CN105424169A - 基于无线传感网络的振动监测系统 - Google Patents

Abstract

基于无线传感网络的振动监测系统，属于工程结构振动及安全监测技术领域。本发明是为了解决现有工程结构振动监测中使用的无线传感网络采用有线方式传递数据信号，测试误差大并且数据传输速率受限的问题。它的加速度传感器芯片用于采集监测点三个轴向的加速度数据，并将该加速度数据传输给数据处理器；数据处理器用于存储接收的加速度数据，并将加速度数据传输给无线信号收发器；无线信号收发器用于将加速度数据以无线形式发送给无线路由器；无线路由器用于实现无线传感器节点与计算机之间的无线通信连接；计算机具有数据采集模块。本发明用于振动监测。

Description

基于无线传感网络的振动监测系统

技术领域

本发明涉及基于无线传感网络的振动监测系统，属于工程结构振动及安全监测技术领域。

背景技术

工程结构的健康监测，是对工程结构实施实时的监测和诊断，借助无损传感技术，分析布设在结构上的传感器的动态响应，了解结构的动力特性，达到损伤检测的目的。及时发现结构的损伤并对其安全性进行评估，预测结构的性能变化为结构的后期维护提供支撑。因此，结构的健康监测是保证结构安全服役的有效手段。而获得可靠的测试数据则是健康监测分析的重要基础。

传感系统能够拾取结构的动态响应，采集测试数据，是健康监测系统的重要组成部分。目前，工程领域常用的传感器包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器、倾角传感器等等。其中，加速度可以直接测试，并应用于动态系统的运动微分方程及反问题进行系统参数识别、结构安全监测及状态评估。加速度测量信号在工程结构监测、评估的直接使用可避免信号积分运算造成的误差。因此，加速度传感器一直是工程界应用最为广泛的传感器。

加速度传感器按数据的传输方式分为有线和无线两种类型。传统的有线传感器，安装、拆卸较为繁琐，大量的导线连接耗时耗力耗材，连接线的振动甚至松动，都会造成数据污染，此外，有线传感器需要与信号放大器相连接，测试成本较高，同时，传感器的布设数量受信号放大器的通道数量所限制。随着智能软件及硬件的快速发展，无线加速度传感器逐渐开始应用，目前市场上使用的无线传感器，大都是基于ZigBee模块，相比目前广泛应用的Wi-Fi模块而言，ZigBee网络的带宽严重不足，导致传输速率不高，一般低于250kbps，且ZigBee中的关键节点故障会影响后面所有节点的正常工作。因此，亟需研发一种基于Wi-Fi模块的无线传感系统。

发明内容

本发明目的是为了解决现有工程结构振动监测中使用的无线传感网络采用有线方式传递数据信号，测试误差大并且数据传输速率受限的问题，提供了一种基于无线传感网络的振动监测系统。

本发明所述基于无线传感网络的振动监测系统，它包括无线传感器节点、无线路由器和计算机，

无线传感器节点包括加速度传感器芯片、数据处理器、无线信号收发器以及电源模块，

加速度传感器芯片用于采集监测点三个轴向的加速度数据，并将该加速度数据传输给数据处理器；所述三个轴向为监测点所在位置，加速度传感器芯片自身在空间坐标系中的三个坐标轴方向；

数据处理器用于存储接收的加速度数据，并将加速度数据传输给无线信号收发器；

无线信号收发器用于将加速度数据以无线形式发送给无线路由器；

电源模块用于为加速度传感器芯片、数据处理器和无线信号收发器提供工作电源；

无线路由器用于实现无线传感器节点与计算机之间的无线通信连接；

计算机具有数据采集模块，数据采集模块用于存储已经接收的加速度数据，将加速度数据以图形界面进行显示，并控制加速度传感器芯片的工作模式。

所述数据处理器包括数据采集模块、数据发送模块、命令字接收模块和初始化模块；

数据采集模块用于按照指定频率采集加速度传感器芯片发送的加速度数据，并将该加速度数据存入既定的数据队列，当既定的数据队列写满后，启动数据发送模块；数据采集模块采集加速度数据的顺序为X轴、Y轴和Z轴；

数据发送模块根据数据采集模块的启动指令启动一次数据发送，将既定的数据队列中加速度数据发送给无线信号收发器后，清空数据采集模块中既定的数据队列；

命令字接收模块用于接收计算机对加速度传感器芯片工作模式的启动、停止指令，调控加速度传感器芯片的数据采集方向，数据采样频率及采样量程，并控制加速度传感器芯片及时响应；

