CN107764495A - 基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，包括多台数据采集节点、一台协调器和一台计算机。其中数据采集节点与协调器节点设计了射频功率放大器，增加了无线传输距离，因此Zigbee无线网络取消了路由节点，采用了简单的星状结构。数据采集节点将建筑振动的加速度信号经过放大、数据采集和处理，并通过无线传输到协调器节点，协调器节点通过USB接口将数据上传到计算机进行存储、处理和显示，经谱分析得到建筑的动力特性参数。计算机通过协调器可对数据采集节点工作状态进行控制。本发明结构简单造价低廉，具有较高的性价比。现场测试不需要布置信号线，减少了工作量和工作强度。
Description
技术领域
本发明涉及动力特性测试技术领域，尤其是一种基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统。
背景技术
随着城镇化建设的发展，建筑业处于快速发展阶段，尤其是大型公共建筑、高层建筑的数量急剧增加，其安全性和抗震性能尤为重要。建筑的动力特性分析是分析、辨别建筑物安全性和抗震性能的一个重要方法，相对其他方法，具有简单方便、测试时间短等优点，主要包括建筑结构损伤识别、故障诊断和建筑结构振动的评定等。建筑的动力特性反映的是结构本身所固有的动力性能，动力特性测试是获得动力特性参数的主要手段，主要包括自振频率、振型及阻尼比等基本参数的测试。
目前常用的动力特性测试方法是脉动法，所谓脉动法是通过测试由环境随机脉动源激振而产生的建筑物微小振动来分析建筑物的动力特性的方法。脉动源通常是来自地壳的微小振动、地面车辆及地铁运行、动力设备正常运转、以及风荷载等。建筑的这种振动极其微弱,一般振幅只有十几微米到几十微米，因此，测量这种振动信号必须使用低噪音和高灵敏度的振动传感器和放大器。建筑振动测试采集的参量通常是加速度，速度和位移是由测量的加速度通过积分运算得到。将采集的建筑振动时域数据进行快速傅里叶变换得到幅值谱、功率谱和功率谱密度，对其进行分析既能得到自振频率、振型及阻尼比等建筑物动力特性参数。
测试点根据需要可以选择布置在建筑上层，如高层建筑的上面几层，也可以是每隔几个楼层布置一个或几个测试点。每个测试点根据需要可以放置XYZ三个轴向的加速度传感器，也可以放置XY、XZ、YZ二个轴向的加速度传感器，或者是X、Y、Z一个轴向的加速度传感器。加速度传感器通常选用高灵敏度超低频加速度传感器，如选用动圈往复式加速度传感器、力平衡加速度传感器。
目前建筑振动测试系统一般是由一台计算机完成的集中式数据采集系统，包括传感器、多通道信号放大器、计算机采集卡及计算机等部分。通常振动测试系统布置加速度传感器数量从十几个到几十个，传感器接入多通道信号放大器变换成标准的电压信号，再接入到台式计算机内部安装数据采集卡，计算机将加速度信号转转成数字量。通过对采集的加速度数据积分运算得到速度和位移量，这些数据以文件的形式保存下来，并对数据进行处理和分析。近些年还出现了由加速度传感器、单片机或DSP与放大器组成的多通道加速度数据采集器和计算机组成的建筑振动测试系统，数据采集器采集的振动数据通过USB接口上传到计算机进行存储、处理和分析。现有数据采集系统的主要缺点：①价格高、体积重量大，尤其是多通道信号放大器，体积和重量都比较大；②采集的通道数量有限，扩展不方便；③布线和接线都需耗费很多人力物力；④信号有线传输会带来共模和差模干扰，影响到信号的传输质量和信号的采集精度。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，实现对建筑振动各测试点各个轴向加速度的采集、传输、存储和处理，经过谱分析得到建筑的动力特性参数。
本发明的技术方案是：基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，包括多台数据采集节点、一台协调器和一台计算机，其中数据采集节点和协调器节点设计了射频功率放大器，增加了无线传输距离，因此Zigbee无线网络不需要路由节点，采用了星状结构，这种结构具有简单和数据传输速度快的优点。所述数据采集节点与协调器节点通过无线连接，所述协调器节点通过USB接口与计算机连接。系统组成如图1所示。
数据采集节点包括多个加速度数据采集节点，加速度传感器采用高灵敏度低频动圈往复式拾振器，将加速度转化为电动势；加速度传感器输出接入到相应数据采集节点，经变换电路转换成标准电压信号，微处理器内部集成的12位AD转换器将加速度模拟信号转换成数字量；采集的加速度数据通过无线传输到协调器节点，协调器节点将这些数据通过USB接口传输到计算机。
进一步的，所述数据采集节点组成如图2所示，包括外接三个加速度传感器、三路加速度变换电路、Zigbee控制芯片CC2530及辅助电路、射频匹配电路、射频功率放大器电路、数据存储电路、电源电路、外接电池组；所述加速度变换电路将加速度传感器输出的电动势放大变换成标准的电压信号，由Zigbee控制芯片CC2530内部AD转换器采集变换成数字量保存在数据缓冲存储电路，并通过无线传输到协调器节点。
