CN107643045A - 基于有源rfid的大型阵列螺栓松动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统及方法，系统包括传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点数据传向一个汇聚节点；传感器节点包括第一主控MCU，兼有RSSI功能的第一数据传输模块和第一供电电池；汇聚节点包括第二主控MCU，兼有RSSI功能的第二数据传输模块、通信模块和第二供电电池。本发明采用多个传感器节点对应多个汇聚节点交叉标定的方式，标定出数据传输过程中射频信号强度值和数据接收率从而来监测螺栓的松动情况；本发明能够对大型结构工程中的连接处的螺栓实时进行监测，对大型工程的结构安全起到健康监测和预警的作用，降低工程事故的发生率。

Description

基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统及方法

技术领域

本发明涉及螺栓松动监测技术，具体涉及一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统及方法。

背景技术

随着社会的高速发展，大型钢结构工程和大型混领土结构工程都趋向于一体化，并且设计使用寿命长。在过去的几十年时间里，世界各处都发生过大型钢结构、大型混领土结构和桥梁工程结构的事故，这些事故给国家和人民带来了巨大的生命财产等损失。如果能够对这些大型基础性的工程实施在线结构健康监测，实时的发现问题和处理问题，就可以避免不必要的损失。

在任何工程中，结构之间的连接方式是多种多样的，但螺栓连接作为一种通用的连接方式广泛应用于各种结构工程领域中。在大量的工程事故中调查发现，很多事故的起因就是螺栓的失效。当然，螺栓的失效的形式也是多种多样的，而最常见的一种失效形式就是螺栓松动。而螺栓松动的检测的方法也有多种，可以目测，所谓目测，就是观察螺栓的位置变化和金属成色的变化来判断螺栓的松动情况，也可以通过敲打听声音的方法来判断螺栓松动和异常情况。但是上述两种方法必须需要人在工程现场去检测，并且不能做到在线实时性，成本高，且对于工作人员的责任心和经验要求严格。

因此对于大型工程的螺栓松动监测，尤其是在恶劣的天气自然环境下，在线实时性的螺栓松动监测技术应运而生。螺栓松动在线健康监测的方法主要有基于压电阻抗的螺栓松动监测技术和基于图像处理的螺栓松动智能监测方法。基于压电阻抗的螺栓松动监测方法数据处理量大，计算复杂；基于图像处理的螺栓松动智能监测方法，由于需要用到大量用到摄像头，不易推广，成本较高，在某些特殊场合也无法安装。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统及方法，解决大型基础性钢结构和桥梁等工程螺栓松动在线监测问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，包括传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点数据传向一个汇聚节点；

传感器节点包括第一主控MCU，兼有RSSI功能的第一数据传输模块和第一供电电池；汇聚节点包括第二主控MCU，兼有RSSI功能的第二数据传输模块、通信模块和第二供电电池；

所述传感器节点以不同功率发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据时读取此时的射频信号强度和数据接收率并保存；经过多次训练后，计算射频信号强度值和数据接收率的平均值；将螺栓松动一定角度，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值；监测时，将汇聚节点接收数据时的射频信号强度和数据接收率与阈值比较，判断螺栓是否松动。

一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测方法，包括以下步骤：

步骤1，螺栓预紧好后，安装好传感器节点和汇聚节点，传感器节点首先以第一功率分别发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据后同时读取此时的射频信号强度和数据接收率并记录保存下来，然后以第二功率发射，同样记录保存下来；该过程经过多次训练后，将射频信号强度值和数据接收率的平均值作为螺栓安全情况下的数据；

步骤2，松动螺栓一定角度，分别用步骤1的功率发射数据，用同样的方法记录并保存射频信号强度值和数据接收率，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值，用于后续监测的样本对比数据；