初始化模块用于实现加速度传感器芯片以及无线信号收发器的初始化工作。

无线信号收发器与无线路由器之间通过Wi-Fi协议实现通信；无线信号收发器与计算机均被设置在无线路由器所设定的固定网段内。

无线传感器节点为多个。

本发明的优点：本发明所述监测系统，由计算机控制启动或停止，当计算机启动监测系统时，无线传感器节点接收指令并开始采集加速度信息，通过Wi-Fi通信协议在线实时传输给无线路由器，无线路由器将采集的数据转发给计算机，计算机通过采集软件实现数据的存储与输出，采集软件支持数据的图形显示。

所述无线监测系统中，传感器与计算机之间使用自定义的协议进行数据传输，有效保证了数据传输的可靠性。无线连接避免测试过程中的导线触碰振动或导线连接松动等导致的数据的污染，无线传感系统无需传统的电荷放大器和信号采集仪，降低了测试的成本，同时，无线传感器节点本身体积小，功耗低，易于拆装，非常适用于工程结构以及环境的振动测试。

本发明能够有效避免测试数据污染造成的测试误差。其无线传输数据的方式，简化了测试过程，传感器节点安装方便，使得测试操作更为简单。时取消导线布设，也降低了物力成本。本发明所采用的无线传输方式为Wi-Fi模块，相比基于ZigBee模块的无线传感系统而言，传输速率大幅提高，避免ZigBee中存在的前面节点故障对后面所有节点的影响。同时，随着Wi-Fi无线网络的大幅覆盖，基于Wi-Fi通信模块的无线传感系统的适用范围将更为广泛。此外，本发明所提供的监测系统中，数据转发工作由路由器完成，计算机任务少，计算效率高，采集软件支持多通道同时工作，无线传感器节点内置时钟，解决了不同传感器之间的时差问题。同时，无线传感器节点预留有多路对外接口，支持传感器的功能拓展，如拓展为温度传感器、湿度传感器、倾角传感器等。

附图说明

图1是本发明所述基于无线传感网络的振动监测系统的构成示意图；

图2是无线传感器节点的原理框图；

图3是无线传感器节点的工作流程图；

图4是无线传感器节点中数据处理器的原理框图；

图5是计算机中数据采集模块的功能示意图；

图6是加速度传感器的电路图；

图7是无线信号收发器的串口电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述基于无线传感网络的振动监测系统，它包括无线传感器节点1、无线路由器2和计算机3，

无线传感器节点1包括加速度传感器芯片1-1、数据处理器1-2、无线信号收发器1-3以及电源模块1-4，

加速度传感器芯片1-1用于采集监测点三个轴向的加速度数据，并将该加速度数据传输给数据处理器1-2；所述三个轴向为监测点所在位置，加速度传感器芯片1-1自身在空间坐标系中的三个坐标轴方向；

数据处理器1-2用于存储接收的加速度数据，并将加速度数据传输给无线信号收发器1-3；

无线信号收发器1-3用于将加速度数据以无线形式发送给无线路由器2；

电源模块1-4用于为加速度传感器芯片1-1、数据处理器1-2和无线信号收发器1-3提供工作电源；

无线路由器2用于实现无线传感器节点1与计算机3之间的无线通信连接；无线路由器2将无线传感器节点1所采集的数据以无线形式传输给计算机3，同时，无线路由器2可以将计算机3的指令以无线方式传输给无线传感器节点1；

计算机3具有数据采集模块，数据采集模块用于存储已经接收的加速度数据，将加速度数据以图形界面进行显示，并控制加速度传感器芯片1-1的工作模式。

具体实施方式二：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述数据处理器1-2包括数据采集模块、数据发送模块、命令字接收模块和初始化模块；

数据采集模块用于按照指定频率采集加速度传感器芯片1-1发送的加速度数据，并将该加速度数据存入既定的数据队列，当既定的数据队列写满后，启动数据发送模块；数据采集模块采集加速度数据的顺序为X轴、Y轴和Z轴；

数据发送模块根据数据采集模块的启动指令启动一次数据发送，将既定的数据队列中加速度数据发送给无线信号收发器1-3后，清空数据采集模块中既定的数据队列；

命令字接收模块用于接收计算机3对加速度传感器芯片1-1工作模式的启动、停止指令，调控加速度传感器芯片1-1的数据采集方向，数据采样频率及采样量程，并控制加速度传感器芯片1-1及时响应；

