CN106908625B - 一种无线传输的道路加速度感知节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传输的道路加速度感知节点，能够降低道路加速度感知节点的功耗和成本。所述方法包括：用于道路振动监测的PCB、用于为所述PCB供电的电源模块、用于保护所述PCB和电源模块的防水垫片、尼龙封装盒和尼龙顶盖；在封装所述PCB和电源模块时，将所述电源模块、PCB、防水垫片依次装入所述尼龙封装盒后，盖上所述尼龙顶盖；所述PCB包括：用于感知道路振动信号，输出加速度模拟信号的MEMS加速度传感器；用于将所述MEMS加速度传感器感知到的加速度模拟信号转换为加速度数字信号的模数转换器；用于对所述加速度数字信号进行处理的微处理器；用于将所述微处理器处理后的加速度数字信号发送出去的无线通信模块。本发明适用于道路工程领域。

Description

一种无线传输的道路加速度感知节点

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是指一种无线传输的道路加速度感知节点。

背景技术

近年来我国公路里程数逐年增长，全国高速公路通车里程已居世界第一位。我国的交通基础设施逐步由建设阶段迈向养护阶段。而道路信息监测对于保证道路的长期使用和交通安全十分重要，及时掌握路面荷载信息与结构性能状况，对路面可能发生的损伤及其后果进行预测，能够延缓和制止较为严重的损伤发生，节约养护成本。

现有技术中，压电式加速度传感器被应用于道路振动监测中，测试车辆荷载激励下的道路动力响应，并通过线缆将监测数据传输给数据采集系统，以期分析出道路结构性能状况与交通流信息。由于有线的压电式加速度传感器需要配备恒流适配器、数据采集仪设备，在实际应用中引起诸多不便，具有能耗高，尺寸大，成本高等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线传输的道路加速度感知节点，以解决现有道路加速度监测系统所存在的成本高、能耗高、尺寸大的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线传输的道路加速度感知节点，包括：用于道路振动监测的PCB、用于为所述PCB供电的电源模块、用于保护所述PCB和电源模块的防水垫片、尼龙封装盒和尼龙顶盖；在封装所述PCB和电源模块时，将所述电源模块、PCB、防水垫片依次装入所述尼龙封装盒后，盖上所述尼龙顶盖；其中，

所述PCB包括：

用于感知道路振动信号，输出加速度模拟信号的MEMS加速度传感器；

用于将所述MEMS加速度传感器输出的加速度模拟信号转换为加速度数字信号的模数转换器；

用于对所述模数转换器转换得到的加速度数字信号进行处理的微处理器；

用于将所述微处理器处理后的加速度数字信号发送出去的无线通信模块。

进一步地，所述电源模块包括：4节锂电池；其中，所述4节锂电池采用两串联两并联的组合方式。

进一步地，所述尼龙封装盒和和尼龙顶盖采用的材料为MC尼龙。

进一步地，所述防水垫片采用硅橡胶垫片。

进一步地，所述MEMS加速度传感器为单轴MEMS电容式加速计。

进一步地，所述MEMS加速度传感器采用贴片式封装。

进一步地，所述微处理器，用于通过SPI接口读取所述模数转换器转换得到的加速度数字信号。

进一步地，所述微处理器，用于对读取的所述加速度数字信号进行预处理，其中，所述预处理包括：滤波、FFT变换。

进一步地，所述PCB还包括：降压稳压模块；其中，所述降压稳压模块包括：第一降压稳压单元和第二降压稳压单元；

所述第一降压稳压单元，用于将所述电源模块提供的电源降压至5v，为所述MEMS加速度传感器和模数转换器供，并将所述5v电压提供给所述第二降压稳压单元；

所述第二降压稳压单元，将所述第一降压稳压单元输入的5v电压降压至3.3v，为所述微处理器和无线通信模块供电。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过尼龙封装盒与防水垫片为电源模块与PCB提供保护，使所述道路加速度感知节点能够承受道路工程应用中的高温、潮湿、腐蚀性环境等短期影响以及实际路面结构中的冻融循环、车辆荷载等长期影响；所述的PCB具有尺寸小、低功耗、高集成度、低成本的特点，从而使得所述道路加速度感知节点具有功耗低和成本低的特性，且通过无线通信模块将微处理器处理后的加速度数据发送出去，能够实现移动荷载下的道路振动信号远程无线监测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的道路加速度感知节点封装过程示意图；

图2为本发明实施例提供的封装好的道路加速度感知节点；

图3为本发明实施例提供的道路加速度感知节点PCB结构示意图；

图4为本发明实施例提供的搭载ADXL103的道路加速度感知节点PCB；

图5为本发明实施例提供的搭载MS9002的道路加速度感知节点PCB。

【主要元件符号说明】

1：PCB；

2：电源模块；

3：防水垫片；

4：尼龙封装盒；

5：尼龙顶盖。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的道路加速度监测系统所存在的成本高、能耗高、尺寸大的问题，提供一种无线传输的道路加速度感知节点。

