CN105300449A - 一种超低功耗无源结构健康监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗的无源结构健康监测系统及方法，所述系统包括多个无源结构健康检测节点、RFID阅读器、无线路由器和控制中心；无源结构健康检测节点在RFID阅读器发出特定指令时测量结构健康参数，返回给RFID阅读器，RFID阅读器与控制中心通过无线路由器连接到同一局域网，控制中心可远程访问RFID阅读器，读取来自多个无源结构健康检测节点的传感信息；控制中心实时接收被监测结构内部的应力信息、温度信息及加速度信息，分析并显示结构健康状况。本发明系统可实时监测结构内部的应力信息及变化趋势并能提前预警建筑物灾害发生，系统方便部署、采集信息方便、后期无需维护，对大跨桥梁、高层结构、高速公路或海洋平台等的结构健康评价具有重大意义。

Description

一种超低功耗无源结构健康监测系统及方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术，尤其涉及一种基于射频能量采集无线传感器网络的无源结构健康监测系统。

背景技术

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，高层建筑、大跨桥梁、高速公路等各种重大土木工程结构日渐增多，这些重大结构在遭受自然或人为灾害时健康状况引起人们关注，对结构健康状况进行评估，实时监测并预报结构性能及安全状况对保障人民生命财产安全具有重大意义，结构健康监测技术也成为国内外研究的热点问题。近年来，结构健康监测技术引用了一些先进传感技术，如光纤光栅传感技术、GPS位移监测技术、疲劳应变计、磁通量传感器、声发射技术以及无线传感网络系统技术。

以上监测系统均存在一定缺陷，例如，光纤光栅传感器虽然可以不受电磁干扰、耐腐蚀、具有较好的复用能力，但成本较高，布置起来比较麻烦。

GPS位移监测技术在结构健康监测领域虽然取得一些进展，但是GPS测量质量有赖于卫星能见距离、信号传输质量、通信延迟等因素，同时在城市间使用时需要考虑卫星信号的多径效应，GPS精度也不是很理想，这些因素限制了GPS位移监测技术在结构健康监测领域中的应用。

基于传统无线传感器网络的结构健康监测系统具有覆盖范围广、测量精度高的特点，但节点体积大且携带电池寿命有限，后期需要对节点进行维护，十分不便。

基于射频能量采集的无源传感器网络的发展使得利用无源的传感器网络节点监测结构信息成为可能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超低功耗无源结构健康监测系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超低功耗的无源结构健康监测系统，该系统包括：多个无源结构健康检测节点、RFID阅读器、无线路由器和控制中心，所述无源结构健康检测节点以无线通信方式与RFID阅读器通讯，RFID阅读器和控制中心均与无线路由器相连。

所述无源结构健康检测节点包括射频前端、能量管理模块、超低功耗MCU及传感器模块，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块，能量管理模块包括依次相连的DC‐DC转换模块、Buck降压模块和储能电容，传感器模块包括电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块及加速度检测模块；所述偶极子天线分别与整流倍压稳压模块、解调模块和发射模块相连，整流倍压稳压模块与能量管理模块相连，能量管理模块分别与超低功耗MCU、电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块和加速度检测模块相连，电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块、电压检测模块、解调模块和发射模块均与超低功耗MCU相连。

进一步地，所述能量管理模块将整流倍压模块输出的直流电储存到超级电容中，并稳压输出3V。当能量管理模块测量超级电容的能量充足时，能量管理模块自动唤醒超低功耗MCU，并使能应变检测电路，超低功耗MCU完成应变电路输出的采样后重新进入休眠模式，当能量管理模块测量超级电容的能量不足时，关闭应变检测电路电源并使超低功耗MCU进入休眠状态。所述能量管理模块以电源管理集成芯片BQ25570为核心，具有升压充电和降压转换功能，在100mV～5V输入电压下能提供稳定的电压输出，输出电压值由外部可编程电阻阵列决定，同时可外接超级电容储存富余能量。能量管理模块通过监测储能电容两端的电压值来控制负载电路的工作与否，当储能电容两端电压高于设定阈值或者负载电路工作阈值，则使能负载电路工作，否则负载电路不工作。

