CN108538043A - 一种基于wifi通信技术的桥梁应变监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统级方法，该系统包括：设置在桥梁关键位置表面的钢弦传感器、WIFI振弦采集器、WIFI路由器、上位机采集软件；WIFI振弦采集器包括控制器、供电模块、高压升压电路、信号调理电路、高压开关、以及WIFI无线模块；所述WIFI振弦采集器通过导线连接在钢弦传感器两端，钢弦传感器在高压激励下进行振荡，并将频率信号输出到WIFI振弦采集器；所述WIFI振弦采集器与所述上位机采集软件通过WIFI路由器提供的无线网络进行通信，并通过WIFI无线模块建立TCP连接，实时自动采集桥梁结构应变数据。本发明的桥梁应变监测系统及方法利用WIFI成熟的协议，可避免自行设计组网协议，并且采用TCP/IP确保通信过程可靠。

Description

一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统及方法。

背景技术

目前在桥梁施工监控过程中测量混凝土的应变、应力大多采用有线传感器，即在监控之前布设有线传感器，通过有线电缆方式传输测量数据。对于大跨度桥梁结构监控，其测点多、测点间距远，采用有线电缆方式显然存在布线费用高、布线困难等问题。因此，在不允许永久性布线的情况下，采用基于WIFI的无线振弦应变传感器进行监控测量更加方便快捷，可提高工作效率，节约监控工作所需各项资源。

与本发明最相近似的实现方案分别是基于ZigBee和Bluetooth技术组网。ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网，安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee具有星型、网格状和簇状等三种拓扑结构，从而实现一对一以及一对多的联结关系。ZigBee的分层构架是在OSI七层模型的基础上根据应用的实际需要定义的。其中主要分为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用层(API)，而应用层又由应用支持子层(APS)、设备对象(ZDO)和应用程序框架(AF)所组成。Bluetooth技术采用高速跳频扩展技术FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)，跳频速率为每秒1600次，每次传送一个封包，封包的大小从126bit-287bit皆可。Bluetooth的功能模块分为：无线射频单元、链路控制单元和链路管理单元。

ZigBee技术具有近距离、低数据速率的缺点，ZigBee由于不支持时分复用的通道接入方式，偶有延时现象产生。Bluetooth技术的传输距离具有极大的局限性，高速跳频限制了数据传输的速率，可供连接的最大节点数量不多。

采用普通无线模块组网需要自行设计通讯协议，无线组网协议的难点在于处理网络冲突，组网协议开发周期长，BUG多，通信效率低下，功耗优化空间小等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，采用WIFI技术，应用成熟的TCP/IP通信协议，并设计WIFI振弦采集器，能够有效采集桥梁结构应变数据。

本发明的另一目的在于，提出一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，包括：多个设置在桥梁关键位置表面的钢弦传感器、多个WIFI振弦采集器、WIFI路由器、以及上位机采集软件；所述多个WIFI振弦采集器通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述多个WIFI振弦采集器与所述上位机采集软件通过WIFI路由器提供的无线传感器网络进行通信，并建立TCP连接，实时自动采集桥梁结构应变数据；所述钢弦传感器用于测量桥梁结构应变的频率数据；所述WIFI振弦采集器通过导线连接在钢弦传感器两端，用于采集钢弦传感器的频率数据；所述无线路由器用于多个WIFI振弦采集器和上位机采集软件之间进行无线通信；所述上位机采集软件用于发出采集频率的指令，并接收和显示频率信号数据。

作为优选的技术方案，所述WIFI振弦采集器包括控制器、供电模块、高压升压电路、高压开关、信号调理电路、以及WIFI无线模块，所述控制器分别与供电模块、高压开关、信号调理电路、高压放电电路、以及WIFI无线模块连接；所述钢弦传感器连接高压开关和信号调理电路；

