CN103177549A - 一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，包括由多个无线传感器网络节点模块组成的一个或多个无线传感器网络、无线信号收发模块、主控计算机、与主控计算机相接的数据服务器和网关节点；无线传感器网络节点模块包括数据采集及处理单元、控制器单元、数据存储单元、GPS定位模块、调试单元、显示单元和数据传输单元；数据采集及处理单元包括传感器桥接电路模块、信号放大器、滤波器、多路模拟开关、A/D转换器和微处理器；调试单元包括数据采集及处理单元升级调试接口、系统升级调试接口和数据传输单元升级调试接口。本发明设计合理监测的实时性高，智能化程度高，能够减小人为误差、降低工作难度，实用性强，推广应用价值高。

Description

一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，尤其是涉及一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统。

背景技术

近年来，全国性的桥梁建设正一步步的紧张进行，由于桥梁的建筑地域比较分散，多处于偏远地区，桥梁的现场多为高空作业，随着建设桥梁大面积的推进和覆盖，人们对桥梁建成后的健康安全关注越来越密切，桥梁的全面的自身环境的健康监测成为桥梁安全行业的一大重要任务。但现有技术中，桥梁健康监测系统的建立受传感器技术、桥梁工程、损伤识别和状况评估专家系统技术的制约，技术还不够成熟，还存着着监测精度低，施工困难等缺陷和不足，还不能很好地满足实用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其结构简单，设计合理，实现方便，监测的实时性高，智能化程度高，节约人力物力，能够减小人为误差、降低工作难度，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：包括由布设在桥梁上被监测区域内的多个无线传感器网络节点模块组成的一个或多个无线传感器网络、向桥梁管理人员所使用手持式通信设备发送指导信息和预警信息的无线信号收发模块、通过无线通信网络接入桥梁专家系统且根据无线传感器网络的检测结果对无线信号收发模块进行控制的主控计算机、与主控计算机相接的数据服务器和将无线传感器网络中各无线传感器网络节点模块所检测数据打包并通过无线传感器网络上传至主控计算机的网关节点，所述网关节点与主控计算机通过无线传感器网络无线连接，所述无线收发模块与主控计算机相接；所述无线传感器网络节点模块包括给系统中各用电单元供电的电源管理单元、用于采集桥梁结构健康数据并对采集到的数据进行分析处理的数据采集及处理单元、用于控制系统中各模块协调有序工作的控制器单元、用于数据存储的数据存储单元、用于实现定位的GPS定位模块、用于系统调试的调试单元、用于显示采集数据的显示单元和用于数据远程无线传输的数据传输单元，所述数据采集及处理单元和GPS定位模块均与控制器单元的输入端相接，所述数据存储单元、调试单元和数据传输单元均与控制器单元相接，所述显示单元与控制器单元的输出端相接；所述数据采集及处理单元包括依次相接的传感器桥接电路模块、信号放大器、滤波器、多路模拟开关、A/D转换器和微处理器，所述传感器桥接电路模块的输入端接有用于对桥梁健康数据进行采集的传感器组；所述调试单元包括与微处理器相接的数据采集及处理单元升级调试接口、与控制器单元相接的系统升级调试接口和与数据传输单元相接的数据传输单元升级调试接口；所述GPS定位模块上接有GPS天线；所述数据传输单元上接有数据传输天线。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述传感器组包括风速传感器、称重传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、加速度传感器和位移传感器。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述无线通信网络为CDMA网络、3G网络或Internet网络，所述数据传输单元为CDMA无线数据传输模块、3G无线数据传输模块或WIFI无线数据传输模块。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述微处理器为单片机ATmega128L。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述控制器单元为32位高速ARM7芯片SEP4020。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述显示单元为LCD显示电路。

上述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述无线信号收发模块为CDMA模块、3G模块或GPRS模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用模块化、集成化的设计，通过公用无线通信网络无线通信，无需布线，结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明无线传感器网络节点模块包括一个控制器单元，数据采集及处理单元中还包括有一个微处理器，采用双CPU的结构，增强了数据处理的能力，有助于提高数据处理速度，增强了监测的实时性。