进一步地，所述应变检测模块包含由箔式应变片组成的桥式电路及仪表放大器组成的电压放大模块，应力的大小以输出电压值来表征；其中，桥式电路由电阻Rb1～Rb4组成；将Rb1～Rb4任意一个电阻换成阻值相等的箔式应变片组成四分之一桥电路、或者将Rb1与Rb3换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路，或者将Rb2与Rb4换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路；电阻Rb1一端接参考电压Vreg，另一端接电阻Rb2；电阻Rb2与Rb1相连后接仪表放大器输入负极，电阻Rb2另一端接地；电阻Rb4一端接参考电压Vreg，另一端接Rb3；电阻Rb3另一端接地；电位计和电阻Rb5组成校零电路，电位计引脚1接参考电压Vreg，引脚3接地，引脚2接电阻Rb5一端，电阻Rb5另一端接仪表放大器输入正极；仪表放大器要求低功耗，且能够在3V电压供电下稳定工作，此实施例中选择型号为AnalogDevice公司生产的AD8553但不限于此；电阻R1一端接仪表放大器的第一放大倍数设置引脚，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚，仪表放大器的正电源引脚接电容C4一端，电容C4另一端接参考电压Vreg，仪表放大器的使能引脚接超低功耗MCU的数字I/O控制引脚，仪表放大器的接地引脚接地，电阻R4一端接参考电平Vreg另一端分别连接电阻R5与电容C1的一端，电阻R5和电容C1并联，另一端接地；电阻R2和电容C2并联，一端接仪表放大器的偏置电压引脚，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚，电阻R3另一端分别接电容C3的一端、电阻C5的一端后作为应变检测模块的输出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引脚，电容C3的另一端、电阻C5的另一端均接地。

一种超低功耗的无源结构健康监测方法，包括以下步骤：

(1)无源结构健康检测节点部署在被监测结构内部；

(2)当无源结构健康检测节点接收到RFID阅读器发出的指令后依次完成身份认证、能量检测、传感器信息采集、信息编码与回复等一系列操作后将无源结构健康检测节点得到的传感信息返回给RFID阅读器，RFID阅读器读取并解析传感信息；

(3)RFID阅读器与控制中心通过无线路由器连接到同一局域网，控制中心可远程访问RFID阅读器，读取来自多个无源结构健康检测节点的传感信息；

(4)控制中心实时接收被监测结构内部的应力信息、温度信息及加速度信息，分析并显示结构健康状况。

进一步地，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：

(2.1)RFID阅读器发出查询指令，给无源结构健康检测节点分配一个特定时隙，当时隙在无源结构健康检测节点识别范围内时，无源结构健康检测节点可以向RFID阅读器返回数据，即完成身份认证；

(2.2)无源结构健康检测节点通过自身偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波能量进入充电等待状态，电压检测模块检测到节点自身电压达到设定阈值时读取应力传感器或温度传感器数值，并将传感器数值储存在超低功耗MCU的FRAM中；

(2.3)每读取一次传感器数值，超低功耗MCU内部计数值加一，当计数值达到设定阈值时，将所有的传感器数值做平均值计算并进行EPC编码计算得到01序列，01序列作为发射模块的控制信号控制发射模块处于断开状态或闭合状态，两种状态下反射给RFID阅读器的电磁波幅度不同；

(2.4)RFID阅读器识别反射的不同幅度的电磁波，得到EPC编码；

(2.5)控制中心通过无线路由器读取RFID阅读器得到的EPC编码，解析后得到节点采集的应力信息或温度信息并存入数据库，用户可随时访问数据库获得传感器信息或可根据需要进行显示。