所述上位机采集软件通过WIFI路由器将采集频率指令传输到WIFI振弦采集器的WIFI无线模块，WIFI振弦采集器通过WIFI无线模块将所述采集频率指令传输至控制器,所述控制器连接高压升压电路，控制器通过输出PWM信号控制高压升压电路产生高压，所述高压升压电路将电压升高到130～180V高压，然后经过高压开关以脉冲高压激励的方式将高压加载到钢弦传感器，加载30s钢弦传感器在高压激励下进行振荡,并输出电压信号，所述信号调理电路对电压信号进行调整，所述信号调理电路连接控制器，所述控制器采集调整后的信号并计算频率，然后通过WITI无线模块将频率值传输至上位机采集软件显示；

所述供电模块为控制器、信号调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块提供电源。

作为优选的技术方案，所述振弦应变传感器包括：受力弹性形变外壳或膜片、钢弦、紧固夹头、激振线圈和接收线圈，所述受力弹性形变外壳或膜片设置在桥梁监测位置，所述钢弦通过紧固夹头安装在受力弹性形变外壳或膜片上，所述激振线圈和接收线圈安装在受力弹性形变外壳或膜片表面，所述接收线圈分别连接激振线圈和放大器；通过激振线圈带电激励所述钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入信号放大器放大，所述信号放大器将输出的电压信号反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，同时信号放大器将关于钢弦张力的频率信号输出到WIFI振弦采集器的信号调理电路。

作为优选的技术方案，所述WIFI无线模块采用CSR-C322芯片及其外围电路构成；所述控制器采用STM32F103ARM7处理器，并设置用于量产时进行功能测试的USART1串口，以及用于连接WIFI无线模块的USART2串口。

作为优选的技术方案，所述高压升压电路包括场效应管Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二十九电阻R29、第一比较器、以及驱动芯片；所述场效应管Q1采用IRF7450场效应管；所述驱动芯片采用UCC27324芯片；所述第一比较器采用LM2903D比较器；第一二极管D1必须采用肖特基二极管FR107；所述第二电容C2必须采用耐压值250V以上的电容；

所述驱动芯片的第二引脚通过第六电阻R6接收控制器输出的PWM信号，驱动芯片的第一引脚、第三引脚、第四引脚、以及第八引脚均接地，驱动芯片的第五引脚悬空不使用，第六引脚连VCC电源电压，第七引脚通过第二十九电阻R29连接到场效应管Q1的栅极；所述场效应管Q1的源极接地；所述场效应管Q1的漏极分别连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的阳极；所述第一电感L1的另一端连接3.3V电源；所述第二电容C2的正极分别连接第一二极管D1的阴极和第二电阻R2的一端，构成接入高压开关的VCC电压端；所述第二电容C2的负极和场效应管Q1的源极以及第七电阻R7的一端均接地；所述第七电阻R7的另一端分别连接第二电阻R2的另一端和第一比较器的第二引脚，所述第一比较器的第三引脚分别连接第三电容C3的一端和第八电阻R8的一端，所述第三电容C3的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端接3.3V电源；所述比较器的第一引脚构成高压激励电路的输出端并连接控制器的第十五引脚，第四引脚接地，第八引脚连接3.3V电源。

作为优选的技术方案，所述高压开关采用高压放电电路，该电路包括第四三极管T4、第五三极管T5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十五电阻R15、第十八电阻R18、以及第二十电阻R20；所述第四三极管T4采用MPSA92三极管；所述第五三极管T5采用MPSA42三极管；所述第二二极管D2必须采用肖特基二极管FR107；

所述第二十电阻R20一端连接控制器的第十九引脚，另一端连接第五三极管T5的基极；所述第五三极管T5的发射极接地，集电极通过第十五电阻R15连接第十一电阻R11的一端和第四三极管T4的基极，所述第十一电阻R11的另一端和第四三极管T4的发射极连接VCC电源，所述第四三极管T4的集电极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极分别连接第十八电阻R18的一端、第三二极管D3的阳极以及钢弦传感器，所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第三二极管D3的阳极通过第十三电阻R13连接第五二极管D5的阳极和信号调理电路的第十九电阻19的一端，所述第三二极管D3的阴极、第五二极管D5的阴极、以及第十九电阻19的另一端均接地。

作为优选的技术方案，所述信号调理电路包括第一放大器、第二放大器、第二比较器、第四电容C4、第五电容C5、第九电容C9、第十电容C10、第九电阻R9、第十电阻R10、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、以及第二十一电阻R21；所述第一放大器、第二放大器采用LM2904D放大器，所述第二比较器采用LM2903D比较器；