初始化模块用于实现加速度传感器芯片1-1以及无线信号收发器1-3的初始化工作。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，无线信号收发器1-3与无线路由器2之间通过Wi-Fi协议实现通信；无线信号收发器1-3与计算机3均被设置在无线路由器2所设定的固定网段内。

无线路由器2与计算机3之间的连接方式，可以是无线连接也可以是有线连接；无线传感器节点1所采集的信息通过无线信号传输给无线路由器2，由无线路由器2完成信号的转发工作，并将信号发送给计算机3。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，无线传感器节点1为多个。

计算机3支持多通道无线传感器节点1同时工作，用于实现加速度信息的图形界面显示，支持采集数据的存储与输出。通过计算机3可以控制无线传感器节点1的工作模式，即加速度信息的采样方向，同时可以设置加速度信息的采样量程、采样频率。

本发明中，加速度传感器1-1用于拾取监测点结构振动的加速度信号，其芯片型号可采用MMA7455，ADXL345、MMA8452Q等，其三个方向采样精度相同，支持±2g、±4g、±8g三种量程，最大采样频率800HZ。数据处理器1-2选用LPC2220/LPC2010、ARM系列等，计算效率高，满足数据传输需求。无线信号收发器1-3选用市面上通用的具有成熟的串口型Wi-Fi通信模块，串口最大数据传输速率400Kbit/s，该Wi-Fi通信模块支持802.11b/g协议。电源模块1-4同时支持两种供电方式，采用预留接口式外接电源以及电池连接，正常工作电压为3.0V。

无线路由器2可选用市面上常见的无线路由器。无线路由器有其固定的网段，无线传感器节点1的地址按实际使用的传感器数量依次排列，固定网段最多支持256个无线传感器节点1同时工作，完全满足工程需要。计算机可选用普通计算机，当计算机与无线路由器之间采用无线连接时，计算机应选择支持Wi-Fi无线连接的计算机。

Claims (4)

1.一种基于无线传感网络的振动监测系统，其特征在于，它包括无线传感器节点(1)、无线路由器(2)和计算机(3)，

无线传感器节点(1)包括加速度传感器芯片(1-1)、数据处理器(1-2)、无线信号收发器(1-3)以及电源模块(1-4)，

加速度传感器芯片(1-1)用于采集监测点三个轴向的加速度数据，并将该加速度数据传输给数据处理器(1-2)；所述三个轴向为监测点所在位置，加速度传感器芯片(1-1)自身在空间坐标系中的三个坐标轴方向；

数据处理器(1-2)用于存储接收的加速度数据，并将加速度数据传输给无线信号收发器(1-3)；

无线信号收发器(1-3)用于将加速度数据以无线形式发送给无线路由器(2)；

电源模块(1-4)用于为加速度传感器芯片(1-1)、数据处理器(1-2)和无线信号收发器(1-3)提供工作电源；

无线路由器(2)用于实现无线传感器节点(1)与计算机(3)之间的无线通信连接；

计算机(3)具有数据采集模块，数据采集模块用于存储已经接收的加速度数据，将加速度数据以图形界面进行显示，并控制加速度传感器芯片(1-1)的工作模式。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的振动监测系统，其特征在于，所述数据处理器(1-2)包括数据采集模块、数据发送模块、命令字接收模块和初始化模块；

数据采集模块用于按照指定频率采集加速度传感器芯片(1-1)发送的加速度数据，并将该加速度数据存入既定的数据队列，当既定的数据队列写满后，启动数据发送模块；数据采集模块采集加速度数据的顺序为X轴、Y轴和Z轴；

数据发送模块根据数据采集模块的启动指令启动一次数据发送，将既定的数据队列中加速度数据发送给无线信号收发器(1-3)后，清空数据采集模块中既定的数据队列；

命令字接收模块用于接收计算机(3)对加速度传感器芯片(1-1)工作模式的启动、停止指令，调控加速度传感器芯片(1-1)的数据采集方向，数据采样频率及采样量程，并控制加速度传感器芯片(1-1)及时响应；

初始化模块用于实现加速度传感器芯片(1-1)以及无线信号收发器(1-3)的初始化工作。

3.根据权利要求1或2所述的基于无线传感网络的振动监测系统，其特征在于，无线信号收发器(1-3)与无线路由器(2)之间通过Wi-Fi协议实现通信；无线信号收发器(1-3)与计算机(3)均被设置在无线路由器(2)所设定的固定网段内。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的振动监测系统，其特征在于，无线传感器节点(1)为多个。