模块6供电。
如图3所示，应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统包括至少一个无线接收节点，至少一个无线发送节点和计算机终端；所述无线发送节点至少包括MEMS倾角传感模块1、稳压模块2、A/D转换模块3、第一微处理器4、温度传感器5、第一无线收发模块6和第一电源模块7。无线接收节点至少包括第二无线收发模块8、第二微处理器9和第二电源模块10。
本发明的无线倾角测量系统的无线收发模块之间的通信方式为：无线网络协议；无线收发模块与计算机终端的通信方式为：RS232。本发明涉及的数据帧信号的数据结构包括——数据头字段：用于标定所述数据信息的起始；节点编号字段：用于标定所述倾角传感器节点的编号；数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；校验字段：用于校验发送数据是否正确；数据尾字段：用于标定所述数据信息的结束。
本发明的无线倾角测量系统的工作步骤为：整个结构由电源模块供电。第一电源模块7经过稳压模块2的高精度稳压芯片后，给MEMS倾角传感模块1供电，保证其输出的准确性。通过MEMS倾角传感模块1测量隧道管片的姿态变化，输出模拟电压信号。模拟电压信号经过A/D转换模块3的16位或24高分辨率的A/D芯片转换成数字信号，提供给第一微处理器4。高分辨率数字温度传感器5实时监测节点所在点的温度，同时将温度信息提供给第一微处理器4。第一微处理器4采用数字滤波器方法，去除地铁运行产生的高频振动噪声，保证倾角传感器信息的准确性；并通过提取温度传感器5生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，以一定格式生成数据帧信号提供给无线收发模块6。
无线发送节点的第一无线收发模块6通过无线网络将微处理器提供的数据信息无线传输给无线接收节点的第二无线收发模块8。第二电源模块为第二无线收发模块8和第二微处理器9供电，第二无线收发模块8将接收到的信息提供给第二微处理器9，通过RS232串口协议将接收到的数据包传送给计算机终端11进行数据处理。计算机终端对接收到的数据包进行解析，实时绘制倾角曲线，完成数据保存和采样周期设置。
如图4所示，本发明的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统的程序流程为：计算机终端窗口界面初始化之后，触发控制指令通过RS232串口发送给无线接收节点，包括数据接受的开始与停止，接受周期的设置和串口的选择。随后等待第二无线收发模块传回数据。接收到数据之后，计算机终端对其进行数据处理，解析数据帧信号，实时绘制倾角曲线、数据保存和采样周期设置。
无线收发节点经过上电初始化后，无线接收节点负责先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其他节点加入该网络。随后等待计算机终端发送接收指令，当收到指令后，侦听有无无线发送节点发送数据，如果有则开始接收数据，没有则继续侦听等待。在接收到数据之后，通过串口将数据传送给计算机终端。
无线发送节点初始化之后，加载A/D转换模块和温度传感器数据传送的总线驱动，然后开始加入无线网络。成功加入无线网络后，开始先由MEMS倾角传感模块和温度传感器定时采集倾角信息和温度信息，经由第一微处理器进行滤波、温度补偿和数据打包的数据处理，通过第一无线收发模块，将数据包传送给无线接收节点；发送完成后开始进入休眠状态，然后等待定时器唤醒，继续定时采集倾角信息和温度信息。
上述实例为本发明较佳的优选实施而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于包括至少一个无线发送节点和一个无线接收节点，所述无线发送节点由MEMS倾角传感模块(1)、稳压模块(2)、A/D转换模块(3)、第一微处理器(4)、温度传感器(5)、第一无线收发模块(6)和第一电源模块(7)组成，其中：稳压模块(2)的输出端连接MEMS倾角传感模块(1)的输入端，MEMS倾角传感模块(1)的输出端连接A/D转换模块(3)的输入端，A/D转换模块(3)的输出端连接第一微处理器(4)，温度传感器(5)的输出端连接第一微处理器(4)，第一微处理器(4)与第一无线收发模块(6)双向连接；稳压模块(2)、温度传感器(5)、第一微处理器(4)、A/D转换模块(3)、第一无线收发模块(6)分别连接电源模块(7)；所述无线接收节点由第二无线收发模块(8)、第二微处理器(9)和第二电源模块(10)组成，第二收发模块(8)与第二微处理器(9)双向连接，第二收发模块(8)和第二微处理器(9)分别连接第二电源模块(10)；第二微处理器(9)通过串口232与计算机终端(11)双向连接；第一无线收发模块(6)和第二无线收发模块(8)通过无线网络连接；MEMS倾角传感模块(1)监测地下隧道的变形输出模拟信号，通过A/D转换模块(3)转换成数字信号传送到第一微处理器(4)；温度传感器(5)负责监测地下隧道温度信息并传送给第一微处理器(4)用于补偿倾角传感器所受温度影响；第一微处理器(4)具有数据处理，实现倾角数据的温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据传送给第一无线收发模块(6)；第一无线收发模块(6)负责利用无线网络进行数据的无线传输；无线接收节点的第二无线收发模块(8)收到信息后，将其发送给第二微处理器(9)，第二微处理器(9)将通过RS232串口协议将接收到的数据包传送给计算机终端(11)进行数据处理，计算机终端(11)用于解析数据帧信号，实时绘制倾角曲线、数据保存和采样周期设置。
2.根据权利要求1所述的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于所述稳压模块(2)采用高精度的稳压芯片，保证输出电压压差不超过±20mV。
3.根据权利要求1所述的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于所述A/D转换模块(3)采用16位或24位A/D转换芯片。
4.根据权利要求1所述的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于所述温度传感器(5)采用高分辨率的数字式温度传感器。
5.根据权利要求1所述的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于第一无线收发模块(6)和第二无线收发模块(8)之间的无线传输方式为：无线网络协议。
6.根据权利要求1所述的应用于地下隧道检测的无线倾角测量系统，其特征在于所述数据帧信号的数据结构包括：数据头字段、节点编号字段、数据字段、校验字段和数据尾字段；
数据头字段：用于标定所述数据信息的起始；
节点编号字段：用于标定所述倾角传感器节点的编号；
数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；
校验字段：用于校验发送数据是否正确；
数据尾字段：用于标定所述数据信息的结束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130410 |