CN105547139B - 一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Wi‑Fi的无线应变测量系统，包括多个无线应变测量节点、一个AP(Wireless,Access,Point)和一个控制中心。无线应变测量节点包含Wi‑Fi通信设备，启动后利用Wi‑Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通无线过局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心的上位机对接收到的测量数据进行显示、存储和分析，同时还能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置。从而实现了对大型结构应变的无线测量，提高了工作效率，并降低了测量成本。

Description

一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统

技术领域

本发明涉及无线局域网技术，尤其涉及一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统。

背景技术

近年来，随着桥梁工程、水利工程和建筑工程技术的发展，越来越多的大型土木工程结构得以兴建，而这些工程结构的安全性、耐久性与使用受到人们的日渐关注。为了掌握结构的健康状态，避免事故的发生，需要对其受力情况进行监测。应变是表征工程结构受力状态的重要指标，通过应变测量可有效掌握结构的健康状况。传统的应变测量系统多为有线方式，有线系统虽然实时性好、传输效率高、技术也相对成熟，但在系统安装和维护的过程中需要布设大量的有线电缆，导致其灵活性下降，现场测试周期长，降低了工作效率，同时也增加了系统成本，因此其应用受到很大的局限。

为了解决传统有线系统中大量布线所带来的问题，无线传感器网络逐渐被应用到应变测量系统中。无线应变测量系统无需考虑布线问题，因此使得应变数据的采集变得更加灵活，而且扩展方便，更加适用于布线困难或者需要实现快速测量的场合。然而，基于无线传感器网络技术的无线系统尽管功耗低、设备价格低廉，但是带宽小、传输速率低、传输距离有限。而在很多大型结构的结构测试中，需要布置大量的应变传感器，测量范围广，并且要求在高频采样条件下实现应变数据的实时传输，因而对系统的数据传输速率和传输距离有着很高的要求。这种情况下，基于无线传感器网络技术的无线应变测量系统已经无法满足需求，远距离、高速率传输的无线系统的研究就变得非常需要了。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统，包括多个无线应变测量节点、一个AP(Wireless,Access,Point)和一个控制中心。无线应变测量节点包含Wi-Fi通信设备，启动后利用Wi-Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通过无线局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心的上位机对接收到的测量数据进行显示、存储和分析，同时还能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置。从而实现了对大型结构应变的无线测量，提高了工作效率，并降低了测量成本。

进一步地，所述无线应变测量节点由应变测量传感器、信号处理电路、微控制器、存储器、串口、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏、独立按键以及电源模块组成；其中，滤波放大电路、存储器、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏和独立按键与微处理器相连，微处理器自带16位精度的ADC，通过电源模块供电，串口与电平转换模块相连，应变测量传感器与信号处理电路相连；应变测量传感器采用电阻应变片，可将被测结构的应变信号转化为电信号；信号处理电路对测量得到的电信号进行滤波和放大；微处理器采用飞思卡尔公司的MK60FX单片机，通过ADC模块对放大后的测量信号进行采样并处理；存储器存储检测节点运行的代码；液晶显示屏用于节点调试时应变数据的显示、数据采样频率的选择及Wi-Fi连接状态的显示；独立按键用于选择采样频率；Wi-Fi模块采用的是TLN13UA06模块，在节点上电后加入无线局域网，通过UART和单片机进行通信；串口和电平转换模块上传检测节点代码；电源采用大容量锂电池，为测量节点供电；节点处理后的数据通过Wi-Fi模块以无线电波的形式发送出去。

信号处理电路包括惠斯通电桥、滤波放大电路和自动调零电路。所述惠斯通电桥由三个桥臂电阻和一个电阻应变片组成，采用1/4桥结构，由2V电压供电，去除其输出信号的共模噪声。所述滤波放大电路采用PGA204和AD526级联的方式，两者都是可编程增益高精度仪表放大器，PGA204的A0，A1引脚以及AD526的A0，A1，A2引脚均为芯片的控制引脚，和单片机的I/O口PTEx、PTCx相连，电桥输出信号两端和PGA204的4、5引脚相连，经信号处理电路处理后在AD526的9号脚输出，通过微处理器的ADC对其进行采样，利用微处理器的I/O口调节引脚的电平能改变其增益，用户可根据实际需要，通过控制中心发送指令来远程调节电路的放大倍数。所述自动调零电路由DA芯片DAC128S085和限流电阻构成，DA芯片和限流电阻一端相连，限流电阻另一端和应变片所在桥臂电阻和应变片连接点相连。DAC的SYNC，CLK，DIN引脚分别和微处理器的PTC0～PTC2引脚相连，两者利用SPI协议进行通信，通过调节DAC的输出电压来调节电桥的输出电压，从而可根据需要，通过上位机发送调零指令来对电桥进行自动调零操作。微处理器的工作过程如下：无线应变测量节点初始化时，首先通过UART和Wi-Fi模块进行通信，利用“AT+控制指令”来配置Wi-Fi模块的网络参数，使节点加入局域网。接着将运算放大器的放大倍数初始化为1000倍，ADC的采样频率初始化为100Hz，并开启串口接收中断。然后通过ADC对放大后的应变信号进行采样和预处理，并在液晶显示屏上显示各个测量点的应变。之后再利用Wi-Fi模块将测量数据以数据帧的形式发送给控制中心。若控制中心向节点发送控制指令，则触发串口接收中断，微处理器接收并执行控制指令。若接收到放大倍数切换指令，则改变相应I/O口的电平，调节程控放大器的放大倍数；若接收到采样频率切换指令，则将ADC的采样频率调节至相应频率。若接收到自动调零指令，则通过调节DAC的输出电压来平衡电桥。另外，在节点调试模式下，可根据读取到的独立按键的状态来改变节点的采样频率，从而可以很方便地手动调节节点采样频率。