所述第十九电阻R19的一端接地，另一端连接高压放电电路的输出端和第九电容C9的一端，所述第九电容C9的另一端通过第十六电阻R16连接第一放大器的第二引脚、第九电阻R9的一端和第四电容C4的一端，所述第九电阻R9的另一端连接第四电容C4的另一端和第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第三引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第一放大器的第一引脚通过第十电容C10连接第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端连接第二放大器的第六引脚、第十电阻R10的一端、以及第五电容C5的一端，所述第十电阻R10的另一端连接第五电容C5的另一端和第二放大器的第七引脚，第二放大器的第五引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第二放大器的第七引脚还连接控制器的第十八引脚，所述控制器的第十八引脚连接第二比较器的第六引脚，所述第二比较器的第五引脚连接第十七电阻R17的一端和第二十一电阻R21的一端，所述第十七电阻R17的另一端连接VDD电源电压；所述第二十一电阻R21的另一端连接第二比较器的第七引脚以构成信号调理电路的输出端，并且连接控制器的第十六引脚；所述第二比较器的第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源。

作为优选的技术方案，所述上位机采集软件采用高级编程语言C#进行编写并编译，该软件包括数据采集模块、图表显示模块以及数据保存模块；所述数据采集模块自动采集的数据包括钢弦的频率、应变和信号强度数据；所述图表显示模块将采集的数据以折线图的形式显示数据变化趋势。

作为优选的技术方案，所述上位机采集软件相当于TCP SERVER，拥有固定分配的IP地址，所述IP地址为192.168.1.100；每一个WIFI振弦采集器相当于一个TCP Client，拥有临时分配的IP地址，N个WIFI振弦采集器和上位机采集软件处于同一个无线局域网，TCPClient自动连接到TCP SERVER，从而建立起TCP连接，实现现场实时自动采集桥梁结构应变数据。

一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，包括下述步骤：

S1、WIFI振弦采集器开机时，控制器先将各功能单元设置为初始状态，包括初始化各I/O、USART1串口、USART2串口及ADC等单元；之后检查并读取内部FLASH中存储的16位编码以获取WIFI振弦采集器的编号以获取WIFI振弦采集器的ID编号，再将WIFI无线模块设置为STA模式，WIFI无线模块根据内部设定的网络参数，并通过WIFI路由器自动连接上位机采集软件；

S2、WIFI振弦采集器的WIFI无线模块通过WIFI路由器成功联网后，与上位机采集软件之间采用TCP/IP连接方式，上位机采集软件相当于TCP SERVER，WIFI振弦采集器相当于TCP Client；成功建立TCP/IP链接后，WIFI无线模块进入串口透明传输模式；当WIFI无线模块接收到上位机采集软件发送的WIFI指令时，WIFI无线模块将WIFI指令从串口输出给控制器的USART2串口；控制器接收WIFI指令，并根据WIFI振弦采集器的ID来判断WIFI指令是否发给自己，若是发给自己，则进行下一步，若不是发给自己，则不进行下一步操作，仍处于接收状态；

S3、如果WIFI振弦采集器接收到的WIFI指令为采集频率数据，则控制器先启动其内部定时器的PWM输出功能，输出10～30KHz频率的PWM信号控制高压激励电路以获得130～180V的脉冲高电压，由第一比较器LM2903对高压进行检测，并给出触发信号反馈给控制器；

S4、当检测到高压达到预设值后，控制器关闭PWM功能，同时通过I/O控制高压开关将高压加载到所述钢弦传感器两端，加载30s后，通过I/O切断高压；钢弦传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，其输出电压信号的频率由钢弦传感器应力大小决定；

S5、信号调理电路将钢弦传感器的输出电压信号放大和整形，得到一个频率的方波信号；控制器内置的数个定时器协同工作，采集方波信号并经过计算得到频率值，从而完成数据采集；