参看图1所示，本发明实施例提供的无线传输的道路加速度感知节点，包括：用于道路振动监测的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)1、用于为所述PCB供电的电源模块2、用于保护所述PCB和电源模块的防水垫片3、尼龙封装盒4和尼龙顶盖5；在封装所述PCB1和电源模块2时，将所述电源模块2、PCB1、防水垫片3依次装入所述尼龙封装盒5后，盖上所述防水垫片3和尼龙顶盖4；其中，

所述PCB包括：

用于感知道路振动信号，输出加速度模拟信号的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)加速度传感器；

用于将所述MEMS加速度传感器输出的加速度模拟信号转换为加速度数字信号的模数转换器；

用于对所述模数转换器转换得到的加速度数字信号进行处理的微处理器；

用于将所述微处理器处理后的加速度数字信号发送出去的无线通信模块。本发明实施例所述的无线传输的道路加速度感知节点，通过尼龙封装盒与防水垫片为电源模块与PCB提供保护，使所述道路加速度感知节点能够承受道路工程应用中的高温、潮湿、腐蚀性环境等短期影响以及实际路面结构中的冻融循环、车辆荷载等长期影响；采用的PCB具有尺寸小、低功耗、高集成度、低成本的特点，从而使得所述道路加速度感知节点具有功耗低和成本低的特性，且通过无线通信模块将微处理器处理后的加速度数据发送出去，能够实现移动荷载下的道路振动信号远程无线监测。

本实施例所述的无线传输的道路加速度感知节点是一种用于道路结构健康监测与交通流监测的物联网传感设备，用于道路振动监测，能够监测车辆荷载下的道路振动，例如，可以监测到1mg(分辨率)的变化，且具备抗压、抗疲劳、防水防尘等特性。

如图1所示，所述道路加速度感知节点包括：尼龙封装盒、电源模块、PCB、防水垫片和尼龙顶盖；在封装所述PCB和电源模块时，将所述电源模块、PCB、防水垫片依次装入所述尼龙封装盒后，盖上所述尼龙顶盖，得到封装好的道路加速度感知节点，如图2所示。

本实施例中，封装好后的道路加速度感知节点，所述电源模块与PCB进行电连接，置于尼龙封装盒内，所述电源模块用于为PCB提供电能；所述尼龙封装盒、尼龙顶盖与防水垫片用于保护所述PCB与电源模块，使得所述道路加速度感知节点具有良好的抗压、抗腐蚀、密闭性能，在所述道路加速度感知节点应用于实际道路环境中时，能够承受道路工程应用中的高温、潮湿、腐蚀性环境以及冻融循环、车辆荷载等。此外，尼龙封装不同与金属封装，避免了“电磁屏蔽”，有助于无线信号的传输。

道路加速度感知节点本实施例中，所述PCB作为道路加速度感知节点的核心器件，主要功能是用于道路加速度监测，所述PCB具有低功耗、高集成度、低成本的特点。

本实施例中，PCB的输入输出，即道路加速度感知节点的输入输出，道路加速度感知节点输入道路环境中的振动信号，输出振动的加速度模拟信号。

本实施例中，在所述道路加速度感知节点进行道路加速度监测时，首先需将所述道路加速度感知节点埋设在道路中，将外部振动环境作为输入，PCB上的MEMS加速度传感器感知到振动后，由MEMS加速度传感器采集道路振动信号，输出加速度模拟信号。

本实施例中，事实上，所述MEMS加速度传感器输出的信号是电压信号，该电压信号与加速度模拟信号呈固定比例关系，可认为该电压信号即是加速度模拟信号，因此这里直接可讲所述MEMS加速度传感器输出的是加速度模拟信号。

本实施例，所述微处理器接收的是数字信号，因此，所述PCB还包括：用于将所述MEMS加速度传感器输出的加速度模拟信号转换为加速度数字信号的模数转换器，所述模数转换器与所述MEMS加速度传感器和所述微处理器相连。

本实施例中，所述模数转换器用于将MEMS加速度传感器输出的表示加速度的电压模拟信号转换为电压数字信号，所述模数转换器可以是16bit的模数转换器(AD7689)，AD7689是8通道、16位、电荷再分配逐次逼近寄存器(SAR)型模数转换器(ADC)。每秒能够转换250000个采样点(250kSPS)，两次转换之间器件关断。当采用外部基准电压源并以1kSPS速率工作时，典型功耗为17μW，非常适合电池供电。

本实施例中，所述微处理器读取所述模数转换器转换得到的加速度数字信号，并对读取的所述加速度数字信号进行预处理，再将预处理后的加速度数字信号通过无线通信模块发送出去。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述尼龙封装盒和和尼龙顶盖采用的材料为MC尼龙。

