CN105318823A - 超低功耗无源结构应变监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗无源应变监测装置，该装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和超级电容，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；本装置可埋入建筑物结构内部采集结构应变参数，并以无线通信的形式向阅读器返回结构的应力变化信息，解决了基于无线传感器网络技术进行结构应变监测的能量依赖及不便等问题，且装置无需电池供电，可长时间工作无需额外维护。

Description

超低功耗无源结构应变监测装置

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术，尤其涉及一种超低功耗被动式无源结构应变监测装置。

背景技术

城市基础设施的健康状况与社会公共安全与人民生命财产息息相关，这些重要的基础设施不可避免地要承受如环境侵蚀、地震、人为灾害等诸多因素带来的威胁，结构健康状况监测可以对建筑物结构状态进行长期监控分析，有效评估其安全性能，全面掌握结构健康状态并对突发情况进行预警。结构所受应力对结构健康关系重大。

通常结构健康监测是指利用集成在结构中的传感元件，实时获取与结构健康状况相关的信息，通过信号处理和力学建模提取结构损伤特征参数，识别结构状态，预测损伤，进行安全评定，提出使用和维护意见。目前，结构健康监测广泛使用无线传感器网络技术，能够实现实时监测建筑物结构的应力变化、位移变化、振动变化等等。现有的结构健康监测节点功耗、体积较大，且一般都由电池供电。要实现长期的频繁的结构健康监测数据采集与处理需要定期对电池进行维护，实际使用会有诸多不便。

射频识别技术通常用于物流跟踪、仓储管理领域，目前的RFID系统中的标签通常由专用的集成芯片构成，储存固定信息且存储容量有限。基于MSP430系列单片机实现的EPCC1G2通信协议平台摆脱电池束缚，相比一般的RFID标签具有传感、计算和通信功能，为无线传感信息采集与传输提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有应变监测技术的不足，提供一种超低功耗被动式无源结构应变监测装置，以解决现有技术中传感器需要电池进行能量供给、后期需要维护电池不能长期工作的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超低功耗无源应变监测装置，所述装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和储能电容，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；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，整流倍压稳压模块分别与储能电容和超低功耗MCU相连，解调模块、应变检测模块和发射模块均与超低功耗MCU相连；

偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波；

整流倍压稳压模块将偶极子天线接收到的电磁波转换为直流电，将能量存储在储能电容中，并对超低功耗MCU和应变检测模块进行供电；

解调模块包括依次相连的整流倍压电路和运算放大器组成的包络检波电路，将偶极子天线接收到的电磁波包络信息解调后输入超低功耗MCU；

超低功耗MCU监测储能电容储存的能量，当能量充足时通过AD接口采样应变检测模块输出电压值，并将其转换为EPC编码，当能量不足时关闭应变检测模块并使超低功耗MCU休眠；内部运行EPCC1G2通信协议，识别解调模块输出的包络信息，根据包络信息完成与RFID阅读器的握手、通信等过程并控制发射模块将EPC编码回复给RFID阅读器；完成传感控制、计算及通信功能；

应变检测模块在超低功耗MCU使能时工作，采集被测结构中应力检测点的应力值，输入到超低功耗MCU。

进一步地，所述射频前端中的偶极子天线为板载的PCB天线，工作频段为920～925MHz，天线的输出端有LC匹配电路调整阻抗匹配，提高电磁波能量采集效率。

进一步地，所述整流倍压稳压模块包括依次相连的三阶Dickson电路和线性稳压器。

进一步地，所述解调模块包括整流电路以及由运算放大器组成的包络检波器。

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；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。

进一步地，所述应变检测模块中，R4、R5、C1构成仪表放大器的补偿电路，Vreg作为桥式电路和仪表放大器的基准电压，超低功耗MCU的的数字I/O控制引脚控制仪表放大器的工作状态，Vstrain输出当前的应力对应的电压值，不同的应力对应不同的输出电压。所述应变检测模块中，箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。

