CN105890670A - 一种高层建筑结构健康检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高层建筑结构健康检测系统，包括多个无线可充电检测节点、可编程无人机平台和射频发射器；检测节点部署在高层建筑每层楼的结构内部，通过传感器检测结构健康状况；工作人员根据检测节点海拔高度通过地面站为无人机平台下载悬停航点文件，无人机平台按照航点文件内容自动飞行，悬停在每个检测节点附近；检测节点收集到安置在无人机平台上的射频发射器发送的射频能量为节点自身供电。本发明结合了无人机技术和基于射频能量收集的无线充电技术，能够快速有效地检测高层建筑各个楼层和不同位置区域的结构健康信息，为高层建筑的结构健康状况判断提供了科学的判断依据，同时能够精确高效地完成检测任务，适用于不同的高层建筑结构体。

Description

一种高层建筑结构健康检测系统

技术领域

本发明涉及结构健康检测技术、无线可充电传感器网络技术、基于电磁波收集的无线充电技术以及智能无人机技术，尤其涉及一种新型高层建筑结构健康检测系统。

背景技术

结构健康检测技术是指对工程结构实施损伤检测和识别，而体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。高层建筑结构的使用周期非常长，在使用过程中，由于超荷负载、材料老化、结构缺陷等因素的作用，结构体将不断累积损伤，使结构的承载能力降低。在遇到极端自然环境(地震、台风等)时，可能遭受极为严重的破坏。因此，定期检测高层建筑的结构健康状况，及时发现可能存在的损伤，对高层建筑的可靠性和适用性具有很重要的现实意义。

目前，传统的高层建筑结构健康检测采用的依旧是人工测量的方式，依靠人工去待检测区域部署监测仪器并读取有关数据。由于高层建筑的结构体复杂，工程量较大，单纯依靠人工去踩点测量会耗费大量的人力物力。而且某些结构健康状况需要去采集结构体内部的物理信息，譬如混凝土强度、钢筋形变度等，目前一般是采用损伤检测法。高层建筑结构健康检测最困难的部分是外墙体，由于楼层很高，依靠人工去部署检测仪器十分危险。总得来说，高层建筑的结构健康检测技术十分不成熟，仍有很多瓶颈问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型高层建筑结构健康检测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种新型高层建筑结构健康检测系统，包括多个无线可充电检测节点、一个可编程无人机平台、一个汇聚节点、一个射频发射器和云端服务器；无线可充电检测节点部署在高层建筑每层楼的结构内部，通过温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器检测高层建筑结构的健康状况；工作人员可根据检测节点的海拔高度通过地面站为无人机平台下载悬停航点文件，无人机平台按照航点文件的内容自动飞行，并能够准确的悬停在每个检测节点附近；射频发射器被安置在无人机平台上，检测节点收集到射频发射器发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点也被安置在无人机平台上，当检测节点充电完成后，传感器数据通过ZigBee无线通信协议发送至汇聚节点，汇聚节点对数据进行分析处理，最后通过路由网关将数据转发至云端服务器；云端服务器接收数据后，将数据存储在数据库中，并向用户提供实时的网页显示界面。

进一步地，所述检测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成；其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器分别与微处理器相连；能量收集天线接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中；稳压模块将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器感知结构的多种健康信息；微处理器接收传感器的测量数据并处理；ZigBee通信模块将处理后的数据通过天线发送至汇聚节点

微处理器的工作过程如下：微处理器上电后，先完成系统及各个模块的初始化工作。利用内部ADC读取传感器输出的模拟电压值，多次采样求得平均值，并转换为温度、湿度、应变力和加速度相对应的物理量数据。监测节点的无线收发模块搜索汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求，若请求成功，则向汇聚节点传输传感器数据包。

