CN104299392A - 一种用于土木结构健康监测的无线传感节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于土木结构健康监测的无线传感节点，其包括传感器接口电路、无线通信电路、微处理电路和电源管理电路，传感器接口电路包括至少两个接口，接口的输入端与外接传感器相连接，用于接收外接传感器采集的监测数据，微处理电路分别与传感器接口电路和无线通信电路相连接。本发明可监测土木结构多种不同的物理量，监测更全面准确其体积小、易布设、易拆装、功耗低、可靠性高。

Description

一种用于土木结构健康监测的无线传感节点

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种用于土木结构健康监测的无线传感节点。

背景技术

结构健康监测技术是用探测到的响应，结合系统的特性分析，来评价结构损伤的严重性、定位损伤位置以及给出修复策略等。结构的状况是由分析采集到的信号获得的，因此，信号采集技术是结构健康监测的前提。同时，传感器系统是结构健康监测系统的重要组成部分，是信号采集技术的必要手段。

目前，土木工程健康监测领域常用的传感器包括加速度计、应变计、位移计、温度计、风速风向仪、倾角计等。通常情况下，系统采用有线传输方式实现传感器的信号采集。这种方式接线复杂、布线繁琐、信号远距离传输误差大、后期维护费用高昂，给工程中的应用带来的诸多不便。

另外，土木工程领域传感器种类多样，且将待测物理量转换为被测信号的形式也不尽相同，如模拟信号、数字信号等。对这些信号的采集、处理和传输通常需要进行专门的设计，包括相应硬件设计、软件编制，增加了结构健康监测系统的繁琐性，目前尚没有一种通用的技术手段。

因此，一种稳定性更高、信息采集准确、信号传输迅速、中心处理可靠、布设工艺方便，用于多类型传感器的土木工程健康监测的无线传感节点亟待提出。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种性能优越、安装简便的用于结构整体、局部以及环境性态监测的无线传感节点，该节点可采集到多种不同类型传感器监测数据，监测更全面准确，兼容性好，体积小，易布置，易拆装，功耗低，可靠性高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于土木结构健康监测的无线传感节点，包括传感器接口电路、无线通信电路、微处理电路和电源管理电路，传感器接口电路包括至少两个接口，接口的输入端与外接传感器相连接，用于接收外接传感器采集的监测数据，微处理电路分别与传感器接口电路和无线通信电路相连接。

本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点包括传感器接口电路、无线通信电路、微处理电路和电源管理电路。

传感器接口电路包括至少两个接口，接口的输入端与外接传感器相连接，用于接收外接传感器采集的监测数据，通过传感器接口电路与多个不同类型的外接传感器连接，用于接收外接传感器的监测数据，多个不同类型的外接传感器包括：压电加速度计、力平衡加速度计、机械式风速仪、模拟信号倾角计、振弦式应变计、数字式温度计、三维超声风速仪、数字信号倾角计及电容雨量计，可监测多种不同类型的物理量，监测的范围更广，更准确。

微处理电路与传感器接口电路连接，传感器接口电路将监测数据传递给微处理电路，微处理电路对监测数据进行分析、处理和存储。

无线通信电路包括无线接收电路和无线发送电路，无线通信电路与微处理电路相连接，负责节点与控制中心之间的通信联系，无线接收电路用于接收控制中心发送的控制信号，无线发送电路用于将分析处理后的数据信息发送给控制中心。

电源管理电路分别与传感器接口电路、微处理电路和无线通信电路连接，用于对传感器接口电路、微处理电路、无线通信电路供电。

本发明与现有技术相比，其利用无线通信的方法解决了传统有线传输方式接线复杂、布线繁琐、信号远距离传输误差大、后期维护不便等缺点，同时本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点可通用于监测多个不同的物理量，故一个地点只需一个无线传感节点就可完成多个不同物理量的监测，更易控制。

作为优选的方案，微处理电路包括：微处理芯片、调理电路、时钟电路和存储器，微处理芯片分别与调理电路、时钟电路和存储器相连接。

采用上述优选的方案，微处理电路采用微处理芯片、调理电路、时钟电路和存储器来实现本发明无线传感节点的工作，可靠性高。微处理芯片用于控制无线传感节点中的各个电路进行工作；调理电路负责对监测数据进行分析和调理；时钟电路为无线传感节点提供实时的时钟管理功能；存储器用于对监测数据进行存储。