无线路由器在测量区域构建无线局域网，控制中心和所有的无线应变测量节点都是网络中的用户。从而节点可以向控制中心发送测量数据，控制中心可以向节点发送控制指令。

进一步地，控制中心工作过程及功能如下：

(1)加入无线局域网：系统工作后，计算机通过无线网卡加入路由器组建的局域网，并手工分配IP地址；

(2)建立连接并读取端口数据：控制中心作为服务器端，建立套接字后，上位机通过一个线程监听指定端口。若在端口监听到有测量节点发出连接请求，则通过TCP协议的“三步握手”建立连接，并从端口读取该节点通过Wi-Fi模块发送的数据；

(3)解析数据包：监听线程接收节点发来的数据包并进行分析，若数据格式相符，则对数据包内容进行解析，获得测量节点的节点号、应变等信息。并向主线程发送消息；

(4)实时显示：当主线程接收到监听线程发来的消息时，在上位机的数据接收栏实时显示各节点号及其测得的应变，并调用绘图控件，在图形显示界面以曲线的方式显示应变的变化；

(5)指令发送：在上位机的数据发送栏可以给指定的节点发送控制指令，如自动校准指令、采样频率切换指令、放大倍数选择指令等。

(6)数据存储：上位机将接收到的数据以文本的形式保存到指定的文件夹当中。

本发明具有的有益效果是：基于Wi-Fi的无线应变测量系统的搭建，可无线测量结构的应变，从而可以对大型建筑的健康状况进行远程监测。用户还能根据需要，通过上位机发送指令远程调节指定节点的采样频率、放大倍数以及自动调零等。另外，还能将控制中心接收到的测量数据以图形的形式进行直观地显示，并保存数据，方便后续的研究。本系统具有成本较低、安装方便、测量准确等优点。与现有有线系统相比，本系统节点体积小，无需大量布线，部署与维护都十分方便。系统以Wi-Fi作为无线通信技术，选择最为常用的IEEE802.11b标准，采用2.4GHz直接序列扩频，最高数据传输速率可达11Mbps。无线应变测量节点在测量时可根据需要远程自动调零、切换放大倍数和采样频率等。节点和控制中心构成客户端/服务器模型，保证了数据通信的可靠性和快速性。上位机软件采用Java进行设计开发，具有卓越的通用性和平台移植性，且便于修改。此外，通过上位机软件将接收到的测量数据以图形的形式进行直观地显示，并以文本形式存储到指定的文件夹中，便于后续的分析和处理。总之，通过无线应变测量系统，能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置，实现了对各种结构健康状况的无线监测，有效改善了现有有线系统因大量布线所带来的问题，提高了工作效率，降低了测量成本，使得工程结构的安全性有了重要的保障。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是无线应变测量节点结构图；

图3是信号处理电路原理图，(a)为惠斯特电桥，(b)为滤波放大电路，(c)为自动调零电路；

图4是控制中心结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，无线应变测量系统包括多个无线应变测量节点、一个AP和一个控制中心。无线应变测量节点包含Wi-Fi通信设备，启动后利用Wi-Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通过无线局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心上的上位机软件对接收到的测量数据进行显示、存储和分析。从而实现对结构应变的无线测量。

