CN104869158A - 一种基于物联网云技术的梁构件监测方法及其监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，包括以下步骤：S101、将电阻应变片设置于梁构架底部最大挠度处，并将所述电阻应变片接入电桥构成电桥电路；S102、通过电阻应变片采集梁构件的形变信息，将所述形变信息转换为电信号；S103、将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号带入预设函数算出对应的梁构件承受的压力大小；S104、将所述压力大小与预设的阈值比对，并生成比对结果；S105、云服务器以多线程、轮询的方式发出询问指令，以获得所述比对结果；S106、云服务器根据获得的所述比对结果生成反馈信号并反馈至管理终端。本发明还提供了一种基于物联网技术的梁构件检测系统。本发明具有操作简单、灵敏度好、智能监控的特点。

Description

一种基于物联网云技术的梁构件监测方法及其监测系统

技术领域

本发明涉及一种自动监测系统，尤其涉及一种基于物联网云技术的梁构件监测方法及其监测系统。

背景技术

当梁受到集中力时梁会发生弯曲变形，按照材料力学的原理对梁进行力学分析，分别用到梁的弯曲变形挠度计算方法、动载荷解决问题的原理，确定梁的最大挠度位置，对梁进行受力分析，从而确定电阻应变片传感器的最佳安装位置。运用电阻应变片变形后电阻发生变化的原理和惠斯通电桥原理建立受力和位移变化量的电桥电路，电路采用信号反馈原理减少失真，提高增益稳定性，通过信号放大电路、模拟转数字电路，将电桥电路采集的微信号放大、转换、处理后传输给传感器。传感器通过互联网技术、无线传输和RS485传输方式将检测数据上传到云服务平台，云服务平台对数据进行处理、分析，判断各点的受力情况，同时根据系统接收的数据和域值之间比较，将处理信息传递给使用者，从而实现软反馈信息处理。

按照材料力学的原理对梁进行力学分析，设计护栏等梁构件的结构，利用梁的变形原理将梁的相关构件通过传感、网络连接到云服务平台中，分析梁的受力情况，并进行相应的反馈处理，从而实现梁构件的物联网应用。

护栏构件的结构设计目的是在相同的集中力或分布力的作用下，让梁发生最大弯曲变形，从而确定传感器的最佳安装位置，以确保将变形梁的微小变形通过传感器测量出来，通过梁的变形受力分析判断力的大小，是否超过梁构件的许用应力或最大冲击应力，将实时数据通过物联网络传输给系统，系统对数据进行处理后将反馈数据返回到控制中心，从而及时采取相应的保护措施，以保证梁在安全受力范围内的正常工作，确保梁构件的安全性。

市场大部分护栏采用触碰开关或干簧管反馈信号，只有在外力没有达到一定触发极限时，才能触发。而且制作工艺和材料不同，导致反应灵敏度不高。

部分护栏设备采用传感器直接发信息给报警设备的原理，在连接线被破坏，传感器被破坏或自身损坏后，无法及时反馈信息，导致无法报警的现象。

现有的护栏报警器，大部分是单独报警，或将每个传感器线连接到控制室，使得人力和物力的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种灵敏度高、方便监控的基于物联网云技术的梁构件检测方法及其监测系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，包括以下步骤：

S101、将电阻应变片设置于梁构架底部最大挠度处，并将所述电阻应变片接入电桥构成电桥电路；

S102、通过电阻应变片采集梁构件的形变信息，将所述形变信息转换为电信号；

S103、将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号带入预设函数算出对应的梁构件承受的压力大小；

S104、将所述压力大小与预设的阈值比对，并生成比对结果；

S105、云服务器以多线程、轮询的方式发出询问指令，以获得所述比对结果；

S106、云服务器根据获得的所述比对结果生成反馈信号并反馈至管理终端。

所述反馈信号包括状态信息，所述状态信息包括正常状态和异常状态，所述状态信息以文字、图片、声音或其组合的形式反馈至管理终端。

所述步骤S103中，将所述电信号放大后再转换为数字信号。

在所述步骤S105中，所述对比结果以心跳包的形式发送给所述云服务器，发送的方式为通过无线传输。

采用上述方法的有益效果是：所述云服务器以多线程、轮询的方式发出询问指令，可以同时获得多个梁构件的信息；

将电信号放大后再转换为数字信号可以减小测量误差，同时达到精确的测量效果。

以无线传输的方式与云服务器连接可以最大程度的减少布线，提高传输效率；

以心跳包的形式发送给云服务器可以在接收状态信息的同时监测每个检测装置以及处理装置是否处于正常工作状态。

为解决上述技术问题，本发明中一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，包括多个检测装置、多个处理装置、云服务器和管理终端；