进一步地，所述可编程无人机平台由地面站、无人机机架、飞控系统、电子调速器、电机、螺旋桨、GPS、气压计、433MHz接收机、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池构成；其中，地面站实时显示无人机平台的飞行状态，与无人机通过433MHz的无线通信协议相连，无人机机架作为无人机平台的主体，所有的设备都被安置在机架的特定区域，电机和电子调速器通过粗铜线相连，螺旋桨被固定在电机上，433MHz接收机与PPM编码器通过杜邦线连接，GPS、气压计、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池分别与飞控系统相连，电子调速器分别与大容量锂电池和飞控系统相连；无人机机架为无人机平台的主体部分，负载了动力装置以及飞行控制系统；飞控系统接收节点的传感器信息，并控制无人机的飞行状态，飞控系统的固件通过上位机下载；电子调速器控制可控硅的导通来改变电机的供电电压，使电机的特性曲线下移来改变异步电机的转速；电机带动螺旋桨转动，为无人机平台提供动力；GPS实时监测无人机的地理坐标，为飞控系统提供定位信息；气压计根据无人机所在空间的气压值来判断无人机的飞行高度；433MHz接收机通过MavLink通信协议与地面站无线连接；PPM编码器接收并解调433MHz接收机的编码信号，将解调后的信号传输至飞控系统；光流摄像头辅助气压计在低空的定高，提高无人机的悬停稳定性，同时光流摄像头模块自带超声波传感器，可以使无人机与待检测墙壁保持一定的安全距离；大容量锂电池经稳压滤波后为整个无人机平台供电。

进一步地，所述汇聚节点由ZigBee汇聚节点、Arduino单片机、GPRS模块组成；其中，Arduino单片机分别通过两个串口与ZigBee汇聚节点和GPRS模块相连；ZigBee汇聚节点通过PCB天线接收监测节点发送的高层建筑结构体健康状况数据，并对该数据进行处理，最后将数据传输至Arduino单片机；Arduino单片机作为整个汇聚节点主控模块，通过串口0接收ZigBee汇聚节点发送的传感器数据，然后通过串口1将数据传输至GPRS模块；GPRS模块由Arduino单片机驱动，首先接收Arduino的串口数据，然后将该数据按照GPRS通信协议要求的数据包格式发送至服务商提供的专用网关。

进一步地，所述射频发射器由振荡器模块、功率放大模块、电源模块以及天线模块构成；其中，振荡器模块与天线模块分别通过50欧姆微带线与功率放大模块相连，电源模块经过降压滤波后分别与振荡器模块、功率放大模块相连；振荡器模块产生持续稳定的915MHz射频信号；功率放大器将射频信号进行功率放大；电源模块为整个射频发射器供电，包括锂电池和相关的稳压滤波电路；天线模块利用中心频率为915MHz的右旋圆极化RFID板状天线将射频信号以电磁波的形式向空间发射。

进一步地，所述云端服务器工作过程如下：

数据接收：通过TCP连接到专用网关，云服务器接收到GPRS模块发来的传感器数据；

解析JSON字段：服务器端先后获取到两个JSON字段，如果这两个JSON字段格式符合要求，则提取出这两个字段的值，获得监测节点的传感器信息；

数据存储：将传感器信息数据存储到云端数据库；

数据显示：从云端数据库提取每个传感器对应表中最新的数据，显示到HTML页面上；

数据分析：利用第三方Java Script库提取数据的标志位，判断数据类型后将同一类型数据根据时间刻度显示在波形图上，便于用户清楚地观察一段时间内数据的变化趋势，最终的分析结果通过HTML页面显示；

操作界面：使用HTML呈现操作界面，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。

本发明具有的有益效果是：一种新型高层建筑结构健康检测系统，无线可充电传感器网络节点部署在待检测的高层建筑结构体内部，自主收集射频能量并为自身供电，不需要额外供电，摆脱了电池容量的束缚；使用了低功耗稳定的性高的ZigBee点对点无线通信协议以及GPRS通用分组无线服务技术，能够有效地将结构体内部的传感器数据传输至云端服务器；充分利用了智能无人机的飞行便利性，采用了独特的移动充电与感知的检测方式极大地提高了检测效率与检测速度，同时也能支持更多的应用场合；利用汇聚节点的数据转发功能，可以解决无线传感器节点数据链路太短的问题；超低功耗温度传感器、湿度传感器、位移传感器以及加速度传感器能够有效直观的检测高层建筑每个楼层的结构健康状况；云端服务器为用户提供了实时网页显示、数据波形绘制以及历史数据存储调用等功能，极大方便了用户的使用和操作；系统可应用在各种高层建筑结构体，具有很高的实用价值，为高层建筑健康状况的判断和预警提供了精确地科学指导。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是监测节点的结构图；