3、本发明的智能化程度高，能够自动完成桥梁健康数据的采集功能，节约人力物力，操作使用便捷，解决了由于人工测定作业偏远不安全，而且数据在测量、记录、处理过程中难免引入人为的误差甚至错误，桥梁施工和运营期间人工测量数据工作难度大的问题；同时解决了光缆线路有线测试系统造成的高昂的测试成本，提升了现代的桥梁检测技术和健康监测技术水平。

4、本发明的实用性强，使用效果好，推广应用价值高。

综上所述，本发明结构简单，设计合理，实现方便，监测的实时性高，智能化程度高，节约人力物力，能够减小人为误差、降低工作难度，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明无线传感器网络节点模块的电路原理框图。

附图标记说明：

1-电源管理单元；    2-数据采集及处理单元；

2-1-传感器桥接电路模块；  2-2-信号放大器； 2-3-滤波器；

2-4-多路模拟开关；  2-5-A/D转换器；        2-6-微处理器；

2-7-传感器组；      3-控制器单元；         4-数据存储单元；

5-GPS定位模块；     5-1-GPS天线；

6-1-数据采集及处理单元升级调试接口；  6-2-系统升级调试接口；

6-3-数据传输单元升级调试接口；        7-显示单元；

8-数据传输单元；    8-1-数据传输天线；

9-无线传感器网络节点模块；     10-无线传感器网络；

11-手持式通信设备；            12-无线信号收发模块；

13-无线通信网络；   14-主控计算机；   15-数据服务器；

16-网关节点。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括由布设在桥梁上被监测区域内的多个无线传感器网络节点模块9组成的一个或多个无线传感器网络10、向桥梁管理人员所使用手持式通信设备11发送指导信息和预警信息的无线信号收发模块12、通过无线通信网络13接入桥梁专家系统且根据无线传感器网络10的检测结果对无线信号收发模块12进行控制的主控计算机14、与主控计算机14相接的数据服务器15和将无线传感器网络10中各无线传感器网络节点模块9所检测数据打包并通过无线传感器网络10上传至主控计算机14的网关节点16，所述网关节点16与主控计算机14通过无线传感器网络10无线连接，所述无线收发模块12与主控计算机14相接；所述无线传感器网络节点模块9包括给系统中各用电单元供电的电源管理单元1、用于采集桥梁结构健康数据并对采集到的数据进行分析处理的数据采集及处理单元2、用于控制系统中各模块协调有序工作的控制器单元3、用于数据存储的数据存储单元4、用于实现定位的GPS定位模块5、用于系统调试的调试单元、用于显示采集数据的显示单元7和用于数据远程无线传输的数据传输单元8，所述数据采集及处理单元2和GPS定位模块5均与控制器单元3的输入端相接，所述数据存储单元4、调试单元和数据传输单元8均与控制器单元3相接，所述显示单元7与控制器单元3的输出端相接；所述数据采集及处理单元2包括依次相接的传感器桥接电路模块2-1、信号放大器2-2、滤波器2-3、多路模拟开关2-4、A/D转换器2-5和微处理器2-6，所述传感器桥接电路模块2-1的输入端接有用于对桥梁健康数据进行采集的传感器组2-7；所述调试单元包括与微处理器2-6相接的数据采集及处理单元升级调试接口6-1、与控制器单元3相接的系统升级调试接口6-2和与数据传输单元8相接的数据传输单元升级调试接口6-3；所述GPS定位模块5上接有GPS天线5-1；所述数据传输单元8上接有数据传输天线8-1。

如图1和图2所示，本实施例中，所述传感器组2-7包括风速传感器、称重传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、加速度传感器和位移传感器。所述无线通信网络13为CDMA网络、3G网络或Internet网络，所述数据传输单元8为CDMA无线数据传输模块、3G无线数据传输模块或WIFI无线数据传输模块。所述微处理器2-6为单片机ATmega128L。所述控制器单元3为32位高速ARM7芯片SEP4020。所述显示单元7为LCD显示电路。所述无线信号收发模块12为CDMA模块、3G模块或GPRS模块。