作为优选的方案，传感器接口电路包括：模拟信号接口电路，模拟信号接口电路的输入端与模拟外接传感器连接，用于接收模拟监测数据；数字信号接口电路，数字信号接口电路的输入端与数字外接传感器连接，用于接收数字监测数据。

采用上述优选的方案，由于外接传感器将被检测的物理量可转化为不同形式的数据，如模拟数据和数字数据。针对不同形式的数据，采用不同的采集、处理和传输通道。故模拟信号接口电路用于采集模拟监测数据，数字信号接口电路用于采集数字监测数据，故本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点可通用于不同形式的监测数据。

作为优选的方案，模拟信号接口电路包括模数转换器，用于将模拟监测数据从模拟量转为数字量。

采用上述优选的方案，为了微处理电路对模拟监测数据进行更好分析和处理，在模拟信号接口电路里首先将模拟监测数据由模拟量转为数字量。

作为优选的方案，调理电路包括：模拟信号调理电路，模拟信号调理电路与模拟信号接口电路的输出端连接；数字信号调理电路，数字信号调理电路与数字信号接口电路的输出端连接。

采用上述优选的方案，对于不同形式的监测数据采用不同的调理电路调理，以便微处理芯片分析和处理。虽然模拟信号接口电路已经将模拟监测数据从模拟量转为数字量，但是其与直接从外接传感器得到的数字监测数据仍存在不同，故采取模拟信号调理电路与数字信号调理电路分别对模拟监测数据和数字监测数据进行调理，以便后续微处理芯片处理。

作为优选的方案，微处理电路还包括GPS电路，GPS电路与微处理芯片相连接。

采用上述优选的方案，微处理电路还包括GPS电路，GPS电路与微处理芯片相连接，用于为无线传感节点提供同步时钟功能和定位功能。采用GPS同步时钟功能，便于记录不同时刻无线传感节点所得到的监测数据。同时，GPS电路还具有准确的定位功能，可以对无线传感节点的位置进行准确定位，便于控制中心进行控制。同时，将无线传感节点采集到的监测数据、采集时间、采集地点进行同一绑定，将绑定后的信息传输给存储器或控制中心进行存储，便于控制中心后续统一的分析和处理不同节点不同时刻的监测数据。

作为优选的方案，无线传感节点还包括过滤放大电路，过滤放大电路的输入端与外接传感器连接，过滤放大电路的输出端与传感器接口电路的接口输入端连接。

采用上述优选的方案，各个外接传感器间存在着或多或少的信号影响，为了获得准确的监测数据，无线接口电路的接口与外接传感器间通过过滤放大电路相连接，过滤放大电路可以有效放大该接口所连接的外接传感器采集到的监测数据，同时将其他接口上的外接传感器的干扰信号过滤。通过过滤放大电路，可以得到更准确的监测数据。

作为优选的方案，无线通信电路采用ZigBee协议2.4GHz的载波频段传输数据。

采用上述优选的方案，采用ZigBee协议2.4GHz的载波频段传输数据，传输速率更快，无线传感节点体积更小。

作为优选的方案，电源管理电路对电压采用两级变换结构，第一级采用直流电压转换芯片实现3.7V到15V的转变，第二级采用低压差线性稳压器芯片实现±15V到±12V的转变。

采用上述优选的方案，无线传输节点中的各个电路的供电电压不同，电源管理电路对电压设计采用了两级变换结构，以便对不同供电电压的各个电路进行供电，提高各电路电压的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点整体电路图。

图2是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中模拟信号接口电路电路图。

图3是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中数字信号接口电路电路图。

图4是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中微处理电路电路图。

图5是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中存储器电路图。

图6是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中无线通信电路电路图。

图7是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中GPS电路电路图。

图8是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中实时时钟电路图。

图9是本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点中电源管理电路电路图。

其中：1外接传感器；2模拟信号接口电路；3数字信号接口电路；4模拟信号调理电路；5数字信号调理电路；6时钟电路；7GPS电路；8微处理芯片；9存储器；10无线接收电路；11无线发送电路；12电源管理电路。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，如图1-9所示，在本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点的其中一些实施例中，