所述检测装置包括电桥电路，所述电桥电路包括电阻应变片，所述电阻应变片用于检测梁构件的形变信息，所述电桥电路通过电阻应变片将所述形变信息转换为电信号；

所述处理装置还包括A/D转换模块和CPU，所述A/D转换模块将所述电信号转换为数字信号，并将其发送给CPU，所述CPU将所述数字信号的数值带入预设的函数，从而算得对应的梁构件的受力大小；所述CPU将所述梁构件受力大小与预设的阈值进行比对得到比对结果；

所述云服务器向CPU发出询问指令，所述CPU将所述比对结果反馈给所述云服务器。

所述电桥电路包括两个完全一样的电阻应变片R1和电阻应变片R2，以及两个阻值相等的匹配电阻R3和匹配电阻R4，所述电阻应变片R1、电阻应变片R2、匹配电阻R3和匹配电阻R4顺次首尾相连，组成电桥的个臂；

所述电阻应变片R1与匹配电阻R4的公共端a连接直流电源的一端、所述电阻应变片R2与匹配电阻R3的公共端b连接直流电源的另一端；所述电阻应变片R1与电阻应变片R2的公共端c连接电压表的一端，所述匹配电阻R3与匹配电阻R4的公共端d连接电压表的另一端。

所述公共端a、b之间连接有用于滤波的电容C1。

所述处理装置还包括放大电路，所述放大电路用于将所述电桥电路采集的电信号进行放大。

还包括多个无线发送模块，每个所述处理装置连接无线发送模块，将所述比对结果通过无线发送模块发送给所述云服务器。

所述电阻应变片R1和电阻应变片R2的其中一个设置在梁结构底部最大挠度处，另一个作为对照设置在梁结构的侧面。

采用上述系统的有益效果是：本发明采用电阻应变片为测量传感器，同时运用惠斯通电桥、运算器使采集的数据更加精确，能够采集到护栏梁构件的微小受力变化，使传感器的灵敏度更高。

本发明采用云服务平台对传感器进行心跳包监测，当采集数据为零(电阻应变片线路被破坏或自身损坏)、或传感器没有回应的(传感器被断电或自身损坏)，服务云平台马上发出反馈信息给使用者。

本发明的护栏传感器都有唯一的地址，使用RS485总线和WIFI-RS485服务器传输信息，采用就近、少穿线、多连接的原则，以最短的RS485总线连接最多传感器，使用无线WIFI-RS485服务器避免所以RS485总线必须回到控制室，节约材料和人工。并能和实际的护栏一一对应，能够准确定位。

进一步，所述反馈信号包括状态信息，所述状态信息包括正常状态和异常状态，所述状态信息以文字、图片、声音或其组合的形式反馈至管理终端。

采用上述进一步方案的有益效果是，用简洁明了的方式将所述梁构件的实时状态反馈给管理终端，为保证客户不同的需要，可以使用不同的形式提示用户。

采用上述进一步方案的有益效果是，由于梁构件的形变一般很微小，即使使用应变片也难以获得较大的电压波动，故而使用放大电路，以增强其灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例1一种基于物联网云技术的梁构件监测方法的流程图；

图2为本发明实施例2一种基于物联网云技术的梁构件检测系统的连接结构示意图；

图3为本发明实施例3护栏监测的连接结构示意图；

图4为本发明实施例3电桥电路的结构示意图；

图5为本发明实施例3电源内部反馈示意图；

图6为本发明实施例3放大器信号反馈示意图；

图7为本发明实施例3检测装置安装的结构示意图

图8为本发明实施例3下横梁中心受力最大弯矩分析图；

图9为本发明实施例3横梁弯曲变形的最大扰度分析图；

图10为本发明实施例3窗户护栏监测系统结构实体图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、检测装置，2、处理装置，3、云服务器，4、电桥电路，5、电阻应变片，6、放大电路，7、A/D转换模块，8、CPU，9、管理终端，10、无线发送模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，包括以下步骤：

S101、将电阻应变片设置于梁构架底部最大挠度处，并将所述电阻应变片接入电桥构成电桥电路；

S102、通过电阻应变片采集梁构件的形变信息，将所述形变信息转换为电信号；

S103、将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号带入预设函数算出对应的梁构件承受的压力大小；