S6、最后控制器通过USART2串口将数据发送给WIFI无线模块，所述WIFI无线模块通过TCP数据包方式将数据发送给上位机数据采集软件；从而实现1次完整的数据采集和传输。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明的系统及方法基于WIFI技术，可以实现TCP/IP通信，众所周知，TCP/IP是成熟可靠的通信技术，是互联网的基础，采用TCP/IP可确保通信过程可靠。

2、本发明的系统及方法利用WIFI成熟的协议，可避免自行设计组网协议，通常无线组网协议的难点在于处理网络冲突，且还需在妥善处理网络冲突的前提下，确保通信效率和可靠性，WIFI广泛采用IEEE 802.11系列协议族，在组网优势上可以说是最佳的。在一个无线钢弦传感器采集系统中，采用的是普通无线模块(ISM频段)，自行设计组网协议，这种技术体制，存在组网协议开发周期长、BUG多，通信效率较低，功耗无法进一步优化等缺点。近年来WIFI模块成本迅速下降后，普通无线模块将逐渐丧失市场价值。

3、本发明的系统基于WIFI的数据采集，核心交换节点(AP)可直接采购市面上的WIFI路由器，进一步提高了整个系统的可靠性，且WIFI路由器的功率和性能，一定程度上决定了WIFI覆盖范围，当用户需要进一步扩展覆盖范围时，可选择部署多个WIFI路由器，实现信号的中继，另外这些功能的实现，只需要通过配置WIFI路由器即可，简单方便，而如果采用普通无线模块组网来实现信号中继，协议设计或移植均是不菲的开销。

5、本发明的系统能够很方便地在同一作业现场部署多台无线路由器，构建多个无线子网络，各子网络之间基于SSID区分，无需用户自己去规划频段和信道，网络之间相互不干扰。

6、本发明的桥梁应变监测系统利用振弦式应变传感器和WIFI振弦采集器实现数据采集，并通过WIFI通信模块自动将数据稳定地传输给计算机，实现实时监测，也易于实现桥梁结构的长期动态监控。

7、本发明系统的高压升压电路采用场效应管IRF7450作为高压升压电路的开关器件，具有反应迅速、漏电流小、可靠性高的优点，采用UCC27324芯片驱动场效应管IRF7450，负责将微控制器输出的TTL电平驱动信号转换为驱动能力更强的驱动信号，整个高压升压电路响应时间更短、效率更高。

8、本发明系统的信号调理电路所起的主要作用是：放大、滤波、整形，第一、第二放大器LM2904双运放构成两级放大滤波电路，将1KHz频段左右的信号放大数百倍；后级由第二比较器LM2903构成电压比较电路，实现波形整形。

附图说明

图1为本实施例中基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的示意图；

图2为本实施例中钢弦传感器和振弦WIFI采集器的原理框图；

图3为本实施例中钢弦传感器的示意图；附图标注：1、受力壳体；2、钢弦；3、第一紧固夹头；4、第二紧固夹头；5、激振线圈；6、接收线圈；7、放大器；8、电阻；

图4为本实施例中控制器的电路原理图；

图5为本实施例中高压升压电路原理图；

图6为本实施例中高压开关的电路原理图；

图7为本实施例中钢弦传感器电路原理图；

图8为本实施例中信号调理电路原理图；

图9为本实施例中供电模块中供给控制器和信号调理电路的电路原理图；

图10为本实施例中供电模块中供给WIFI无线模块的电路原理图；

图11为本实施例中供电模块中供给高压升压电路的电路原理图；

图12为本实施例中WIFI无线模块的电路原理图；

图13本实施例中上位机采集软件的操作图；

图14为本实施例中添加WIFI中继器的桥梁应变监测系统的示意图；

图15为本实施例中远程数据采集TCP通信结构示意图；

图16为本实施例中基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，包括多个设置在桥梁关键位置表面的钢弦传感器、多个WIFI振弦采集器(WIFI STA)、WIFI路由器(WIFI AP)、以及上位机采集软件(WIFI STA)；所述多个WIFI振弦采集器通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述多个WIFI振弦采集器与所述上位机采集软件通过WIFI路由器提供的无线传感器网络进行通信，并建立TCP连接，实时自动采集桥梁结构应变数据；所述钢弦传感器用于测量桥梁结构应变的频率数据；所述WIFI振弦采集器通过导线连接在钢弦传感器两端，用于采集钢弦传感器的频率数据；所述无线路由器用于多个WIFI振弦采集器和上位机采集软件之间进行无线通信；所述上位机采集软件用于发出采集频率的指令，并接收和显示频率信号数据。