进一步地，通过多次采样传感器数值并进行平均值滤波得到最终的传感器值以降低测量噪声，得到更加精确的传感器测量值。同时应力检测模块自带校零电路及温度补偿，克服温漂对传感器测量的干扰。

本发明的有益效果是：本发明系统可以大规模的部署在被监测结构的特定位置，通过射频能量采集的方式为自身提供电量进行传感信息采集，充分利用射频能量，无需携带电池。节点内部运行通信协议，在完成身份认证后向RFID阅读器返回被测点的传感信息，可一次性读取多个节点信息。同时，节点在进行传感器信息采集时采用多次采样取平均值、传感器温度补偿以及自校零电路提高传感信息的准确度。节点体积小，部署方便无需后期维护，可根据测量参数需要灵活修改硬件支持不同的传感器。RFID阅读器可固定在巡检车上，按布设路线巡检一次即可得到所有布设节点的信息，实际应用十分方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是无源结构健康检测节点的硬件框图；

图3是本发明能量管理模块电路图；

图4是无源结构健康检测节点工作流程图；

图5是控制中心处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一种超低功耗的无源结构健康监测系统，包括多个无源结构健康检测节点、RFID阅读器、无线路由器和控制中心，所述无源结构健康检测节点以无线通信方式与RFID阅读器相连，RFID阅读器与无线路由器以有线方式相连，控制中心与无线路由器处于同一局域网。

其中，无源结构健康检测节点部署在被监测结构内部，测量应力、温度、加速度等参数，当收到RFID阅读器发出的特定指令后依次完成身份认证、能量检测、传感器信息采集、信息编码与回复等一系列操作后将无源结构健康检测节点得到的传感信息返回给RFID阅读器。

RFID阅读器读取并解析来自多个无源结构健康检测节点的传感信息，通过无线路由器连接到一个局域网中，通过给路由器设定权限，局域网中的任意主机可访问RFID阅读器将读到的传感信息显示在控制中心。

控制中心可以实时显示被监测结构内部的应力信息、温度信息及加速度信息，并将传感信息写入数据服务器，记录历史数据并根据用户需求进行数据处理、分析及显示，并提供用户网页访问服务。

如图2所示，本发明所述无源结构健康检测节点包括射频前端、能量管理模块、超低功耗MCU及传感器模块，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块，能量管理模块包括依次相连的DC‐DC转换模块、Buck降压模块和储能电容，传感器模块包括电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块及加速度检测模块；所述偶极子天线分别与整流倍压稳压模块、解调模块和发射模块相连，整流倍压稳压模块与能量管理模块相连，能量管理模块分别与超低功耗MCU、电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块和加速度检测模块相连，电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块、电压检测模块、解调模块和发射模块均与超低功耗MCU相连。

偶极子天线接受来自RFID阅读器的电磁波；整流倍压模块将偶极子天线接收到的电磁波转换为直流电；能量管理模块将整流倍压模块输出的直流电转换为电路工作的3V电压，同时，当能量充足时触发使能超低功耗MCU采样传感器检测电路输出，当采集能量不足时关闭应变检测电路并使超低功耗单片机休眠。解调模块将偶极子天线接收到的电磁波解调，将包络信息输入超低功耗MCU；超低功耗MCU识别来自解调电路的包络信息，通过判断所处的通信状态，完成与RFID阅读器的握手、通信等过程，同时根据能量管理模块指令读取应变检测电路输出值，编成EPC编码，控制发射模块回复给RFID阅读器。应变检测模块在能量管理模块允许时工作，采集被测结构中应力检测点的应力值，输入到超低功耗MCU；加速度传感模块由超低功耗MCU使能，采集被测结构中监测点位置的加速度值，输入到超低功耗MCU模数转换引脚。发射模块受超低功耗MCU控制，将加速度值与应力值的编码信息经由偶极子天线回复给RFID阅读器。