S104、将所述压力大小与预设的阈值比对，并生成比对结果；

S105、云服务器以多线程、轮询的方式发出询问指令，以获得所述比对结果；

S106、云服务器根据获得的所述比对结果生成反馈信号并反馈至管理终端。

所述反馈信号包括状态信息，所述状态信息包括正常状态和异常状态，所述状态信息以文字、图片、声音或其组合的形式反馈至管理终端。

所述步骤S103中，将所述电信号放大后再转换为数字信号。

在所述步骤S105中，所述对比结果以心跳包的形式发送给所述云服务器，发送的方式为通过无线传输。

实施例2

如图2所示，一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，包括多个检测装置1、多个处理装置2、云服务器3和管理终端9；

所述检测装置1包括电桥电路4，所述电桥电路4包括电阻应变片5，所述电阻应变片5用于检测梁构件的形变信息，所述电桥电路4通过电阻应变片5将所述形变信息转换为电信号；

所述处理装置2还包括A/D转换模块7和CPU8，所述A/D转换模块7将所述电信号转换为数字信号，并将其发送给CPU8，所述CPU8将所述数字信号的数值带入预设的函数，从而算得对应的梁构件的受力大小；所述CPU8将所述梁构件受力大小与预设的阈值进行比对得到比对结果；

所述云服务器3向CPU8发出询问指令，所述CPU8将所述比对结果反馈给所述云服务器3。

所述电桥电路4包括两个完全一样的电阻应变片R1和电阻应变片R2，以及两个阻值相等的匹配电阻R3和匹配电阻R4，所述电阻应变片R1、电阻应变片R2、匹配电阻R3和匹配电阻R4顺次首尾相连，组成电桥的4个臂；

所述电阻应变片R1与匹配电阻R4的公共端a连接直流电源的一端、所述电阻应变片R2与匹配电阻R3的公共端b连接直流电源的另一端；所述电阻应变片R1与电阻应变片R2的公共端c连接电压表的一端，所述匹配电阻R3与匹配电阻R4的公共端d连接电压表的另一端。

所述公共端a、b之间连接有用于滤波的电容C1。

所述处理装置2还包括放大电路6，所述放大电路6用于将所述电桥电路4采集的电信号进行放大。

还包括多个无线发送模块10，每个所述处理装置2连接无线发送模块10，将所述比对结果通过无线发送模块10发送给所述云服务器3。

所述电阻应变片R1和电阻应变片R2的其中一个设置在梁结构底部最大挠度处，另一个作为对照设置在梁结构的侧面。如果不设置对照，当温度上升时，电阻应变片的阻值会发生变化，从而导致本监测系统误检测梁构件的受力大小发生变化，影响检测结果,这样可以避免因温度等因素导致电阻应变片阻值变化时所引起的检测结果变化。

实施例3

如图3所示为一种护栏监测系统的连接结构示意图。

为能够精确、灵敏的测量梁变化的挠度，采用电阻应变片变形而引起电阻变化原理、惠斯通电桥原理和电路反馈原理组成的传感器检测挠度变化。

护栏传感器在设计时充分考虑由电阻应变片组成的惠斯通电桥输出电压甚低的特点，采用滤波去耦电路形式，输入信号线采用屏蔽线，使外界干扰大大减小。CPU设计时模拟、数字分开设计，增强了设备抗干扰性。

电路元器件选用工业级元件，在极高、极低的环境下可靠工作。本系统采用单电源供电的仪器专用运算放大器，减免了运算器使用双电源的模式，使供电电源得到简化。

如图4所示为本发明电桥电路的结构示意图。

电阻应变片5：以打磨、胶粘方式固定在下横梁中心处，输出灵敏度高，范围在1.0±0.1mv/V、工作温度范围－35～65℃、工作电压5V，输入输出阻抗1000±20Ω。

匹配电阻R3、R4：1K匹配电阻和电阻应变片5组成应变桥电路。使电桥电路4的输出电压与受载荷力成线性关系，充分利用双差动模式，提高测量的灵敏度。

图5为本发明电源内部反馈示意图；

供电电源采用三端稳压器7805供电，具有过压保护、过流保护、过热保护功能，使电桥系统供电稳定可靠。电源部分采用稳压二极管，进行防反接保护，施工时即使电源反接不会使电路损坏，提高了电路施工的可靠性。

电容C1：滤除外界的脉动干扰，使输入的信号更加稳定，从而保证输出的准确，减小漂移。

信号处理：该部分使用AD623ANZ芯片，其特点为有单电源5V下提供满电源幅度输出；增益通过一个外接电阻方便调节；共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差；具有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于电平150mv的共模电源信号；采用放大反馈电路解决放大、反馈、温度补偿问题。