在本实施例中，根据需要监测的桥梁位置，设置相应数量的振弦应变传感器和WIFI振弦采集器，每个监测桥梁位置的桥梁结构应变数据由配置的振弦应变传感器和WIFI振弦采集器采集及处理，然后通过WIFI路由器块传输至上位机，由所述上位机采集软件统一接收和显示监测结果。

如图2所示，所述WIFI振弦采集器包括控制器、供电模块、高压开关、信号调理电路、高压放电电路、以及WIFI无线模块，所述控制器分别与供电模块、高压开关、信号调理电路、高压放电电路、以及WIFI无线模块连接；所述上位机采集软件通过WIFI路由器将采集频率指令传输到WIFI振弦采集器的WIFI无线模块，WIFI振弦采集器通过无线模块将所述采集频率指令传输至控制器,所述控制器连接高压升压电路，控制器通过输出PWM信号控制高压升压电路产生高压，所述高压升压电路将电压升高到130～180V高压，然后经过高压开关以脉冲高压激励的方式将高压加载到钢弦传感器，加载5～10ms之后，关断高压开关，钢弦传感器在高压激励下进行振荡,并输出电压信号，所述信号调理电路对电压信号进行放大、滤波、限幅、以及整形，所述信号调理电路连接控制器，所述控制器采集调整后的信号并计算频率，然后通过WITI无线模块和WIFI路由器将计算的频率值传输至上位机采集软件显示。

在本实施例中，如图3所示，所述振弦应变传感器包括：受力弹性形变外壳1、钢弦2、第一紧固夹头3、第二紧固夹头4、激振线圈5、接收线圈6、放大器7、以及起保护电路和限流作用的电阻8，所述受力弹性形变外壳1设置在桥梁监测位置，所述钢弦2通过第一紧固夹头3和第二紧固夹头4安装在受力弹性形变外壳1上，所述激振线圈5和接收线圈6安装在受力弹性形变外壳1表面，所述接收线圈6分别连接激振线圈5和放大器7；通过激振线圈5带电激励所述钢弦2振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈6送入放大器7放大，所述放大器将输出的电压信号反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，同时将关于钢弦张力有关的频率信号输出到WIFI振弦采集器的信号调理电路；

钢弦的振动频率可由下式确定：

式中，f₀为初始频率；L为钢弦的有效长度；ρ为钢弦材料密度；σ₀为钢弦上的初始应力。

由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f₀建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按照初始应力作稳幅振动，输出初始频率f₀；当施加外力即被测力(应力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初始频率也随之增加或减少。因此，只要测得钢弦频率值f，即可得到相应被测的力(应力或压力)值等。

如图4所示，所述控制器采用STM32F103ARM7处理器，并设置SWD调试接口、USART1串口和USART2串口，所述SWD调试接口用于下载程序；所述USART1用于量产时进行功能测试；所述USART2串口用于连接WIFI无线模块；所述控制器利用内部的FLASH存储WIFI振弦采集器的ID编号；

如图5所示，所述高压升压电路采用场效应管IRF7450作为高压升压电路的开关器件，具有反应迅速、漏电流小、可靠性高的优点，采用UCC27324芯片驱动场效应管IRF7450，负责将微控制器输出的TTL电平驱动信号转换为驱动能力更强的驱动信号，整个高压升压电路响应时间更短、效率更高。