步骤3，螺栓侧面的传感器每隔一段时间向汇聚节点发送一段数据，数据中包括螺栓编号和发射功率，每一轮发送若干次，以不同功率发射；

步骤4，当汇聚节点接收到数据后将射频信号强度和数据接收率与初始化的平均值进行比较，计算出差异值并与设定的阈值做比较，判读是否超出阈值；

步骤5，传感器节点分别以不同的功率发送数据，根据两个汇聚节点得到的不同差异值给出对应螺栓的安全状态，只有在两个汇聚节点都判断某个螺栓松动时才发出报警。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用低功耗主控MCU，能够长时间工作在休眠状态，工作时间长，适合于大型钢结构工程、桥梁等工程和恶劣自然环境下的螺栓松动监测；(2)本发明能够实时在线监测螺栓松动情况，为工程人员和管理人员实现了远程智能监控；(3)本发明采用多个汇聚节点交叉标定传感器节点的射频信号强度值和数据接收率，为了避免虚报，只有在多个节点检测出螺栓松动时才发出报警，安全可靠；(4)本发明主要运用兼有RSSI的射频传输芯片，利用螺栓松动后传输芯片之间数据传输的信号强度不同的值来监测螺栓松动情况；同时，调整数据传输芯片的发射功率，监测汇聚节点数据接收率也可以判断螺栓的转动和松动情况，并且数据实时的通过有线或者无线的方式上传到上位机对各个螺栓实时监测。

附图说明

图1为本发明基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统工作示意图。

图2为监测系统的监测流程框图。

图3(a)和图3(b)分别为螺栓松动前和松动后俯视图。

图4为传感器节点结构图。

图5为汇聚节点结构图。

图6为基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测方法流程图。

具体实施方式

结合图1，一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，包括传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点数据传向一个汇聚节点；

传感器节点包括第一主控MCU，兼有RSSI功能的第一数据传输模块和第一供电电池；汇聚节点包括第二主控MCU，兼有RSSI功能的第二数据传输模块、通信模块和第二供电电池；

所述传感器节点以不同功率发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据时读取此时的射频信号强度和数据接收率并保存；经过多次训练后，计算射频信号强度值和数据接收率的平均值；将螺栓松动一定角度，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值；监测时，将汇聚节点接收数据时的射频信号强度和数据接收率与阈值比较，判断螺栓是否松动。

进一步的，两个汇聚节点均判断某个螺栓松动时才发出报警。

进一步的，所述第一主控MCU控制第一数据传输模块以不同功率发送数据给汇聚节点；第二数据传输模块接收到第一数据传输模块发来的数据并发送给第二主控MCU，通信模块用于将数据实时发送给上位机；所述数据包括螺栓编号和发射功率。

进一步的，传感器节点安装在螺栓侧面。

结合图2，一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测方法，包括以下步骤：

步骤1，当螺栓预紧好后，在螺栓侧面安装传感器节点，如图3(a)和图3(b)所示，安装好传感器节点和汇聚节点后，传感器首先以某种功率分别发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据后同时读取此时的射频信号强度和数据接收率并记录保存下来，然后以另外某种功率发射，同样记录保存下来；该过程经过多次训练后，此时的射频信号强度值和数据接收率的平均值作为螺栓安全情况下的数据；

步骤2，松动螺栓一定角度，分别用步骤1的功率发射数据，用同样的方法记录并保存射频信号强度值和数据接收率，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值，用于后续监测的样本对比数据；

步骤3，螺栓侧面的传感器每隔一段时间向汇聚节点发送一段数据，数据中包括螺栓编号和发射功率，每一轮发送若干次，以不同功率发射；

步骤4，当汇聚节点接收到数据后将射频信号强度和数据接收率与初始化的平均值进行比较，计算出差异值并与设定的阈值做比较，判读是否超出阈值；

步骤5，传感器节点分别以不同的功率发送数据，根据两个汇聚节点得到的不同差异值给出对应螺栓的安全状态，为了避免虚报，只有在两个汇聚节点都判断某个螺栓松动时才发出报警。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，包括传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点数据传向一个汇聚节点。

如图4所示，传感器节点包含第一主控MCU，兼有射频信号强度功能的第一数据传输模块和第一供电电池。

如图5所示，汇聚节点包含第二主控MCU，兼有射频信号强度功能的第二数据传输模块，通信模块和第二供电电池。

所述第一主控MCU和第二主控MCU采用美国TI公司出品的16位低功耗单片机msp430系列。第一数据传输模块和第二数据传输模块采用由美国TI公司出品的工作在低于1GHz频段的无线数据传输CC1101芯片。第一供电电池和第二供电电池采用两节五号电池。通信模块采用NORDIC公司出品的2.4GHz带有功放的无线数据NRF24L01数据传输芯片。