本实施例中，所述尼龙封装盒的尺寸为6cm*6cm*6cm。所述尼龙封装盒和尼龙顶盖采用黑色改性的浇铸尼龙，又称为单体铸塑尼龙/MC尼龙(Monomer casting nylon)，MC尼龙是一种新型的工程塑料，其摩擦系数比钢低8.8倍，比铜低8.3倍，而比重仅为铜的七分之一。MC尼龙可直接取代不锈钢、铝合金等金属制品，具有高强度与良好的回弹性，能够长时间承受负荷，保持韧性，抵抗反复冲击；同时具备高化学稳定性，耐碱、醇、醚、碳氢化合物、弱酸、润滑油、洗涤剂、水(海水)，具有无臭、无毒、无味、无锈的特点。此外，根据“电磁屏蔽”原理，电磁波很难穿透金属圈、金属壳等金属材料，因此采用尼龙材料封装有助于实现长距离的无线通信。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述防水垫片采用硅橡胶垫片。

本实施例中，所述防水垫片采用硅橡胶垫片，硅胶是一种新型的高分子弹性材料，有极好的耐高温(180-200℃)和耐低温(-40-60℃)性能，有良好的稳定性与回弹性，永久变形小。此外，硅胶垫片还具有很高的抗撕拉性能、耐高温、抗腐蚀、耐老化的性能，与尼龙封装盒共同使用，可实现防水防尘，保护内部的PCB与电源模块。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述MEMS加速度传感器为单轴MEMS电容式加速计。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述MEMS加速度传感器采用贴片式封装。

如图3所示，所述MEMS加速度传感器可以是ADXL103，ADXL103是一种单轴MEMS电容式加速计，量程±1.7g(即可采集±1.7g的加速度信号)，采用贴片式封装(Leadless ChipCarriers，LCC)封装，即减小了体积(5mm×5mm×2mm)，又减化了电路的设计和安装。该加速计既可测量动态加速度，又可用来实现诸如重力加速度的静态测量。其灵敏度可达1000mV/g，能够分辨1mg的加速度变化，搭载ADXL103的道路加速度感知节点PCB如图4所示。

如图3所示，所述MEMS加速度传感器还可以是加速度传感器MS9002，MS9002是一款单轴模拟加速度传感器，量程±2g，由单电源电压驱动(2.5V与5.5V之间)，运行时电流消耗低(驱动电压为5V时，<0.5mA)；其输出是一个比率式模拟电压信号。MS9002采用了完全独立的20引脚陶瓷LCC封装，以确保其全密封性。MS9002中带有一个电源重置以防止电压不稳的低压保护装置，搭载MS9002的道路加速度感知节点PCB如图5所示。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述微处理器，用于通过SPI接口读取所述模数转换器转换得到的数字加速度信号。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述微处理器，用于对读取的所述加速度数字信号进行预处理，其中，所述预处理包括：滤波、FFT变换。

如图3所示，所述微处理器可以是STM32L151，所述STM32L151主要用于控制与协调PCB上各个元器件的运作。STM32L151给MEMS加速度传感器(ADXL103或MS9002)提供休眠或运行的指令，当处于运行状态的MEMS加速度传感器感知到振动时，输出加速度模拟信号，经由AD7689转换为加速度数字信号，优选地，STM32L151通过SPI接口读取模数转换器相应通道的信号，并对读取的信号进行预处理，包括滤波、FFT变换等计算处理，最后控制无线通信模块，将预处理后的信号通过无线通信模块发送出去。

本实施例采用的STM32L151由意法半导体(ST)公司出品，是一款基于ARM Codex-M3内核的32位超低功耗微处理器，工作频率32MHz(33.3DMIPS)，集成了USB连接电源，存储器保护单元(MPU)，高速嵌入存储器(512KB闪存和80KB RAM)，以及连接到两个APB总线的增强I/O和外设。其工作温度范围为-40℃至+105℃，供电电压1.65V至3.6V，一系列的省电模式(睡眠、停机、待机)保证低功耗应用的要求，具有低功耗、高性能、低成本的特点。

本实施例中，所述无线通信模块可以是型号APC340、射频IC:SX1278的芯片，可将无线通信模块接收到的数据通过433MHz通信频段发送至网关(一种网间连接器)，通过网关可以将数据上传至远程服务器或云服务器，从而实现长距离无线远程通信。APC340是高度集成低功耗半双工无线数据传输模块，其嵌入高速低功耗单片机和高性能扩频射频芯片SX1278。APC340提供了多个频道选择，可在线修改串口速率，收发频率，发射功率，射频速率等各种参数。工作电压为2.1-3.6V，可定制3.5-5.5V工作电压，在接收状态下仅消耗13mA。APC340有四种工作模式，各模式之间可任意切换，在1SEC周期轮询唤醒省电模式(Pollingmode)下，接收仅仅消耗几十uA，一节3.6V/3.6AH时的锂亚电池可工作数年，非常适合电池供电的系统。