进一步地，应变检测模块输出电压值U与结构所受应力F的关系为U＝k*U_AC*K_s*F,其中K_s为箔式应变片的灵敏度系数，U_AC为储能电容供给应变片桥式电路的基准电压，k为修正参数。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的超低功耗的无源结构应变检测装置使用被动式通信方式，偶极子接收的射频能量经整流倍压稳压模块后供给整个装置工作，超低功耗MCU读取应力检测模块采集的信息通过发射模块经由偶极子天线回复给RFID阅读器。装置体积小，方便部署在被检测结构内部。

2.装置无需额外能量供应，无需携带电池，可以长期工作且维护工作量小。充分利用射频能量回收技术，解决了基于无线传感器网络技术进行结构健康监测的能量依赖问题。

3.RFID阅读器与控制中心能实时处理装置采集的信息，识别结构状态，预测损伤，进行安全评定，提出使用和维护意见。同时，装置埋入结构内部采集应力变化信息，具有较强的实时性与准确性。

4.通过采用EPCC1G2通信协议，可增大装置的通信范围，提高装置工作的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的超低功耗MCU电路图；

图3是本发明的应变检测模块的电路图；

图4是控制中心读到的EPC编码格式。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细。

如图1所示，本发明一种超低功耗无源应变监测装置，所述装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和储能电容，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；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，整流倍压稳压模块分别与储能电容和超低功耗MCU相连，解调模块、应变检测模块和发射模块均与超低功耗MCU相连；

偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波；

整流倍压稳压模块将偶极子天线接收到的电磁波转换为直流电，将能量存储在储能电容中，并对超低功耗MCU和应变检测模块进行供电；

解调模块包括依次相连的整流倍压电路和运算放大器组成的包络检波电路，将偶极子天线接收到的电磁波包络信息解调后输入超低功耗MCU；

超低功耗MCU监测储能电容储存的能量，当能量充足时通过AD接口采样应变检测模块输出电压值，并将其转换为EPC编码，当能量不足时关闭应变检测模块并使超低功耗MCU休眠；内部运行EPCC1G2通信协议，识别解调模块输出的包络信息，根据包络信息完成与RFID阅读器的握手、通信等过程并控制发射模块将EPC编码回复给RFID阅读器；完成传感控制、计算及通信功能；

应变检测模块在超低功耗MCU使能时工作，采集被测结构中应力检测点的应力值，输入到超低功耗MCU。

所述射频前端中的偶极子天线为板载的PCB天线，工作频段为920～925MHz，天线的输出端有LC匹配电路调整阻抗匹配，提高电磁波能量采集效率。

所述整流倍压稳压模块包括依次相连的三阶Dickson电路和线性稳压器。

所述解调模块包括整流电路以及由运算放大器组成的包络检波器。

所述发射模块可由MOS管组成，受超低功耗MCU控制。

如图3所示，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(引脚1)，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚(引脚10)，仪表放大器的正电源引脚(引脚3)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(引脚6)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(引脚8)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(引脚5)，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚(引脚4)，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；仪表放大器的放大倍数由R1、R2、C2的值决定具体参考芯片数据手册。R4、R5、C1构成仪表放大器的补偿电路，Vreg作为桥式电路和仪表放大器的基准电压，超低功耗MCU的的数字I/O控制引脚控制仪表放大器的工作状态，Vstrain输出当前的应力对应的电压值，不同的应力对应不同的输出电压；可以根据实际的应力变化范围调节箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。

应变检测模块输出电压值U与结构所受应力F的关系为U＝k*U_AC*K_s*F,其中K_s为箔式应变片的灵敏度系数，通常为一常数,U_AC为储能电容供给应变片桥式电路的基准电压，k为修正参数,k可通过应变测量仪实测拟合进行修正。