图6为本发明放大器的信号反馈示意图。

该测量仪器专用芯片，内部采用差分方式，使输入电阻大大提高，减少了对应力桥电路的影响，提高了整个系统的测量精度。并且该芯片采用正、负反馈和多级反馈电路，使电路性能提升，输出信号可与单片机直接匹配，简化电路结构。

CPU芯片：采用16脚的STC15W408AS芯片，其运算速度快，每秒执行1000万条指令；固有的AD转换口，把AD623的电压信号转换为1024范围的数值，为检测值计算提供数据源；高速异步串口通信端口，提高了和上位机通讯速度；有5K的EEPROM可以记录，设备的ID号，当前微型称重的信号值，当断电重启还能准确的记录数据；用其内部高精度RC时钟，可节省外部晶振，使得电路简化，在不降低性能的前提下，降低了设备成本。STC15W408AS

RS485通讯：负责接收上位机的命令和回应检测装置的检测信息。

自动初始化：护栏和电阻应变片5会因温度变化，会产生热胀冷缩的现象，使得电阻应变片5的数据会线性变化，检测装置1会记录采集值，并通过处理装置2进行比较，修正域值范围，防止反馈错误信息。

云服务器3为护栏受力监测反馈系统。实现对每个护栏的受力信息的实时监测，根据使用者对受力范围的域值设定，将处理结果显示到前台界面。实现信息的软反馈，既得到监测信息，又根据设置的域值范围做出相应的反馈信息处理。反馈系统由以下模块组成：

用户管理：实现使用者操作功能的划分，防止普通使用者对系统参数进行删改，导致的系统反馈信息出错。功能包括用户信息添加(使用者ID、用户名称、密码、权限、有效期始、有效期止、备注)、修改和删除功能。

护栏编号设置：实现对每个房间护栏的编号设置。功能包括区域/房间的添加、修改和删除；每个区域/房间窗户的添加、修改和删除。

WIFI-RS485服务器设置：将WIFI-RS485服务器添加到系统内，系统运行时通过WIFI-RS485的IP地址实现多线程的并行轮询监测。包括IP设置、Web Server端口设置、所在位置和状态设置(使用/停止)。

检测装置设置：将具体的检测装置和区域/房间、护栏编号、WIFI-RS485编号建立关系。包括传感器信息(设备ID、名称、WIFI-RS485服务器、区域/房间、护栏编号)的添加、删除和修改功能。

域值设置：域值的设定有两种。一是护栏或梁构件受到攀爬、踩踏时，应力大于初始未受力时测量值的一定范围。二是设置护栏或梁构件的最大许用应力值，受到应力大于该值时，及时反馈给使用者，说明护栏或梁构件已经变形或损坏，无法恢复。

反馈处理：当系统发出反馈信息，通过界面显示、报警音乐。通知使用者。使用者到现场检查，也可以通过视频监控的预置位功能，摄像头自动转到报警的护栏，观察是否有侵入。当设备出现故障时，系统无法检测到设备状态，也会发出反馈报警信息。当检查无情况时，点击取消反馈报警信息功能。

线程管理模块：对每个无线Wifi－RS485服务器，建立独立的线程去轮询接在该设备上的传感器，可以节约轮询时间，同时在某个无线WIFI-RS485服务器出现故障时，不影响其他设备接收数据。

图7为本发明中检测装置安装的结构示意图。

根据材料力学中梁的弯曲变化挠度计算公式分析，在窗户护栏下方设计两端有支撑点的横梁，并在中心处用竖杆将护栏和下横梁连接,上方护栏受集中力、分布载荷或动载荷作用后,会转换为集中力通过中心竖杆将力传递给下横梁的中心位置上，使下横梁产生最大弯曲变形挠度。在下横梁中心安装电阻应变片,并通过信号线与传感器主体连接。

图8为下横梁中心受力最大弯矩分析图。

为了使下横梁弯曲变化后挠度最大，经过计算分析和实物测量，当载荷集中在横梁的中心时所受弯矩最大，所以将检测装置1的电阻应变片5安装在下横梁的中心处。

最大弯矩公式

最大弯矩M_max  F－载荷力  L－梁长度

图9为本发明实施例3下横梁中心受力最大弯矩分析图。

当横梁受到最大弯矩时,其横梁弯曲变形的挠度也是最大。

最大挠度公式

最大挠度v_max  F：载荷力，L：梁长度，EI：抗弯刚度

梁上的载荷力即为梁受到的应力，应力应小于梁的最大许用应力，如果超过最大用应力，梁会变形，无法恢复，甚至会断裂。

应力的计算公式：σ＝F/A F:拉伸或压缩载荷(kg) A:截面积(mm²)