进一步的，所述协调器节点组成如图3所示，包括Zigbee控制芯片CC2531及辅助电路、射频匹配电路、射频功率放大电路、数据存储扩展电路、USB接口电路、状态指示电路、电源电路；所述协调器节点通过无线接收各个数据采集节点采集的加速度数据并保存到外部缓存数据存储电路，同时这些数据通过USB接口传送到计算机。
进一步的，所述计算机通过USB接口接收采集的各个通道振动加速度数据并以文件的形式保存，并且对数据进行傅里叶变换得到相应的幅值谱、功率谱，调取这些数据可以显示振动时程曲线以及幅值谱、功率谱图，进行分析可得到自振频率、振型及阻尼比等动力特性参数。通过计算机界面经过协调器可对数据采集节点工作状态进行控制。
进一步的，数据采集节点和协调器节采用低功耗设计，数据采集节点由电池组供电，协调器节点是由计算机通过USB接口提供的电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用数据无线通讯方式，不需要现场布置信号线，各节点布置方便，减少了人员的工作强度和工作量，降低了人工费用。
(2)本发明采用无线通讯方式，消除了传输线的共模和差模干扰，提高了信号的传输质量。
(3)本发明加大了节点的发射功率，延长无线传输距离，因此取消了路由中间节点，Zigbee无线网络采用了简单的星状结构。
(4)本发明的加速度数据采集节点可以完成信号变送、数据采集和数据无线传输，系统整体结构简单造价低廉，使系统具有较高的性价比。
(5)本发明的数据采集处理计算机选用便携式计算机，数据采集节点和协调器节点体积小重量轻，整个系统便于携带。
(6)本发明的数据采集节点采用低功耗设计，由电池供电，实现了整个系统可以在没有AC220V电源的现场使用。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明的加速度数据采集节点组成框图。
图3为本发明的协调器节点组成框图。
图4为本发明的加速度数据采集节点电路图。
图5为本发明的协调器节点电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
通常大型建筑振动测试各数据采集点及采集系统分布距离在几百的范围内，本发明所设计的Zigbee数据采集节点和协调器节点设计了射频功率放大器，增加了无线发射功率，使无线传输直线距离达到三千米，并具有很强的穿透能力。因此，采用的Zigbee无线网络不需要路由节点，网络系统采用了星状结构，这种结构具有简单和数据传输速度快的优点。系统组成如图1所示，包括多台加速度数据采集节点和一台协调器节点。
加速度数据采集节点的加速度检测采用型号为991B高灵敏度无源动圈往复式电磁感应振动传感器，该型传感器适用于超低频或低频振动测量，适合多种场合的振动测试。该传感器可根据选择开关测量位移、速度和加速度，这里选择加速度测量。主要技术指标包括通频带：0.125～80Hz；加速度灵敏度：0.3V·s2/m；速度灵敏度：38V·s/m；加速度分辨率：5×10-6m/s2；速度分辨率：4×10-7m/s。该传感器不需要供电电源，输出为感应电动势。采用单电源专用集成仪用放大器AD623作为变换电路，将加速度传感器输出的微弱信号放大变换成标准的电压。作为数据采集、控制和无线通信的核心元件采用的是CC2530。作为ZigBee的专用控制芯片CC2530是一款8位高性能的低功耗微处理器。CC2530内部集成了8路输入和可配置分辨率的12位ADC、具有支持多种串行通信协议的强大USART、超低功耗的SRAM、非易失性程序存储器、符合ZigBee标准的无线收发等单元电路。除了保存程序代码和常量以外，内部非易失性存储器可以存储应用程序所需的系统设置参数。CC2530内部集成的12位ADC转换精度对于采集节点的采集精度满足系统要求。为了增加无线传输距离，在射频匹配电路之后加装了射频功率放大器RFX2401C，使无线传输距离达到三千米。CC2530内部集成USART0被配置为SPI总线模式，用于与外部缓存数据存储电路的连接。外部缓存数据存储电路采用的是1M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF010。由于数据采集模块采用的是低功耗设计，因此采集节点使用电池组供电。电池组采用两节IFR26650型3.2V磷酸铁锂电池串联放置在电池盒中，容量为3200mAH，电池盒上有LED电池电量指示。数据采集节点内部供电电源电路采用低压差线性变换电路，将电池组电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。加速度数据采集节点电路图如图4所示。