一种用于土木结构健康监测的无线传感节点包括：传感器接口电路、模拟信号调理电路4、数字信号调理电路5、时钟电路6、GPS电路7、微处理芯片8、存储器9、无线接收电路10和无线发送电路11。

如图2和图3所示，由于外接传感器种类不同将待测物理量转换为被测信号的形式也不尽相同，传感器接口电路包括模拟信号接口电路2和数字信号接口电路3。模拟信号接口电路3包括：多路选择器和模数转换器，多路选择器可对接口通道进行选择，模数转换器实现将采集到的模拟量转变为数字量。模拟信号接口电路2提供8个模拟信号接口，数字信号接口电路3提供2个数字信号接口。

传感器接口电路与不同类型的外接传感器1连接，外接传感器1包括：压电加速度计、力平衡加速度计、机械式风速仪、模拟信号倾角计、振弦式应变计、数字式温度计、三维超声风速仪、数字信号倾角计及电容雨量计，可监测多种不同类型的物理量，监测的范围更广，更准确。使用传感器接口电路与外接传感器1相连接，将多个不同类型的外接传感器1采集到的监测数据发送给无线传感节点，与传统只采集单一信号的传感节点相比，可监测的范围更广，性能更优越。

模拟信号接口电路2的输出端与模拟信号调理电路4连接，数字信号接口电路3的输出端与和数字信号调理电路5连接。模拟信号接口电路2虽然内部设有模数转换器，可将模拟监测数据的模拟量转为数字量，但是其与直接从外接传感器1得到的数字监测数据仍存在不同，故采取模拟信号调理电路4与数字信号调理电路5分别对模拟监测数据和数字监测数据进行调理，以便后续微处理芯片8处理。

微处理芯片8分别与模拟信号调理电路4、数字信号调理电路5、时钟电路、GPS电路7、存储器9、无线接收电路10和无线发送电路11相连接。

如图4所示，微处理芯片8采用MSP430F5438处理器芯片，通过对该芯片进行程序编写和烧录，来控制整个无线传感节点工作，控制其他各个电路进行对数据的采集、处理、转换和发送等任务。

如图8所示，时钟电路6与微处理芯片8相连接，用于为无线传感节点提供实时的时钟管理功能，便于微处理芯片对其他各个电路及电路的控制

如图7所示，GPS电路7可以提供无线传感节点同步时钟功能和定位功能。为了使本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点具有更准确的时钟功能，采用GPS同步时钟功能，便于记录不同时刻无线传感节点所得到的监测数据。同时，GPS电路还具有准确的定位功能，可以对无线传感节点的位置进行准确定位，便于控制中心进行控制。同时，将无线传感节点采集到的监测数据、采集时间、采集地点进行同一绑定，将绑定后的信息传输给存储器或控制中心进行存储，便于控制中心后续统一的分析和处理不同节点不同时刻的监测数据。

如图5所示，存储器9采用1G数据存储器K9K8G08U0A，具有较大的数据存储空间。

如图6所示，无线通信电路采用嵌入式无线射频电路LW 115X，通过串行通信UART的方式与微处理芯片MSP430F5438相连，可以实现信号的无线传输，相比有线传输方式，不需要进行接线，信号传输准确，适用于远距离传输，方便后期维护。

如图9所示，电源管理电路12采用直流充电电池或太阳能电池板蓄电的方式，由于本发明无线传感节点的各个电路供电电压不同，对其电压设计采用了两级变换结构，第一级采用直流电压转换芯片实现+24V到±15V的转变，第二级采用低压差线性稳压器芯片实现±15V到±12V的转变，以满足不同电路对供电电压的需求，保证供电电压持续稳定。