如图2所示，无线应变测量节点由应变测量传感器、信号处理电路、微控制器、存储器、串口、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏、独立按键以及电源模块组成；其中，滤波放大电路、存储器、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏和独立按键与微处理器相连，微处理器自带16位精度的ADC，通过电源模块供电，串口与电平转换模块相连，应变测量传感器与信号处理电路相连；应变测量传感器采用电阻应变片，可将被测结构的应变信号转化为电信号；信号处理电路对测量得到的电信号进行滤波和放大；微处理器采用飞思卡尔公司的MK60FX单片机，通过ADC模块对放大后的测量信号进行采样并处理；存储器存储检测节点运行的代码；液晶显示屏用于节点调试时应变数据的显示、数据采样频率的选择及Wi-Fi连接状态的显示；独立按键用于选择采样频率；Wi-Fi模块采用的是TLN13UA06模块，在节点上电后加入无线局域网，通过UART和单片机进行通信；串口和电平转换模块上传检测节点代码；电源采用大容量锂电池，为测量节点供电；节点处理后的数据通过Wi-Fi模块以无线电波的形式发送出去。

如图3所示，信号处理电路包括惠斯通电桥、滤波放大电路和自动调零电路，有相同网络名称的点均相连导通。图3(a)为惠斯通电桥，其中S1～S8是电阻应变片，R7～R30为桥臂电阻。电桥由2V电压供电，将电阻应变片接入电桥，可去除其输出信号的共模噪声。滤波放大电路如图3(b)所示，PTEx,PTCx表示单片机的I/0口，Signal1～Signal8表示8路经信号处理电路处理后的信号，由微处理器的ADC对其进行采样。采用PGA204和AD526级联的方式，两者都是可编程增益高精度仪表放大器，PGA204的A0，A1引脚以及AD526的A0，A1，A2引脚均为芯片的控制引脚，和单片机的I/O口相连。利用微处理器的I/O口调节引脚的电平能改变其增益，用户可根据实际需要，通过控制中心发送指令来远程调节电路的放大倍数；自动调零电路如图3(c)所示，由DA芯片DAC128S085和限流电阻构成，芯片的SYNC，CLK，Din引脚分别和微处理器的PTC0～PTC2引脚相连，两者利用SPI协议进行通信，通过调节Bi(i＝1,3,5...15)点的电压来调节电桥的输出电压，从而可根据需要，通过上位机发送调零指令来对电桥进行自动调零操作。

微处理器的工作过程如下：无线应变测量节点初始化时，首先通过UART和Wi-Fi模块进行通信，利用“AT+控制指令”来配置Wi-Fi模块的网络参数，使节点加入局域网。接着将运算放大器的放大倍数初始化为1000倍，ADC的采样频率初始化为100Hz，并开启串口接收中断。然后通过ADC对放大后的应变信号进行采样和预处理，并在液晶显示屏上显示各个测量点的应变。之后再利用Wi-Fi模块将测量数据以数据帧的形式发送给控制中心。若控制中心向节点发送控制指令，则触发串口接收中断，微处理器接收并执行控制指令。若接收到放大倍数切换指令，则改变相应I/O口的电平，调节程控放大器的放大倍数；若接收到采样频率切换指令，则将ADC的采样频率调节至相应频率。若接收到自动调零指令，则通过调节DAC的输出电压来平衡电桥。另外，在节点调试模式下，可根据读取到的独立按键的状态来改变节点的采样频率，从而可以很方便地手动调节节点采样频率。

如图4所示，控制中心工作过程及功能如下：

(1)加入无线局域网：系统工作后，计算机通过无线网卡加入路由器组建的局域网，并手工分配IP地址；

(2)建立连接并读取端口数据：控制中心作为服务器端，建立套接字后，上位机通过一个线程监听指定端口。若在端口监听到有测量节点发出连接请求，则通过TCP协议的“三步握手”建立连接，并从端口读取该节点通过Wi-Fi模块发送的数据；

(3)解析数据包：监听线程接收节点发来的数据包并进行分析，若数据格式相符，则对数据包内容进行解析，获得测量节点的节点号、应变等信息。并向主线程发送消息；

(4)实时显示：当主线程接收到监听线程发来的消息时，在上位机的数据接收栏实时显示各节点号及其测得的应变，并调用绘图控件，在图形显示界面以曲线的方式显示应变的变化；

(5)指令发送：在上位机的数据发送栏可以给指定的节点发送控制指令，如自动校准指令、采样频率切换指令、放大倍数选择指令等。

(6)数据存储：上位机可以将接收到的数据以文本的形式保存到指定的文件夹当中。

Claims (1)

1.一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统，其特征在于，该系统包括多个无线应变测量节点、一个AP和一个控制中心；无线应变测量节点包含Wi-Fi通信设备，启动后利用Wi-Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通过无线局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心的上位机对接收到的测量数据进行显示、存储和分析，同时还能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置，从而实现对大型结构应变的无线测量；