图3是无人机平台的结构图；

图4是汇聚节点的结构图；

图5是射频发射器的结构图；

图6是云端服务器的程序流程图。

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,一种新型高层建筑结构健康检测系统，包括多个无线可充电检测节点、一个可编程无人机平台、一个汇聚节点、一个射频发射器和云端服务器；无线可充电检测节点部署在高层建筑每层楼的结构内部，通过温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器检测高层建筑结构的健康状况；工作人员可根据节点的海拔高度通过地面站为无人机平台下载悬停航点文件，无人机平台按照航点文件的内容自动飞行，并能够准确的悬停在每个检测节点附近；射频发射器被安置在无人机平台上，检测节点收集到射频发射器发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点也被安置在无人机平台上，当检测节点充电完成后，传感器数据通过ZigBee无线通信协议发送至汇聚节点，汇聚节点对数据进行分析处理，最后通过路由网关将数据转发至云端服务器；云端服务器接收数据后，将数据存储在数据库中，并向用户提供实时的网页显示界面。

如图2所示,所述检测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成；其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器分别与微处理器相连。能量收集天线中心频率为915MHz的Patch天线，接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由美国Powercast公司的P2110B能量转换芯片及其外围电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中，其中超级电容选用的是AVX Bestcap系列超级电容；稳压芯片选用安森美半导体公司的新型低压差线性稳压芯片NCP698SQ30T1G，用于将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器采用美信半导体公司新推出的高精度低功耗温度传感器MAX6613，湿度传感器采用霍尼韦尔公司的超低功耗湿度传感器HIH-5030，位移传感器采用混凝土应变片以及外围电路，加速度传感器采用ADXL362超低功耗三轴加速度检测芯片，这四个传感器用于结构体的健康信息；微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，这款微处理器内嵌一个8051的内核，同时结合了领先的RF收发器的优良性能，将传感器采集的数据处理后通过天线发送至汇聚节点。

微处理器的工作过程如下：微处理器上电后，先完成系统及各个模块的初始化工作。利用内部ADC读取传感器输出的模拟电压值，多次采样求得平均值，并转换为温度、湿度、应变力和加速度相对应的物理量数据。监测节点的无线收发模块搜索汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求，若请求成功，则向汇聚节点传输传感器数据包。

如图3所示，所述可编程无人机平台由地面站、无人机机架、飞控系统、电子调速器、电机、螺旋桨、GPS、气压计、433MHz接收机、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池构成；其中，地面站实时显示无人机平台的飞行状态，与无人机通过433MHz的无线通信协议相连，无人机机架作为无人机平台的主体，所有的设备都被安置在机架的特定区域，电机和电子调速器通过粗铜线相连，螺旋桨被固定在电机上，433MHz接收机与PPM编码器通过杜邦线连接，GPS、气压计、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池分别与飞控系统相连，电子调速器分别与大容量锂电池和飞控系统相连；无人机机架采用高纤维碳棒，为无人机平台的主体部分，负载了动力装置以及飞行控制系统；飞控系统采用Pixhawk飞控平台，用于接收无人机平台的传感器信息，并控制无人机的飞行状态以及飞行任务计划，飞控系统的固件通过上位机Mission Planner下载；电子调速器采用Platinum 30A铂金电调，通过控制可控硅的导通来改变电机的供电电压，使电机的特性曲线下移来改变异步电机的转速；电机采用Happymodel高品质3508无刷电机，通过带动螺旋桨转动，为无人机平台提供动力；GPS实时监测无人机的地理坐标，为无人机导航系统提供了定位信息；飞控主板内置的气压计模块根据无人机的所在空间的气压值来判断无人机的飞行高度；433MHz接收机通过MavLink通信协议与地面站无线连接；PPM编码器接收并解调433MHz接收机的编码信号，将解调后的信号传输至飞控系统；光流摄像头采用PX4FLOW模块，用以辅助气压计在低空的定高，提高无人机的悬停稳定性，同时光流摄像头模块自带超声波传感器，可以使无人机与待检测墙壁保持一定的安全距离；大容量锂电池采用DUPU 10000mAh高密度聚合物锂电池，经稳压滤波后为整个无人机平台供电。