本实施例中采用的APC340使用432-434M频段与网关节点进行通信，进行数据收集与传输，最远通信距离可达3km，并可实现节点休眠唤醒模式切换，从而达到高效率的低功耗运行。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述PCB还包括：降压稳压模块；其中，所述降压稳压模块包括：第一降压稳压单元和第二降压稳压单元；

所述第一降压稳压单元，用于将所述电源模块提供的电源降压至5v，为所述MEMS加速度传感器和模数转换器供，并将所述5v电压提供给所述第二降压稳压单元；

所述第二降压稳压单元，将所述第一降压稳压单元输入的5v电压降压至3.3v，为所述微处理器和无线通信模块供电。

本实施例中，所述降压稳压模块包括：第一降压稳压单元和第二降压稳压单元，所述第一降压稳压单元，用于将电源模块提供的电源降压至5v，给MEMS加速度传感器和模数转换器供电，并将所述5v电压提供给所述第二降压稳压单元；所述第二降压稳压单元，用于将第一降压稳压单元输入的5v电压降压至3.3v给微处理器和无线通信模块供电。降压稳压芯片为道路加速度感知节点提供完善的过流保护和过热保护功能，确保电源系统的稳定性。

如图3所示，所述第一降压稳压单元可以是78M05-5v；第二降压稳压单元可以是ASM1117-3.3v；假设，所述电源模块是锂电池，也就是锂离子电池，所述锂电池可以提供8.4v电压，所述道路加速度感知节点可以通过8.4v的锂电池供电，由降压稳压芯片(78M05-5v)将电压将至5v，给AD7689及MEMS加速度传感器供电，并由降压稳压芯片(ASM1117-3.3v)将78M05-5v输入的5v电压降压至3.3v给STM32L151及APC340供电。

在前述无线传输的道路加速度感知节点的具体实施方式中，进一步地，所述电源模块包括：4节锂电池；其中，所述4节锂电池采用两串联两并联的组合方式。

本实施例中，所述电源模块包括：4节锂电池，所述4节锂电池采用两串联两并联的组合方式；具体的，每节锂电池是3000mAh的锂离子电池，能够提供8.4V电压，为PCB供电，即为微处理器、无线通信模块、数模转换器、降压稳压模块以及加速度传感器供电。锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，每月在10％以下，且没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃-60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100％，而且输出功率大。使用寿命长。没有环境污染，被称为绿色电池。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线传输的道路加速度感知节点，其特征在于，包括：用于道路振动监测的PCB、用于为所述PCB供电的电源模块、用于保护所述PCB和电源模块的防水垫片、尼龙封装盒和尼龙顶盖；在封装所述PCB和电源模块时，将所述电源模块、PCB、防水垫片依次装入所述尼龙封装盒后，盖上所述尼龙顶盖；其中，

所述PCB包括：

用于感知道路振动信号，输出加速度模拟信号的MEMS加速度传感器；

用于将所述MEMS加速度传感器输出的加速度模拟信号转换为加速度数字信号的模数转换器；

用于对所述模数转换器转换得到的加速度数字信号进行处理的微处理器；

用于将所述微处理器处理后的加速度数字信号发送出去的无线通信模块；

其中，所述尼龙封装盒和尼龙顶盖采用的材料为MC尼龙；

其中，所述防水垫片采用硅橡胶垫片；

其中，所述MEMS加速度传感器为单轴MEMS电容式加速计；

其中，所述MEMS加速度传感器采用贴片式封装；

其中，所述PCB还包括：降压稳压模块；其中，所述降压稳压模块包括：第一降压稳压单元和第二降压稳压单元；

所述第一降压稳压单元，用于将所述电源模块提供的电源降压至5v，为所述MEMS加速度传感器和模数转换器供电 ，并将所述5v电压提供给所述第二降压稳压单元；

所述第二降压稳压单元，将所述第一降压稳压单元输入的5v电压降压至3.3v，为所述微处理器和无线通信模块供电；

其中，无线通信模块接收到的数据通过433MHz通信频段发送至网关。

2.根据权利要求1所述的无线传输的道路加速度感知节点，其特征在于，所述电源模块包括：4节锂电池；其中，所述4节锂电池采用两串联两并联的组合方式。

3.根据权利要求1所述的无线传输的道路加速度感知节点，其特征在于，所述微处理器，用于通过SPI接口读取所述模数转换器转换得到的加速度数字信号。

4.根据权利要求3所述的无线传输的道路加速度感知节点，其特征在于，所述微处理器，用于对读取的所述加速度数字信号进行预处理，其中，所述预处理包括：滤波、FFT变换。