本发明的工作原理及工作过程是：传感器组2-7中各传感器所采集到的数据通过传感器桥接电路模块2-1依次输出给信号放大器2-2和滤波器2-3，信号放大器2-2和滤波器2-3分别对信号进行放大和滤波处理，多路模拟开关2-4分时选择接通各传感器所输出的数据并输出给A/D转换器2-5，A/D转换器2-5对数据进行A/D转换后输出给微处理器2-6，微处理器2-6对数据进行分析处理后输出给控制器单元3，控制器单元3将数据存储在数据存储单元4，同时接收GPS定位模块5所输出的信息，控制器单元3对其接收到的信号进行分析处理后控制显示单元7显示采集数据，并通过数据传输单元8将数据传输给网关节点16，网关节点16将无线传感器网络10中各无线传感器网络节点模块9所检测数据打包并通过无线传感器网络10上传至主控计算机14，供主控计算机14分析处理，管理人员可以在主控计算机14上查看监测结果，同时，主控计算机14还可以将监测结果通过无线信号收发模块12发送指导信息和预警信息到桥梁管理人员所使用的手持式通信设备11上，供管理人员查看分析。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：包括由布设在桥梁上被监测区域内的多个无线传感器网络节点模块(9)组成的一个或多个无线传感器网络(10)、向桥梁管理人员所使用手持式通信设备(11)发送指导信息和预警信息的无线信号收发模块(12)、通过无线通信网络(13)接入桥梁专家系统且根据无线传感器网络(10)的检测结果对无线信号收发模块(12)进行控制的主控计算机(14)、与主控计算机(14)相接的数据服务器(15)和将无线传感器网络(10)中各无线传感器网络节点模块(9)所检测数据打包并通过无线传感器网络(10)上传至主控计算机(14)的网关节点(16)，所述网关节点(16)与主控计算机(14)通过无线传感器网络(10)无线连接，所述无线收发模块(12)与主控计算机(14)相接；所述无线传感器网络节点模块(9)包括给系统中各用电单元供电的电源管理单元(1)、用于采集桥梁结构健康数据并对采集到的数据进行分析处理的数据采集及处理单元(2)、用于控制系统中各模块协调有序工作的控制器单元(3)、用于数据存储的数据存储单元(4)、用于实现定位的GPS定位模块(5)、用于系统调试的调试单元、用于显示采集数据的显示单元(7)和用于数据远程无线传输的数据传输单元(8)，所述数据采集及处理单元(2)和GPS定位模块(5)均与控制器单元(3)的输入端相接，所述数据存储单元(4)、调试单元和数据传输单元(8)均与控制器单元(3)相接，所述显示单元(7)与控制器单元(3)的输出端相接；所述数据采集及处理单元(2)包括依次相接的传感器桥接电路模块(2-1)、信号放大器(2-2)、滤波器(2-3)、多路模拟开关(2-4)、A/D转换器(2-5)和微处理器(2-6)，所述传感器桥接电路模块(2-1)的输入端接有用于对桥梁健康数据进行采集的传感器组(2-7)；所述调试单元包括与微处理器(2-6)相接的数据采集及处理单元升级调试接口(6-1)、与控制器单元(3)相接的系统升级调试接口(6-2)和与数据传输单元(8)相接的数据传输单元升级调试接口(6-3)；所述GPS定位模块(5)上接有GPS天线(5-1)；所述数据传输单元(8)上接有数据传输天线(8-1)。

2.按照权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述传感器组(2-7)包括风速传感器、称重传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、加速度传感器和位移传感器。

3.按照权利要求1或2所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述无线通信网络(13)为CDMA网络、3G网络或Internet网络，所述数据传输单元(8)为CDMA无线数据传输模块、3G无线数据传输模块或WIFI无线数据传输模块。

4.按照权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述微处理器(2-6)为单片机ATmega128L。

5.按照权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述控制器单元(3)为32位高速ARM7芯片SEP4020。

6.按照权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述显示单元(7)为LCD显示电路。

7.按照权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征在于：所述无线信号收发模块(12)为CDMA模块、3G模块或GPRS模块。

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