CN107966228A - 一种无线智能索力监测系统及监测方法 - Google Patents

一种无线智能索力监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线智能索力监测系统及监测方法，属于仪器仪表技术领域，包括管理服务器(1)、数个客户终端(2)、数据库服务器(3)、中心节点终端(4)和数个传感器节点(5)，采用频率法测量索力，实现了快速搭建低成本、自组网和自恢复的智能无线索力监测系统，代替传统的有线方式，方便安装，降低了系统建设成本，提高了桥梁监测水平。

Description

一种无线智能索力监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域。
背景技术
斜拉索作为斜拉桥主要的承重构件，在长达几十年的使用期内，环境侵蚀，材料老化、长期荷载、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用下，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用下的能力下降，极端情况下将引发灾难性的突发事故。为保证桥梁结构的安全运营，对索力进行监测，了解拉索的结构健康状态，具有重要的实际意义。
常见的索力测试装置有压力环、磁通量传感器、光纤光栅智能拉索等，其中压力环和光纤光栅智能拉索能够直接测量出索力，但它们适合于安装和应用在新建桥梁上，在已建成的桥梁上安装应用极其麻烦。并且，这些索力监测传感器一般价格昂贵、安装复杂(只能用于新建桥梁)，另外传感器的耐久性比较差，这些固有弱点限制了上述传感器的大规模应用。由于更换索力监测传感器耗时耗力，价格昂贵，因而亟需发展一种省时、省力、经济的实时索力监测系统。
传统的索力监测设备都是同一时刻只能测量一根索的索力值，然而，对于拉索桥这样的大型结构而言，需要测量整体在同一时刻的索力情况，传统的监测设备不能满足实时性的需求；在大型桥梁监测领域，同时测量不同索的索力值，整体绘制出建筑物的索力受力情况，对分析桥梁的安全有着重要的意义。
传统的桥梁索力传感器，数据传输采用有线连接方式进行，利用电缆线传递测试信号，存在着布线复杂、工作繁琐、信号易受干扰、可靠性低等缺点。无法对布线困难的或者人员无法到达的区域进行监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线智能索力监测系统及监测方法，采用频率法测量索力，实现了快速搭建低成本、自组网和自恢复的智能无线索力监测系统，代替传统的有线方式，方便安装，降低了系统建设成本，提高了桥梁监测水平。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种无线智能索力监测系统，包括管理服务器、数个客户终端、数据库服务器、中心节点终端和数个传感器节点，管理服务器和所有客户终端均通过互联网连接数据库服务器，中心节点终端通过GPRS网络连接数据库服务器；
中心节点终端包括中心节点主控芯片、存储模块、日历芯片、GPRS模块、中心节点无线通信模块和电源模块，中心节点主控芯片设有第一组IO口、第二组IO口、第三组IO口和第四组IO口，存储模块连接所述第一组IO口，日历芯片连接所述第二组IO口，GPRS模块连接所述第三组IO口，中心节点无线通信模块连接所述第四组IO口；
电源模块为中心节点主控芯片、存储模块、日历芯片、GPRS模块和中心节点无线通信模块供电；GPRS模块通过GPRS网络与数据库服务器通信；
传感器节点包括传感器节点主控芯片、唤醒逻辑电路、重力加速度陀螺仪传感器、传感器节点无线通信模块、计时模块、太阳能电池板、电池管理模块、锂电池和USB接口，传感器节点主控芯片设有第五组IO口、第六组IO口、第七组IO口、第一中断输入端、第二中断输入端和第三中断输入端，重力加速度陀螺仪传感器的信号输出端连接所述第五组IO口，传感器节点无线通信模块的信号输出端连接所述第六组IO口，计时模块的信号输出端连接所述第七组IO口；