无线通信电路由一个高性能8位微处理芯片和一个符合ZigBee标准的2.4GHz射频收发器组成。

本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点的工作过程：

控制中心向节点发出控制信号，无线接收电路接收到控制信号，向无线发送电路发送数据包，无线发送电路发送工作信号给控制中心。控制中心接收到工作信号，说明无线传感节点开始工作；若控制中心没有接收到工作信号，则控制中心继续发送控制信号，直至接收到工作信号为止。若控制中心一直没有接收到工作信号，则说明该无线传感节点出现故障，及时派工作人员进行检修。

当无线接收电路成功接收到控制中心发送的控制信号后，将控制信号及时反馈给微处理电路，微处理电路向各个外接传感器和其他分支电路传送采集运转指令。

各外接传感器接收到采集指令后，开始对监测数据进行采集，随后依次回传当前时刻采集的监测数据给微处理电路，微处理电路将监测数据经过调理电路对监测数据进行信号调理，存储器对监测数据进行的存储，同时GPS开启定位和同步时钟功能、时钟电路开启实时时钟功能。将分析处理好的监测数据通过无线发送电路回传给控制中心。

控制中心接收到节点回传的监测数据后通过PCI或USB串口一并传回给计算机进行显示和进一步分析。

针对传统无线传感器系统测量数据类型单一，不能同时对多种传感器监测的物理量信息进行采集，且传输距离有限、数据存储容量较小的不足，提出本发明一种用于土木结构健康监测的无线传感节点，该节点具有模拟信号接口电路2和数字信号接口电路3，且模拟信号接口电路2和数字信号接口电路3均具有多个接口，可满足一个节点监测多种不同物理量的需求，其体积小、易布设、易拆装、功耗低、可靠性高。同时，通过微处理芯片控制，支持信号实时采集及后处理分析两种工作状态，具有丰富的多种参数设置功能，可以进行时域、频域内的多种数据分析处理。

在另外一些实施例中，其余技术特征相同，不同之处在于，无线传感节点还包括过滤放大电路，过滤放大电路的输入端与外接传感器连接，过滤放大电路的输出端与传感器接口电路的接口输入端连接。各个外接传感器间存在着或多或少的信号影响，为了获得准确的监测数据，传感器接口电路的接口与外接传感器间通过过滤放大电路相连接，过滤放大电路可以有效放大该接口所连接的外接传感器采集到的监测数据，同时将其他接口上的外接传感器的干扰信号过滤。通过过滤放大电路，可以得到更准确的监测数据。

新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，包括传感器接口电路、无线通信电路、微处理电路和电源管理电路，所述传感器接口电路包括至少两个接口，所述接口的输入端与外接传感器相连接，用于接收外接传感器采集的监测数据，所述微处理电路分别与所述传感器接口电路和所述无线通信电路相连接。

2.根据权利要求1所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述微处理电路包括：微处理芯片、调理电路、时钟电路和存储器，所述微处理芯片分别与调理电路、时钟电路和存储器相连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述传感器接口电路包括：

模拟信号接口电路，所述模拟信号接口电路的输入端与模拟外接传感器连接，用于接收模拟监测数据；

数字信号接口电路，所述数字信号接口电路的输入端与数字外接传感器连接，用于接收数字监测数据。

4.根据权利要求3所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述模拟信号接口电路包括模数转换器，用于将模拟监测数据从模拟量转为数字量。

5.根据权利要求3所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述调理电路包括：

模拟信号调理电路，所述模拟信号调理电路与所述模拟信号接口电路的输出端连接；

数字信号调理电路，所述数字信号调理电路与所述数字信号接口电路的输出端连接。

6.根据权利要求2所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述微处理电路还包括GPS电路，所述GPS电路与所述微处理芯片相连接。

7.根据权利要求4～6任一项所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述无线传感节点还包括过滤放大电路，所述过滤放大电路的输入端与外接传感器连接，所述过滤放大电路的输出端与传感器接口电路的接口输入端连接。

8.根据权利要求4～6任一项所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述无线通信电路采用ZigBee协议2.4GHz的载波频段传输数据。

9.根据权利要求4～6任一项所述的用于土木结构健康监测的无线传感节点，其特征在于，所述电源管理电路对电压采用两级变换结构，第一级采用直流电压转换芯片实现+24V到±15V的转变，第二级采用低压差线性稳压器芯片实现±15V到±12V的转变。