如图3所示，能量管理模块以电源管理集成芯片BQ25570为核心，具有升压充电和降压转换功能，在100mV～5V输入电压下能提供稳定的电压输出，输出电压值由外部可编程电阻阵列决定，同时可外接超级电容储存富余能量。能量管理模块通过监测储能电容两端的电压值来控制负载电路的工作与否，当储能电容两端电压高于设定阈值或者负载电路工作阈值，则使能负载电路工作，否则负载电路不工作。能量管理模块分别与整流倍压稳压模块、超低功耗MCU、电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块和加速度检测模块相连，将整流倍压模块输出的直流电储存到超级电容中，并稳压输出3V供超低功耗MCU、电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块和加速度检测模块工作使用。当能量管理模块测量超级电容的能量充足时，能量管理模块自动唤醒超低功耗MCU，并使能应变检测电路，超低功耗MCU完成应变电路输出的采样后重新进入休眠模式，当能量管理模块测量超级电容的能量不足时，关闭应变检测电路电源并使超低功耗单片机进入休眠状态。

如图4所示，是无源结构健康检测节点运行步骤，具体包括如下几个步骤：

无源结构健康检测节点与RFID阅读器进行身份认证；

无源结构健康检测节点进入充电等待状态，检测到节点自身能量足够时读取应力传感器或温度传感器数值，储存在单片机存储模块中；

判断是否已经达到设定的采样次数；

达到采样次数后向RFID阅读器回复一个经过平均计算的传感器数值；

RFID阅读器识别无源结构健康检测节点采集的应力信息或温度信息；

控制中心读取并显示RFID阅读器解析的值，并存入数据库供后续分析。

如图5所示，本发明控制中心处理流程如下：

RFID阅读器解析来自无源结构健康检测节点的传感信息，通过TCP/IP协议读入到Linux主机；

Linux主机设置权限使局域网内的其他主机可以访问与阅读器相连的Linux主机；

在控制显示中心的主机用Python程序读出RFID阅读器解析的EPC编码，通过EPC解码程序解析出此刻读到的传感器数值，并实时显示；

将读到的传感器信息写入数据库；

当无源结构健康检测节点某个传感器的实时数据超过设定的阈值，网页上会给出报警信息，并根据节点编号判断出现问题节点位置。

用户可随时调用并分析数据库的传感数据，将结构健康参数以统计图表的方式显示。

Claims (6)

1.一种超低功耗的无源结构健康监测系统，其特征在于，所述系统包括：多个无源结构健康检测节点、RFID阅读器、无线路由器和控制中心，所述无源结构健康检测节点以无线通信方式与RFID阅读器通讯，RFID阅读器和控制中心均与无线路由器相连。

所述无源结构健康检测节点包括射频前端、能量管理模块、超低功耗MCU及传感器模块，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块，能量管理模块包括依次相连的DC‐DC转换模块、Buck降压模块和储能电容，传感器模块包括电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块及加速度检测模块；所述偶极子天线分别与整流倍压稳压模块、解调模块和发射模块相连，整流倍压稳压模块与能量管理模块相连，能量管理模块分别与超低功耗MCU、电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块和加速度检测模块相连，电压检测模块、应变检测模块、温度检测模块、电压检测模块、解调模块和发射模块均与超低功耗MCU相连。

2.根据权利要求1所述一种超低功耗的无源结构健康监测系统，其特征在于，所述能量管理模块将整流倍压模块输出的直流电储存到超级电容中，并稳压输出3V。当能量管理模块测量超级电容的能量充足时，能量管理模块自动唤醒超低功耗MCU，并使能应变检测电路，超低功耗MCU完成应变电路输出的采样后重新进入休眠模式，当能量管理模块测量超级电容的能量不足时，关闭应变检测电路电源并使超低功耗MCU进入休眠状态。所述能量管理模块以电源管理集成芯片BQ25570为核心，具有升压充电和降压转换功能，在100mV～5V输入电压下能提供稳定的电压输出，输出电压值由外部可编程电阻阵列决定，同时可外接超级电容储存富余能量。能量管理模块通过监测储能电容两端的电压值来控制负载电路的工作与否，当储能电容两端电压高于设定阈值或者负载电路工作阈值，则使能负载电路工作，否则负载电路不工作。