约束条件：梁的应力σ_max<梁的最大许用应力[σ]

最大许用应力[σ]根据梁的选材的物理性质可知(材料的国标)。塑性材料(大多数结构钢和铝合金)以屈服极限为基准,除以安全系数后的许用应力,即[σ]＝σs/n(n＝1.5-2.5)；脆性材料(铸铁和高强钢)以强度极限为基准，除以安全系数后的许用应力,即[σ]＝σb/n(n＝2-5)。(n为安全系数)。

图10为本发明窗户护栏监测系统结构实体图。

在各个窗户护栏底部最大扰度处安装检测装置和处理装置，然后通过RS485总线将各个处理装置连接起来，然后将其连接至无线发送模块，通过无线发送模块与云服务器连接，云服务器连接至管理终端。

通过RS485总线可以减少无线发送模块的使用数量，而无线发送模块可以避免RS485总线直接与云服务器连接，避免了走线繁杂的问题。

该技术原理可用于窗户护栏、报警隔离栏、围墙护栏、警界线、框架结构建筑物(如体育馆、厂房、学校框架建筑等)等所有梁构件结构。通过传感、物联技术实时监测结构各构件的受力情况，保证梁在安全受力范围内的正常工作，确保梁构件的安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、将电阻应变片设置于梁构架底部最大挠度处，并将所述电阻应变片接入电桥构成电桥电路；

S102、通过电阻应变片采集梁构件的形变信息，将所述形变信息转换为电信号；

S103、将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号带入预设函数算出对应的梁构件承受的压力大小；

S104、将所述压力大小与预设的阈值比对，并生成比对结果；

S105、云服务器以多线程、轮询的方式发出询问指令，以获得所述比对结果；

S106、云服务器根据获得的所述比对结果生成反馈信号并反馈至管理终端。

2.根据权利要求1所述一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，其特征在于，所述反馈信号包括状态信息，所述状态信息包括正常状态和异常状态，所述状态信息以文字、图片、声音或其组合的形式反馈至管理终端。

3.根据权利要求1所述一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，其特征在于，所述步骤S103中，将所述电信号放大后再转换为数字信号。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种基于物联网云技术的梁构件监测方法，其特征在于，在所述步骤S105中，所述对比结果以心跳包的形式发送给所述云服务器，发送的方式为通过无线传输。

5.一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，包括多个检测装置(1)、多个处理装置(2)、云服务器(3)和管理终端(9)；

所述检测装置(1)包括电桥电路(4)，所述电桥电路(4)包括电阻应变片(5)，所述电阻应变片(5)用于检测梁构件的形变信息，所述电桥电路(4)通过电阻应变片(5)将所述形变信息转换为电信号；

所述处理装置(2)还包括A/D转换模块(7)和CPU(8)，所述A/D转换模块(7)将所述电信号转换为数字信号，并将其发送给CPU(8)，所述CPU(8)将所述数字信号的数值带入预设的函数，从而算得对应的梁构件的受力大小；所述CPU(8)将所述梁构件受力大小与预设的阈值进行比对得到比对结果；

所述云服务器(3)向CPU(8)发出询问指令，所述CPU(8)将所述比对结果反馈给所述云服务器(3)。

6.根据权利要求5所述一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，所述电桥电路(4)包括两个完全一样的电阻应变片R1和电阻应变片R2，以及两个阻值相等的匹配电阻R3和匹配电阻R4，所述电阻应变片R1、电阻应变片R2、匹配电阻R3和匹配电阻R4顺次首尾相连，组成电桥的4个臂；

所述电阻应变片R1与匹配电阻R4的公共端a连接直流电源的一端、所述电阻应变片R2与匹配电阻R3的公共端b连接直流电源的另一端；所述电阻应变片R1与电阻应变片R2的公共端c连接电压表的一端，所述匹配电阻R3与匹配电阻R4的公共端d连接电压表的另一端。

7.根据权利要求6所述一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，所述公共端a、b之间连接有用于滤波的电容C1。

8.根据权利要求6-7任一项所述一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，所述电阻应变片R1和电阻应变片R2的其中一个设置在梁结构底部最大挠度处，另一个作为对照设置在梁结构的侧面。

9.根据权利要求5所述一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，所述处理装置(2)还包括放大电路(6)，所述放大电路(6)用于将所述电桥电路(4)采集的电信号进行放大。

10.根据权利要求9所述一种基于物联网云技术的梁构件检测系统，其特征在于，还包括多个无线发送模块(10)，每个所述处理装置(2)连接无线发送模块(10)，将所述比对结果通过无线发送模块(10)发送给所述云服务器(3)。