唤醒逻辑电路包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，场效应管Q1的漏极连接电池管理模块的输出端，场效应管Q1的栅极连接计时模块的中断输出端，场效应管Q1的源极通过串联在一起的电阻R4和电阻R5连接地线，电阻R4和电阻R5的连接点连接所述第一中断输入端；
场效应管Q2的漏极连接电池管理模块的输出端，场效应管Q2的栅极连接重力加速度陀螺仪传感器的中断输出端，场效应管Q2的源极通过串联在一起的电阻R6和电阻R7连接地线，电阻R6和电阻R7的连接点连接所述第二中断输入端；
场效应管Q3的漏极连接电池管理模块的输出端，场效应管Q3的栅极连接传感器节点无线通信模块的中断输出端，场效应管Q3的源极通过串联在一起的电阻R8和电阻R9连接地线，电阻R8和电阻R9的连接点连接所述第三中断输入端；
太阳能电池板、锂电池和USB接口均连接电池管理模块，电池管理模块为传感器节点主控芯片、唤醒逻辑电路、重力加速度陀螺仪传感器、传感器节点无线通信模块和计时模块供电；
传感器节点无线通信模块通过无线6LoWPAN协议网络与中心节点无线通信模块通信。
所述中心节点主控芯片和所述传感器节点主控芯片均为ARM7控制器。
所述计时模块与所述日历芯片的型号均为PCF2129；所述传感器节点无线通信模块和中心节点无线通信模块的型号均为6LoWPAN；所述重力加速度陀螺仪传感器的型号为MPU6050。
所述GPRS模块的型号为Neo_M680GPRS；所述存储模块为FLASH存储器；所述电池管理模块的型号为BQ24030。
所述客户终端为电脑或智能手机。
与所述的一种无线智能索力监测系统配套的监测方法，包括如下步骤：
步骤1：传感器节点首先通过重力加速度陀螺仪传感器采集斜拉索的振动加速度信息，然后通过傅里叶变换计算出斜拉索的振动基频数据，并对振动基频数据进行打包和编码，然后再通过无线6LoWPAN协议网络将振动基频数据发送到中心节点终端；
步骤2：中心节点终端接收振动基频数据，并将振动基频数据编码压缩后，通过GPRS网络传送给数据库服务器；
步骤3：设定变量T表示索力值，数据库服务器(3)利用张紧弦模型，并根据以下公式计算出变量T的值：T＝4mL2f2；其中f为斜拉索的基频振动频率，L为斜拉索的长度，m为斜拉索单位长度的质量；
步骤4：管理服务器(1)调取数据库服务器(3)计算出的变量T的值，并通过分析各根斜拉索的受力状态，建立桥梁的三维建模，得出桥梁整体的结构受力状况；
步骤5：用户通过客户终端查看桥梁的三维建模和桥梁整体的结构受力状况。
本发明所述的一种无线智能索力监测系统及监测方法，采用频率法测量索力，实现了快速搭建低成本、自组网和自恢复的智能无线索力监测系统，代替传统的有线方式，方便安装，降低了系统建设成本，提高了桥梁监测水平；本发明利用先进的6LoWPAN技术，构建传感节点与中心节点之间的无线通信网络，传感节点采集到的数据，通过无线通信的方式传送到中心节点，中心节点将数据汇聚编码后，通过GPRS/3G/4G网络回传到后台服务器，所有通信都是通过无线的方式进行，避免了布线的麻烦，摆脱了有线的限制，方便了安装；本发明通过太阳能电池，给传感器节点设备供电，去除了电力布线环节，尤其适用于一些不方便布设交流电的应用场景，大大降低了施工难度；本发明采用基于时间表的唤醒(固定的时间表，睡眠闹钟、无线电唤醒)机制和触发唤醒(无线触发唤醒、振动触发唤醒)机制，调节加速度传感器的工作时间；本发明针对交通行业的特殊性，如在夜间交通流量相对较低，不需要所有的设备都处于工作状态，因而可采用睡眠唤醒机制来降低能源消耗；本发明采用成熟的快速傅里叶变换算法和张紧弦模型，从加速度振动信号中提取斜拉索的基频振动频率，结合桥梁的结构参数，计算出索力；算法高效，模型简单可靠；本发明分析多根斜拉索的索力数据，利用先进的3D建模技术，分析展示整座桥梁的受力情况，实现对桥梁结构的整体监测。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的中心节点终端的原理图框图；