3.根据权利要求1所述一种超低功耗的无源结构健康监测系统，其特征在于，所述应变检测模块包含由箔式应变片组成的桥式电路及仪表放大器组成的电压放大模块，应力的大小以输出电压值来表征；其中，桥式电路由电阻Rb1～Rb4组成；将Rb1～Rb4任意一个电阻换成阻值相等的箔式应变片组成四分之一桥电路、或者将Rb1与Rb3换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路，或者将Rb2与Rb4换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路；

电阻Rb1一端接参考电压Vreg，另一端接电阻Rb2；电阻Rb2与Rb1相连后接仪表放大器输入负极，电阻Rb2另一端接地；电阻Rb4一端接参考电压Vreg，另一端接Rb3；电阻Rb3另一端接地；电位计和电阻Rb5组成校零电路，电位计引脚1接参考电压Vreg，引脚3接地，引脚2接电阻Rb5一端，电阻Rb5另一端接仪表放大器输入正极；电阻R1一端接仪表放大器的第一放大倍数设置引脚，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚，仪表放大器的正电源引脚接电容C4一端，电容C4另一端接参考电压Vreg，仪表放大器的使能引脚接超低功耗MCU的数字I/O控制引脚，仪表放大器的接地引脚接地，电阻R4一端接参考电平Vreg另一端分别连接电阻R5与电容C1的一端，电阻R5和电容C1并联，另一端接地；电阻R2和电容C2并联，一端接仪表放大器的偏置电压引脚，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚，电阻R3另一端分别接电容C3的一端、电阻C5的一端后作为应变检测模块的输出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引脚，电容C3的另一端、电阻C5的另一端均接地。

4.一种利用权利要求1所述系统进行无源结构健康监测的方法，其特征在于，所述方法具体为：

(1)无源结构健康检测节点部署在被监测结构内部；

(2)当无源结构健康检测节点接收到RFID阅读器发出的指令后依次完成身份认证、能量检测、传感器信息采集、信息编码与回复等一系列操作后将无源结构健康检测节点得到的传感信息返回给RFID阅读器，RFID阅读器读取并解析传感信息；

(3)RFID阅读器与控制中心通过无线路由器连接到同一局域网，控制中心可远程访问RFID阅读器，读取来自多个无源结构健康检测节点的传感信息；

(4)控制中心实时接收被监测结构内部的应力信息、温度信息及加速度信息，分析并显示结构健康状况。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下子步骤：

(2.1)RFID阅读器发出查询指令，给无源结构健康检测节点分配一个特定时隙，当时隙在无源结构健康检测节点识别范围内时，无源结构健康检测节点可以向RFID阅读器返回数据，即完成身份认证；

(2.2)无源结构健康检测节点通过自身偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波能量进入充电等待状态，电压检测模块检测到节点自身电压达到设定阈值时读取应力传感器或温度传感器数值，并将传感器数值储存在超低功耗MCU的FRAM中；

(2.3)每读取一次传感器数值，超低功耗MCU内部计数值加一，当计数值达到设定阈值时，将所有的传感器数值做平均值计算并进行EPC编码计算得到01序列，01序列作为发射模块的控制信号控制发射模块处于断开状态或闭合状态，两种状态下反射给RFID阅读器的电磁波幅度不同；

(2.4)RFID阅读器识别反射的不同幅度的电磁波，得到EPC编码；

(2.5)控制中心通过无线路由器读取RFID阅读器得到的EPC编码，解析后得到节点采集的应力信息或温度信息并存入数据库，用户可随时访问数据库获得传感器信息或可根据需要进行显示。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过多次采样传感器数值并进行平均值滤波得到最终的传感器值以降低测量噪声，得到更加精确的传感器测量值。同时应力检测模块自带校零电路及温度补偿，克服温漂对传感器测量的干扰。