所述高压升压电路具体包括场效应管Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二十九电阻R29、第一比较器、以及驱动芯片；所述场效应管Q1采用IRF7450场效应管；所述驱动芯片采用UCC27324芯片；所述第一比较器采用LM2903D比较器；第一二极管D1必须采用肖特基二极管FR107，满足高速反应和耐高压要求；所述第二电容C2必须采用耐压值250V以上的电容；在本实施例中，第一电感L1采用330uH/1A电感、第二电容C2采用1uF/250V CCB22电容、第三电容C3采用0.1uF电容、第二电阻R2采用10M电阻、第六电阻R6采用4.7K电阻、第七电阻R7采用200K电阻、第八电阻R8采用10K电阻、第二十九电阻R29采用4.7K电阻；本实施例中第二电阻R2和第七电阻R7的阻值不能出现错误，调整二者的比值可以得到相应的高压，高压Vh＝R2/R7*1.5V；

所述驱动芯片的第二引脚通过第六电阻R6接收控制器输出的PWM信号，驱动芯片的第一引脚、第三引脚、第四引脚、以及第八引脚均接地，驱动芯片的第五引脚悬空不使用，第六引脚连VCC电源电压，第七引脚通过第二十九电阻R29连接到场效应管Q1的栅极；所述场效应管Q1的源极接地；所述场效应管Q1的漏极分别连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的阳极；所述第一电感L1的另一端连接3.3V电源；所述第二电容C2的正极分别连接第一二极管D1的阴极和第二电阻R2的一端，构成接入高压开关的VCC电压端；所述第二电容C2的负极和场效应管Q1的源极以及第七电阻R7的一端均接地；所述第七电阻R7的另一端分别连接第二电阻R2的另一端和第一比较器的第二引脚，所述第一比较器的第三引脚分别连接第三电容C3的一端和第八电阻R8的一端，所述第三电容C3的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端接3.3V电源；所述比较器的第一引脚构成高压激励电路的输出端并连接控制器的第十五引脚，第四引脚接地，第八引脚连接3.3V电源。

如图6所示，所述高压开关采用高压放电电路，包括第四三极管T4、第五三极管T5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十五电阻R15、第十八电阻R18、以及第二十电阻R20；所述第四三极管T4采用MPSA92三极管；所述第五三极管T5采用MPSA42三极管；所述第二二极管D2必须采用肖特基二极管FR107；在本实施例中，第十一电阻R11采用1M电阻，第十三电阻R13采用10K电阻，第十五电阻R15采用4.7K电阻，第十八电阻R18采用100K电阻，以及第二十电阻R20采用4.7K电阻；

所述第二十电阻R20一端连接控制器STM32F103的第十九引脚，另一端连接第五三极管T5的基极；所述第五三极管T5的发射极接地，集电极通过第十五电阻R15连接第十一电阻R11的一端和第四三极管T4的基极，所述第十一电阻R11的另一端和第四三极管T4的发射极连接VCC电源，所述第四三极管T4的集电极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极分别连接第十八电阻R18的一端和第三二极管D3的阳极，所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第三二极管D3的阳极通过第十三电阻R13连接第五二极管D5的阳极和信号调理电路的第十九电阻19的一端，所述第三二极管D3的阴极、第五二极管D5的阴极、以及第十九电阻19的另一端均接地。本实施例中，图6中的标识符号CH1为钢弦传感器的接入端，如图7所示为钢弦传感器电路，钢弦传感器的另一端接地。

本实施例中，如图6所示，单片机(控制器)通过I/O控制Con1，驱动第四、第五三极管T4/T5构成的开关电路导通和关闭，从而控制高压是否加载到钢弦传感器两端(图7中SENSOR)。值得说明的是，设计上为了消除钢弦传感器自身电感效应产生的感应电动势，图7中采用了第七二极管D7二极管形成放电回路以保护后级的信号调理电路。钢弦传感器在高压激励下进行振荡，其对高压激励的持续时间也有一定要求，如果时间过短，会导致钢弦传感器振荡不稳定，最终测量出来的频率值抖动较大；但高压激励的时间也不是越大越好。本设备设计中，高压激励时间值是通过大量实际测验获得。