图3是本发明的传感器节点原理图框图；
图4是本发明的唤醒逻辑电路原理图；
图5是本发明的流程图；
图中：管理服务器1、数个客户终端2、数据库服务器3、中心节点终端4、数个传感器节点5、中心节点主控芯片7、电源模块8、存储模块9、日历芯片10、GPRS模块11、中心节点无线通信模块12、重力加速度陀螺仪传感器13、传感器节点无线通信模块14、计时模块15、传感器节点主控芯片16、唤醒逻辑电路17、太阳能电池板18、电池管理模块19、锂电池20、USB接口21。
具体实施方式
实施例一：
如图1-4所示的一种无线智能索力监测系统，包括管理服务器1、数个客户终端2、数据库服务器3、中心节点终端4和数个传感器节点5，管理服务器1和所有客户终端2均通过互联网连接数据库服务器3，中心节点终端4通过GPRS网络连接数据库服务器3；
中心节点终端4包括中心节点主控芯片7、存储模块9、日历芯片10、GPRS模块11、中心节点无线通信模块12和电源模块8，中心节点主控芯片7设有第一组IO口、第二组IO口、第三组IO口和第四组IO口，存储模块9连接所述第一组IO口，日历芯片10连接所述第二组IO口，GPRS模块11连接所述第三组IO口，中心节点无线通信模块12连接所述第四组IO口；
电源模块8为中心节点主控芯片7、存储模块9、日历芯片10、GPRS模块11和中心节点无线通信模块12供电；GPRS模块11通过GPRS网络与数据库服务器3通信；
传感器节点5包括传感器节点主控芯片16、唤醒逻辑电路17、重力加速度陀螺仪传感器13、传感器节点无线通信模块14、计时模块15、太阳能电池板18、电池管理模块19、锂电池20和USB接口21，传感器节点主控芯片16设有第五组IO口、第六组IO口、第七组IO口、第一中断输入端、第二中断输入端和第三中断输入端，重力加速度陀螺仪传感器13的信号输出端连接所述第五组IO口，传感器节点无线通信模块14的信号输出端连接所述第六组IO口，计时模块15的信号输出端连接所述第七组IO口；
唤醒逻辑电路17包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，场效应管Q1的漏极连接电池管理模块19的输出端，场效应管Q1的栅极连接计时模块15的中断输出端，场效应管Q1的源极通过串联在一起的电阻R4和电阻R5连接地线，电阻R4和电阻R5的连接点连接所述第一中断输入端；
场效应管Q2的漏极连接电池管理模块19的输出端，场效应管Q2的栅极连接重力加速度陀螺仪传感器13的中断输出端，场效应管Q2的源极通过串联在一起的电阻R6和电阻R7连接地线，电阻R6和电阻R7的连接点连接所述第二中断输入端；
场效应管Q3的漏极连接电池管理模块19的输出端，场效应管Q3的栅极连接传感器节点无线通信模块14的中断输出端，场效应管Q3的源极通过串联在一起的电阻R8和电阻R9连接地线，电阻R8和电阻R9的连接点连接所述第三中断输入端；
太阳能电池板18、锂电池20和USB接口21均连接电池管理模块19，电池管理模块19为传感器节点主控芯片16、唤醒逻辑电路17、重力加速度陀螺仪传感器13、传感器节点无线通信模块14和计时模块15供电；USB接口21连接外部电源；
传感器节点无线通信模块14通过无线6LoWPAN协议网络与中心节点无线通信模块12通信。
所述中心节点主控芯片7和所述传感器节点主控芯片16均为ARM7控制器。
所述计时模块15与所述日历芯片10的型号均为PCF2129；所述传感器节点无线通信模块14和中心节点无线通信模块12的型号均为6LoWPAN；所述重力加速度陀螺仪传感器13的型号为MPU6050。