如图4所示，汇聚节点由ZigBee汇聚节点、Arduino单片机、GPRS模块组成；其中，Arduino单片机分别通过两个串口与ZigBee汇聚节点和GPRS模块相连；ZigBee汇聚节点通过PCB天线接收监测节点发送的高层建筑结构体健康状况数据，并对该数据进行分析处理，最后将数据传输至Arduino单片机；Arduino单片机作为整个汇聚节点主控模块，通过串口0接收ZigBee汇聚节点发送的传感器数据，然后通过串口1将数据传输至GPRS模块；GPRS模块的驱动程序由Arduino单片机实现，首先接收Arduino的串口数据，然后将该数据按照GPRS通信协议要求的数据包格式发送至服务商提供的专用网关。

如图5所示，射频发射器由振荡器模块、功率放大模块、电源模块以及天线模块构成；其中，振荡器模块与天线模块分别通过50欧姆微带线与功率放大模块相连，电源模块经过降压滤波后分别与振荡器模块、功率放大模块相连；振荡器模块由压控振荡器芯片、2.5V稳压芯片以及外围的分立元件组成，其中压控振荡器芯片采用美国RFMD公司的5V窄带压控振荡器芯片VCO190-915TY，2.5V稳压芯片正向低压降稳压器芯片AMS1117-2.5，振荡器模块用于产生持续稳定的915MHz射频信号；功率放大器由射频功率放大器芯片及50欧姆微带线组成，其中射频功率放大器芯片采用三菱电气的13W大功率射频三极管放大器RA13H8891MB，功率放大器用于将射频信号进行功率放大；电源模块为整个射频发射器供电，包括锂电池和相关的稳压滤波电路，其中锂电池采用14.8V磷酸铁锂电池组；天线模块利用中心频率为915MHz的右旋圆极化RFID板状天线将射频信号以电磁波的形式向空间发射。

如图6所示，云端服务器工作过程如下：

数据接收：通过TCP连接到专用网关，云服务器接收到GPRS模块发来的传感器数据；

解析JSON字段：服务器端先后获取到两个JSON字段，如果这两个JSON字段格式符合要求，则提取出这两个字段的值，获得监测节点的传感器信息；

数据存储：将传感器信息数据存储到云端数据库；

数据显示：从云端数据库提取每个传感器对应表中最新的数据，显示到HTML页面上；

数据分析：利用第三方Java Script库提取数据的标志位，判断数据类型后将同一类型数据根据时间刻度显示在波形图上，便于用户清楚地观察一段时间内数据的变化趋势，最终的分析结果通过HTML页面显示；

操作界面：使用HTML呈现操作界面，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。

Claims (6)

1.一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：该系统包括多个无线可充电检测节点、一个可编程无人机平台、一个汇聚节点、一个射频发射器和云端服务器；无线可充电检测节点部署在高层建筑每层楼的结构内部，通过温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器检测高层建筑结构的健康状况；工作人员可根据检测节点的海拔高度通过地面站为无人机平台下载悬停航点文件，无人机平台按照航点文件的内容自动飞行，并能够悬停在每个检测节点附近；射频发射器被安置在无人机平台上，检测节点收集到射频发射器发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点也被安置在无人机平台上，当检测节点充电完成后，传感器数据通过ZigBee无线通信协议发送至汇聚节点，汇聚节点对数据进行分析处理，最后通过路由网关将数据转发至云端服务器；云端服务器接收数据后，将数据存储在数据库中，并向用户提供实时的网页显示界面。