由于在数据传输过程中，无线传输芯片读取的射频信号强度值受传输距离、干扰噪声和障碍物等影响，因此利用射频信号强度值和数据接收率监测螺栓松动需要事先进行标定，同时调整不同的发射功率，并建立起原始的结构健康数据库，即对整个大型阵列螺栓进行健康监测。

如图6所示，本实施例基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测方法，包括以下步骤：

步骤1，当螺栓预紧好后，安装好传感器节点和汇聚节点。传感器首先以10dB的功率分别发送数据给1号汇聚节点和2号汇聚节点，两个汇聚节点接收数据后同时读取此时的射频信号强度和数据接收率并记录保存下来，然后以0dB和-30dB的功率发射，同样记录保存下来。该过程经过多次训练后，此时的射频信号强度值和数据接收率的平均值作为螺栓安全情况下的数据。

步骤2，松动螺栓10度和20度的角度，分别用10dB、0dB和-30dB的功率发射数据，用同样的方法记录并保存射频信号强度值和数据接收率，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值。

当前期做好实验后，得到螺栓在安全状态，松动10度和20度的角度的射频信号强度值和数据接收率后并保存下来计算出阈值，作为后续监测的样本对比数据。

步骤3，螺栓侧面的传感器每隔一段时间向汇聚节点发送一段数据，数据中包括螺栓编号和发射功率，由于芯片只有3个发射功率，用1代表10dB发射功率，2代表0dB发射功率，3代表-30dB发射功率，每一轮发送是3次，第一次以10dB的功率发送，后两次分别以0dB和-30dB的功率发射。

步骤4，当汇聚节点接收到数据后与之前初始化的值进行比较，计算出差异值并与之前设定的阈值做比较，判读是否超出阈值。

步骤5，传感器节点分别以不同的功率发送数据，根据两个汇聚节点得到的不同差异值给出对应螺栓的安全状态，为了避免虚报，只有在两个汇聚节点都判断某个螺栓松动时才发出报警。

Claims (5)

1.一种基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，其特征在于，包括传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点数据传向一个汇聚节点；

传感器节点包括第一主控MCU，兼有RSSI功能的第一数据传输模块和第一供电电池；汇聚节点包括第二主控MCU，兼有RSSI功能的第二数据传输模块、通信模块和第二供电电池；

所述传感器节点以不同功率发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据时读取此时的射频信号强度和数据接收率并保存；经过多次训练后，计算射频信号强度值和数据接收率的平均值；将螺栓松动一定角度，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值；监测时，将汇聚节点接收数据时的射频信号强度和数据接收率与阈值比较，判断螺栓是否松动。

2.根据权利要求1所述的基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，其特征在于，两个汇聚节点均判断螺栓松动时才发出报警。

3.根据权利要求1所述的基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，其特征在于，所述第一主控MCU控制第一数据传输模块以不同功率发送数据给汇聚节点；第二数据传输模块接收到第一数据传输模块发来的数据并发送给第二主控MCU，通信模块用于将数据实时发送给上位机；第一供电电池和第二供电电池分别为传感器节点和汇聚节点供电；所述数据包括螺栓编号和发射功率。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统，其特征在于，传感器节点安装在螺栓侧面。

5.一种基于权利要求1所述基于有源RFID的大型阵列螺栓松动监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，螺栓预紧好后，安装好传感器节点和汇聚节点，传感器节点首先以第一功率分别发送数据给汇聚节点，汇聚节点接收数据后同时读取此时的射频信号强度和数据接收率并记录保存下来，然后以第二功率发射，同样记录保存下来；该过程经过多次训练后，将射频信号强度值和数据接收率的平均值作为螺栓安全情况下的数据；

步骤2，松动螺栓一定角度，分别用步骤1的功率发射数据，用同样的方法记录并保存射频信号强度值和数据接收率，多次训练后并计算出变化后的差异值的平均值，作为阈值，用于后续监测的样本对比数据；

步骤3，螺栓侧面的传感器每隔一段时间向汇聚节点发送一段数据，数据中包括螺栓编号和发射功率，每一轮发送若干次，以不同功率发射；

步骤4，当汇聚节点接收到数据后将射频信号强度和数据接收率与初始化的平均值进行比较，计算出差异值并与设定的阈值做比较，判读是否超出阈值；

步骤5，传感器节点分别以不同的功率发送数据，根据两个汇聚节点得到的不同差异值给出对应螺栓的安全状态，只有在两个汇聚节点都判断某个螺栓松动时才发出报警。