所述无线应变测量节点由应变测量传感器、信号处理电路、微控制器、存储器、串口、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏、独立按键以及电源模块组成；其中，信号处理电路、存储器、电平转换模块、Wi-Fi模块、液晶显示屏和独立按键均与微处理器相连，微处理器自带16位精度的ADC，通过电源模块供电，串口与电平转换模块相连，应变测量传感器与信号处理电路相连；应变测量传感器采用电阻应变片，可将被测结构的应变信号转化为电信号；信号处理电路对测量得到的电信号进行滤波和放大；微处理器采用飞思卡尔公司的MK60FX单片机，通过ADC模块对放大后的测量信号进行采样并处理；存储器存储节点运行的代码；液晶显示屏用于应变数据的显示、数据采样频率的选择及Wi-Fi连接状态的显示；独立按键用于选择采样频率；Wi-Fi模块采用的是TLN13UA06模块，在节点上电后加入无线局域网，通过UART和单片机进行通信；串口和电平转换模块上传节点代码；电源采用大容量锂电池，为测量节点供电；节点处理后的数据通过Wi-Fi模块以无线电波的形式发送出去；

所述信号处理电路包括惠斯通电桥、滤波放大电路和自动调零电路；所述惠斯通电桥由三个桥臂电阻和一个电阻应变片组成，采用1/4桥结构，由2V电压供电，去除其输出信号的共模噪声；所述滤波放大电路采用PGA204和AD526级联的方式，两者都是可编程增益高精度仪表放大器，PGA204的A0，A1引脚以及AD526的A0，A1，A2引脚均为芯片的控制引脚，和单片机的I/O口PTEx、PTCx相连，电桥输出信号两端和PGA204的4、5引脚相连，经信号处理电路处理后在AD526的9号脚输出，通过微处理器的ADC对其进行采样，利用微处理器的I/O口调节引脚的电平能改变其增益，用户可根据实际需要，通过控制中心发送指令来远程调节电路的放大倍数；所述自动调零电路由DA芯片DAC128S085和限流电阻构成，DA芯片和限流电阻一端相连，限流电阻另一端和应变片所在桥臂电阻和应变片连接点相连；DAC的SYNC，CLK，DIN引脚分别和微处理器的PTC0~PTC2引脚相连，两者利用SPI协议进行通信，通过调节DAC的输出电压来调节电桥的输出电压，从而可根据需要，通过上位机发送调零指令来对电桥进行自动调零操作；微处理器的工作过程如下：无线应变测量节点初始化时，首先通过UART和Wi-Fi模块进行通信，利用“AT+控制指令”来配置Wi-Fi模块的网络参数，使节点加入局域网；接着将运算放大器的放大倍数初始化为1000倍，ADC的采样频率初始化为100Hz，并开启串口接收中断；然后通过ADC对放大后的应变信号进行采样和预处理，并在液晶显示屏上显示各个测量点的应变；之后再利用Wi-Fi模块将测量数据以数据帧的形式发送给控制中心；若控制中心向节点发送控制指令，则触发串口接收中断，微处理器接收并执行控制指令；若接收到放大倍数切换指令，则改变相应I/O口的电平，调节程控放大器的放大倍数；若接收到采样频率切换指令，则将ADC的采样频率调节至相应频率；若接收到自动调零指令，则通过调节DAC的输出电压来平衡电桥；另外，在节点调试模式下，可根据读取到的独立按键的状态来改变节点的采样频率，从而可以很方便地手动调节节点采样频率；

所述AP由无线路由器组成；通过路由器组建无线局域网，无线应变测量节点和控制中心构成客户端/服务器模型；采用手工分配方式指定分配控制中心的IP地址；采用自动分配方式分配节点的IP地址；

所述控制中心由计算机和上位机组成，是客户端/服务器模型中的服务器端，其工作过程及功能如下：

(1) 加入无线局域网：系统工作后，计算机通过无线网卡加入路由器组建的局域网，并手工分配IP地址；

(2) 建立连接并读取端口数据：控制中心作为服务器端，建立套接字后，上位机通过一个线程监听指定端口；若在端口监听到有测量节点发出连接请求，则通过TCP协议的“三步握手”建立连接，并从端口读取该节点通过Wi-Fi模块发送的数据；

(3) 解析数据包：监听线程接收节点发来的数据包并进行分析，若数据格式相符，则对数据包内容进行解析，获得测量节点的节点号、应变信息；并向主线程发送消息；

(4) 实时显示：当主线程接收到监听线程发来的消息时，在上位机的数据接收栏实时显示各节点号及其测得的应变，并调用绘图控件，在图形显示界面以曲线的方式显示应变的变化；

(5) 指令发送：在上位机的数据发送栏给指定的节点发送控制指令，包括自动校准指令、采样频率切换指令、放大倍数选择指令；

(6) 数据存储：上位机可以将接收到的数据以文本的形式保存到指定的文件夹当中。