协调器节点采用CC2531作为控制核心元件，作为ZigBee的专用控制芯片CC2531是在CC2530基础上内部增加了一个USB专用控制器，支持全速操作传速速率高达12Mbps。协调器节点与计算机通过USB接口电路连接，实现了协调节点与计算机之间的高速数据传输。同样CC2531内部集成USART0被配置为SPI总线，用于与外部缓存数据存储电路的连接。外部缓存数据存储电路采用的是1M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF010。同样为了增加无线传输距离，在射频匹配电路之后加装了射频功率放大器RFX2401C。由于协调器节点采用的是低功耗设计，因此协调器节点供电由USB接口提供，简化了电源的设计。USB供电电压+5V，内部电源电路采用低压差线性变换电路，将+5V电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。状态指示电路指示当前的工作状态。协调器节点电路图如图5所示。
计算机数据采集和数据处理界面应用软件由Lebview编制，主要功能是接收协调器节点通过USB上传的各个通道振动加速度数据，上传的数据以文件的形式保存，并且可以调取这些数据进行分析处理，同时可通过协调器对数据采集节点工作状态进行控制。
主要具有以下几种功能：
①数据采集节点参数设置和控制功能：
参数设置功能主要包括：通过对话框对各测试通道传感器的灵敏度、量程进行设置，可以对各个节点的采样速率进行设置。数据采集节点控制功能主要包括：通过对话框对各个通道的零点进行矫正控制；单通道采集测试的启动和停止控制；系统采集的启动和停止控制；各个节点休眠和唤醒控制等功能。
②数据传输、数据预处理和保存功能：
计算机发送采集传输命令，各个数据采集节点启动数据采集，并将采集的振动加速度数据无线上传到协调器节点，通过USB接口再将数据上传到计算机。上传的振动加速度数据经过数字滤波和积分运算得到振动速度数据，这些数据以文件的形式保存起来，保存的数据可选文本(TXT)、Word文件(DOC)、Excel文件(xls)三种格式。
③时程曲线图形显示功能：
选择相应的数据文件打开，各个通道振动加速度、速度数据可以以时间曲线的形式显示变化规律，多个通道的曲线可以在显示界面同时显示比较。
④数据处理分析功能：
调取振动加速度和速度数据进行快速傅里叶变换得到相应的幅值谱、功率谱，并将相应的谱函数在屏幕上以图形的形式显示出来。采用频率域分析方法确定建筑的自振特性,即自振频率及振型，可依据幅值谱和功率谱采用半功率点的方法计算阻尼比，实现了建筑动力特性参数的测试。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，包括多台数据采集节点、一台协调器和一台计算机，其特征在于，所述数据采集节点与协调器节点通过无线连接，所述协调器节点通过USB接口与计算机连接；
数据采集节点包括多个加速度数据采集节点，加速度传感器将加速度转化为电动势；加速度传感器输出接入到相应节点的变换电路并转换成标准电压信号，微处理器内部集成的12位AD转换器将加速度模拟信号转换成数字量；采集的加速度数据通过无线传输到协调器节点，所述协调器节点将这些数据通过USB接口传输到计算机。
2.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，其特征在于，所述加速度传感器采用高灵敏度低频无源动圈往复式电磁感应振动传感器991B。
3.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，其特征在于，Zigbee无线网络取消了路由节点，采用了简单的星状结构。为增加无线传输距离，所述数据采集节点与协调器节点设计了射频功率放大器RFX2401C。
4.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，其特征在于，所述数据采集节点包括外接三个加速度传感器、三路加速度变换电路、Zigbee控制芯片CC2530及辅助电路、射频匹配电路、射频功率放大器电路、数据存储电路、电源电路、外接电池组；所述加速度变换电路将加速度传感器输出的电动势变换成标准的电压信号，由Zigbee控制芯片CC2530内部AD转换器采集变换成数字量保存在数据缓冲存储电路，并通过无线传输到协调器节点。
5.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，其特征在于，所述协调器节点包括Zigbee控制芯片CC2531及辅助电路、射频匹配电路、射频功率放大电路、数据存储扩展电路、USB接口电路、状态指示电路、电源电路；所述协调器节点通过无线传输接收各个节点采集的加速度数据并保存到外部缓存数据存储电路，这些数据通过USB接口传输到计算机。
6.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的建筑动力特性测试系统，其特征在于，所述计算机通过USB接口接收采集的各个通道振动加速度数据并以文件的形式保存，对数据进行傅里叶变换得到相应的幅值谱、功率谱，经分析得到自振频率、振型及阻尼比等动力特性参数。计算机通过协调器对数据采集节点工作状态进行控制。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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