所述GPRS模块11的型号为Neo_M680GPRS；所述存储模块9为FLASH存储器；所述电池管理模块19的型号为BQ24030。
所述客户终端2为电脑或智能手机。
实施例二：
如图5所示，与实施例一所述的一种无线智能索力监测系统配套的监测方法，是通过实施例一所述的一种无线智能索力监测系统实现的，包括如下步骤：
步骤1：传感器节点5首先通过重力加速度陀螺仪传感器13采集斜拉索的振动加速度信息，然后通过傅里叶变换计算出斜拉索的振动基频数据，并对振动基频数据进行打包和编码，然后再通过无线6LoWPAN协议网络将振动基频数据发送到中心节点终端4；
步骤2：中心节点终端4接收振动基频数据，并将振动基频数据编码压缩后，通过GPRS网络传送给数据库服务器3；
步骤3：设定变量T表示索力值，数据库服务器(3)利用张紧弦模型，并根据以下公式计算出变量T的值：T＝4mL2f2；其中f为斜拉索的基频振动频率，L为斜拉索的长度，m为斜拉索单位长度的质量；
步骤4：管理服务器(1)调取数据库服务器(3)计算出的变量T的值，并通过分析各根斜拉索的受力状态，建立桥梁的三维建模，得出桥梁整体的结构受力状况；
步骤5：用户通过客户终端2查看桥梁的三维建模和桥梁整体的结构受力状况。
本发明所述的一种无线智能索力监测系统及监测方法，采用频率法测量索力，实现了快速搭建低成本、自组网和自恢复的智能无线索力监测系统，代替传统的有线方式，方便安装，降低了系统建设成本，提高了桥梁监测水平；本发明利用先进的6LoWPAN技术，构建传感节点与中心节点之间的无线通信网络，传感节点采集到的数据，通过无线通信的方式传送到中心节点，中心节点将数据汇聚编码后，通过GPRS/3G/4G网络回传到后台服务器，所有通信都是通过无线的方式进行，避免了布线的麻烦，摆脱了有线的限制，方便了安装；本发明通过太阳能电池，给传感器节点设备供电，去除了电力布线环节，尤其适用于一些不方便布设交流电的应用场景，大大降低了施工难度；本发明采用基于时间表的唤醒(固定的时间表，睡眠闹钟、无线电唤醒)机制和触发唤醒(无线触发唤醒、振动触发唤醒)机制，调节加速度传感器的工作时间；本发明针对交通行业的特殊性，如在夜间交通流量相对较低，不需要所有的设备都处于工作状态，因而可采用睡眠唤醒机制来降低能源消耗；本发明采用成熟的快速傅里叶变换算法和张紧弦模型，从加速度振动信号中提取斜拉索的基频振动频率，结合桥梁的结构参数，计算出索力；算法高效，模型简单可靠；本发明分析多根斜拉索的索力数据，利用先进的3D建模技术，分析展示整座桥梁的受力情况，实现对桥梁结构的整体监测。

Claims (6)

1.一种无线智能索力监测系统，其特征在于：包括管理服务器(1)、数个客户终端(2)、数据库服务器(3)、中心节点终端(4)和数个传感器节点(5)，管理服务器(1)和所有客户终端(2)均通过互联网连接数据库服务器(3)，中心节点终端(4)通过GPRS网络连接数据库服务器(3)；
中心节点终端(4)包括中心节点主控芯片(7)、存储模块(9)、日历芯片(10)、GPRS模块(11)、中心节点无线通信模块(12)和电源模块(8)，中心节点主控芯片(7)设有第一组IO口、第二组IO口、第三组IO口和第四组IO口，存储模块(9)连接所述第一组IO口，日历芯片(10)连接所述第二组IO口，GPRS模块(11)连接所述第三组IO口，中心节点无线通信模块(12)连接所述第四组IO口；
电源模块(8)为中心节点主控芯片(7)、存储模块(9)、日历芯片(10)、GPRS模块(11)和中心节点无线通信模块(12)供电；GPRS模块(11)通过GPRS网络与数据库服务器(3)通信；