如图2所示，所述超低功耗MCU可选用TexasInstrument公司生产的MSP430系列的超低功耗单片机。解调模块的输出包络信息读入到超低功耗MCU的RX引脚；超低功耗MCU的TX引脚接发射模块。

超低功耗MCU实现传感控制功能过程如下：其中Vstrain引脚采样应变检测模块的输出电压，Vstrain_enable引脚可输出高低电平用于控制应变检测模块的仪表放大器是否工作，VMEMS_ENABLE引脚使能电压测量，VMEMS_OUT读取储能电容两端电压。当检测到VMEMS_OUT引脚读入电压大于设定阈值时，Vstrain_enable引脚使能,同时Vstrain引脚AD采样应变检测模块输出电压。

超低功耗MCU实现计算功能过程如下：超低功耗MCU每采样一次电压值，立即存入缓存区，等到采样次数达到设定阈值，将读取到的所有电压值进行平均值计算，得到一个最终的电压值，并将电压值编成EPC编码，EPC编码为一系列的01序列。

超低功耗MCU实现通信功能过程如下：超低功耗MCU接收来自解调模块的高低电平序列，进而可以判断当前的通信状态，在接收到ACK信号时进入发送状态，根据应变检测模块输出电压值的EPC编码控制发射模块MOS管的开断，完成信息的调制，再经过偶极子天线将信息发送给RFID阅读器。

图4是EPC编码的定义，标准的EPC编码共128比特，第0～15位用于存储报头；第16～23位用于存储传感器识别号；第24～87位存储用户数据，即传感器的采样值；第88～95位用于存储设备的版本号，方便版本控制，也可将其用于用户数据存储；96～111位用于存储设备ID号，用于多个结构健康监测装置同时工作时相互区分；112～127位用于存储校验码，只有当校验通过时接收到的EPC编码才显示到上位机，否则不显示。

上述实施例用来解释说明本发明，为不知对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超低功耗无源应变监测装置，其特征在于，所述装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和储能电容，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；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，整流倍压稳压模块分别与储能电容和超低功耗MCU相连，解调模块、应变检测模块和发射模块均与超低功耗MCU相连；

偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波；

整流倍压稳压模块将偶极子天线接收到的电磁波转换为直流电，将能量存储在储能电容中，并对超低功耗MCU和应变检测模块进行供电；

解调模块包括依次相连的整流倍压电路和运算放大器组成的包络检波电路，将偶极子天线接收到的电磁波包络信息解调后输入超低功耗MCU；

超低功耗MCU监测储能电容储存的能量，当能量充足时通过AD接口采样应变检测模块输出电压值，并将其转换为EPC编码，当能量不足时关闭应变检测模块并使超低功耗MCU休眠；内部运行EPCC1G2通信协议，识别解调模块输出的包络信息，根据包络信息完成与RFID阅读器的握手、通信等过程并控制发射模块将EPC编码回复给RFID阅读器；完成传感控制、计算及通信功能；

应变检测模块在超低功耗MCU使能时工作，采集被测结构中应力检测点的应力值，输入到超低功耗MCU。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频前端中的偶极子天线为板载的PCB天线，工作频段为920～925MHz，天线的输出端有LC匹配电路调整阻抗匹配，提高电磁波能量采集效率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流倍压稳压模块包括依次相连的三阶Dickson电路和线性稳压器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述解调模块包括整流电路以及由运算放大器组成的包络检波器。

5.根据权利要求1所述的装置，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。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变检测模块中，R4、R5、C1构成仪表放大器的补偿电路，Vreg作为桥式电路和仪表放大器的基准电压，超低功耗MCU的的数字I/O控制引脚控制仪表放大器的工作状态，Vstrain输出当前的应力对应的电压值，不同的应力对应不同的输出电压。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变检测模块中，箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，应变检测模块输出电压值U与结构所受应力F的关系为U＝k*U_AC*K_s*F,其中K_s为箔式应变片的灵敏度系数，U_AC为储能电容供给应变片桥式电路的基准电压，k为修正参数。