2.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：所述检测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成；其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器分别与微处理器相连；能量收集天线接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中；稳压模块将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器感知结构的多种健康信息；微处理器接收传感器的测量数据并处理；ZigBee通信模块将处理后的数据通过天线发送至汇聚节点。

3.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：所述可编程无人机平台由地面站、无人机机架、飞控系统、电子调速器、电机、螺旋桨、GPS、气压计、433MHz接收机、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池构成；其中，地面站实时显示无人机平台的飞行状态，与无人机通过433MHz的无线通信协议相连，无人机机架作为无人机平台的主体，所有的设备都被安置在机架的特定区域，电机和电子调速器通过粗铜线相连，螺旋桨被固定在电机上，433MHz接收机与PPM编码器通过杜邦线连接，GPS、气压计、PPM编码器、光流摄像头和大容量锂电池分别与飞控系统相连，电子调速器分别与大容量锂电池和飞控系统相连；无人机机架为无人机平台的主体部分，负载了动力装置以及飞行控制系统；飞控系统接收节点的传感器信息，并控制无人机的飞行状态，飞控系统的固件通过上位机下载；电子调速器控制可控硅的导通来改变电机的供电电压，使电机的特性曲线下移来改变异步电机的转速；电机带动螺旋桨转动，为无人机平台提供动力；GPS实时监测无人机的地理坐标，为飞控系统提供定位信息；气压计根据无人机所在空间的气压值来判断无人机的飞行高度；433MHz接收机通过MavLink通信协议与地面站无线连接；PPM编码器接收并解调433MHz接收机的编码信号，将解调后的信号传输至飞控系统；光流摄像头辅助气压计在低空的定高，提高无人机的悬停稳定性，同时光流摄像头模块自带超声波传感器，可以使无人机与待检测墙壁保持一定的安全距离；大容量锂电池经稳压滤波后为整个无人机平台供电。

4.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：所述汇聚节点由ZigBee汇聚节点、Arduino单片机、GPRS模块组成；其中，Arduino单片机分别通过两个串口与ZigBee汇聚节点和GPRS模块相连；ZigBee汇聚节点通过PCB天线接收监测节点发送的高层建筑结构体健康状况数据，并对该数据进行处理，最后将数据传输至Arduino单片机；Arduino单片机作为整个汇聚节点主控模块，通过串口0接收ZigBee汇聚节点发送的传感器数据，然后通过串口1将数据传输至GPRS模块；GPRS模块由Arduino单片机驱动，首先接收Arduino的串口数据，然后将该数据按照GPRS通信协议要求的数据包格式发送至服务商提供的专用网关。

5.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：所述射频发射器由振荡器模块、功率放大模块、电源模块以及天线模块构成；其中，振荡器模块与天线模块分别通过50欧姆微带线与功率放大模块相连，电源模块经过降压滤波后分别与振荡器模块、功率放大模块相连；振荡器模块产生持续稳定的915MHz射频信号；功率放大器将射频信号进行功率放大；电源模块为整个射频发射器供电，包括锂电池和相关的稳压滤波电路；天线模块利用中心频率为915MHz的右旋圆极化RFID板状天线将射频信号以电磁波的形式向空间发射。

6.根据权利要求1所述的一种高层建筑结构健康检测系统，其特征在于：所述云端服务器工作过程如下：

数据接收：通过TCP连接到专用网关，云服务器接收到GPRS模块发来的传感器数据；

解析JSON字段：服务器端先后获取到两个JSON字段，如果这两个JSON字段格式符合要求，则提取出这两个字段的值，获得监测节点的传感器信息；

数据存储：将传感器信息数据存储到云端数据库；

数据显示：从云端数据库提取每个传感器对应表中最新的数据，显示到HTML页面上；

数据分析：利用第三方Java Script库提取数据的标志位，判断数据类型后将同一类型数据根据时间刻度显示在波形图上，便于用户清楚地观察一段时间内数据的变化趋势，最终的分析结果通过HTML页面显示；

操作界面：使用HTML呈现操作界面。