传感器节点(5)包括传感器节点主控芯片(16)、唤醒逻辑电路(17)、重力加速度陀螺仪传感器(13)、传感器节点无线通信模块(14)、计时模块(15)、太阳能电池板(18)、电池管理模块(19)、锂电池(20)和USB接口(21)，传感器节点主控芯片(16)设有第五组IO口、第六组IO口、第七组IO口、第一中断输入端、第二中断输入端和第三中断输入端，重力加速度陀螺仪传感器(13)的信号输出端连接所述第五组IO口，传感器节点无线通信模块(14)的信号输出端连接所述第六组IO口，计时模块(15)的信号输出端连接所述第七组IO口；
唤醒逻辑电路(17)包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，场效应管Q1的漏极连接电池管理模块(19)的输出端，场效应管Q1的栅极连接计时模块(15)的中断输出端，场效应管Q1的源极通过串联在一起的电阻R4和电阻R5连接地线，电阻R4和电阻R5的连接点连接所述第一中断输入端；
场效应管Q2的漏极连接电池管理模块(19)的输出端，场效应管Q2的栅极连接重力加速度陀螺仪传感器(13)的中断输出端，场效应管Q2的源极通过串联在一起的电阻R6和电阻R7连接地线，电阻R6和电阻R7的连接点连接所述第二中断输入端；
场效应管Q3的漏极连接电池管理模块(19)的输出端，场效应管Q3的栅极连接传感器节点无线通信模块(14)的中断输出端，场效应管Q3的源极通过串联在一起的电阻R8和电阻R9连接地线，电阻R8和电阻R9的连接点连接所述第三中断输入端；
太阳能电池板(18)、锂电池(20)和USB接口(21)均连接电池管理模块(19)，电池管理模块(19)为传感器节点主控芯片(16)、唤醒逻辑电路(17)、重力加速度陀螺仪传感器(13)、传感器节点无线通信模块(14)和计时模块(15)供电；
传感器节点无线通信模块(14)通过无线6LoWPAN协议网络与中心节点无线通信模块(12)通信。
2.如权利要求1所述的一种无线智能索力监测系统，其特征在于：所述中心节点主控芯片(7)和所述传感器节点主控芯片(16)均为ARM7控制器。
3.如权利要求1所述的一种无线智能索力监测系统，其特征在于：所述计时模块(15)与所述日历芯片(10)的型号均为PCF2129；所述传感器节点无线通信模块(14)和中心节点无线通信模块(12)的型号均为6LoWPAN；所述重力加速度陀螺仪传感器(13)的型号为MPU6050。
4.如权利要求1所述的一种无线智能索力监测系统，其特征在于：所述GPRS模块(11)的型号为Neo_M680GPRS；所述存储模块(9)为FLASH存储器；所述电池管理模块(19)的型号为BQ24030。
5.如权利要求1所述的一种无线智能索力监测系统，其特征在于：所述客户终端(2)为电脑或智能手机。
6.与权利要求1所述的一种无线智能索力监测系统配套的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：传感器节点(5)首先通过重力加速度陀螺仪传感器(13)采集斜拉索的振动加速度信息，然后通过傅里叶变换计算出斜拉索的振动基频数据，并对振动基频数据进行打包和编码，然后再通过无线6LoWPAN协议网络将振动基频数据发送到中心节点终端(4)；
步骤2：中心节点终端(4)接收振动基频数据，并将振动基频数据编码压缩后，通过GPRS网络传送给数据库服务器(3)；
步骤3：设定变量T表示索力值，数据库服务器(3)利用张紧弦模型，并根据以下公式计算出变量T的值：T＝4mL2f2；其中f为斜拉索的基频振动频率，L为斜拉索的长度，m为斜拉索单位长度的质量；
步骤4：管理服务器(1)调取数据库服务器(3)计算出的变量T的值，并通过分析各根斜拉索的受力状态，建立桥梁的三维建模，得出桥梁整体的结构受力状况；
步骤5：用户通过客户终端(2)查看桥梁的三维建模和桥梁整体的结构受力状况。
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