如图7所示，所述信号调理电路，包括第一放大器、第二放大器、第二比较器、第四电容C4、第五电容C5、第九电容C9、第十电容C10、第九电阻R9、第十电阻R10、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、以及第二十一电阻R21；所述第一放大器、第二放大器采用LM2904D放大器，所述第二比较器采用LM2903D比较器；在实施例中，第四电容C4采用470pF电容，第五电容C5采用470pF电容，第九电容C9采用47nF电容，第十电容C10采用47nF电容，第九电阻R9采用200K电阻，第十电阻R10采用200K电阻，第十四电阻R14采用10K电阻，第十六电阻R16采用阻值为0的电阻，第十七电阻R17采用4.7K电阻，第十九电阻R19采用100K电阻，以及第二十一电阻R21采用1M电阻；

所述第十九电阻R19的一端接地，另一端连接高压放电电路的输出端和第九电容C9的一端，所述第九电容C9的另一端通过第十六电阻R16连接第一放大器的第二引脚、第九电阻R9的一端和第四电容C4的一端，所述第九电阻R9的另一端连接第四电容C4的另一端和第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第三引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第一放大器的第一引脚通过第十电容C10连接第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端连接第二放大器的第六引脚、第十电阻R10的一端、以及第五电容C5的一端，所述第十电阻R10的另一端连接第五电容C5的另一端和第二放大器的第七引脚，第二放大器的第五引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第二放大器的第七引脚还连接控制器STM32F103的第十八引脚，所述控制器STM32F103的第十八引脚连接第二比较器的第六引脚，所述第二比较器的第五引脚连接第十七电阻R17的一端和第二十一电阻R21的一端，所述第十七电阻R17的另一端连接VDD电源电压；所述第二十一电阻R21的另一端连接第二比较器的第七引脚以构成信号放大和调理电路的输出端，并且连接控制器STM32F103的第十六引脚；所述第二比较器的第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源。

在本实施例中，信号调理电路的主要作用：放大、滤波、整形，如图8所示，第一和第二放大器LM2904双运放构成两级放大滤波电路，将1KHz频段左右的信号放大数百倍；后级由第二比较器LM2903构成电压比较电路，实现波形整形。

在本实施例中，第三、第四、第五、第六电容(C3/C4/C5/C6)均需要使用5％精度贴片电容，第八、第九、第十一、第十五电阻(R8/R9/R11/R12/R15)均需要使用1％精度贴片电阻，以保证生产出来的WIFI振弦采集器具有较好的一致性。

在本实施例中，所述供电模块为信号调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块提供电源。在本实施例中，所述供电模块采用5V锂电池，如图2所示，所述供电模块采取3组供电，分别为控制器和信号调理电路供3.3V电压，为WIFI无线模块供3.3V电压，为高压升压电路供12V电压；其中如图9所示，第一组3.3V电压由SPX3819-3.3芯片及其外围电路将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给控制器和信号调理电路，如图10所示，第二组3.3V电压由XC6210A332P芯片及其外围电路将外部锂电池5V电压降低稳压到3.3V电压供给WIFI无线模块；如图11所示，所述12V电压则由TI公司的TPS61040/041芯片及其外围电路将外部锂电池5V电压升压为12V电压供给场效应管及其驱动电路；本实施例中，采取分组供电既是不同电路单元所需电压不同的必然选择，也是改善整个装置的电源噪声，提高测量精度的重要手段。

如图12所示，所述WIFI无线模块采用CSR-C322芯片及其外围电路组成。

在本实施例中，所述上位机采集软件采用高级编程语言C#进行编写并编译，该软件包括数据采集模块、图表显示模块以及数据保存模块；所述数据采集模块自动采集的数据包括钢弦的振动频率、应变和信号强度数据；所述图表显示模块将采集的数据以折线图的形式显示数据变化趋势，如图13所示为上位机采集软件的操作图。

如图14所示为WIFI构建无线局域网示意图，在本实施例中，为扩展网络覆盖范围，所述桥梁应变监测系统按实际需求配备WIFI中继器。

在本实施例中，如图1所示，从通信角度来看，用户可在数据采集现场架设WIFI路由器，同时将安装采集软件的上位机放置也在现场，构建一个无线局域网(可以不跟公网连接)所有WIFI振弦采集器加入无线局域网之后，每一个WIFI振弦采集器相当于一个TCPClient，拥有临时分配的IP地址，上位机相当于TCP SERVER，拥有固定分配的IP地址(192.168.1.100)，注意上位机必须拥有固定IP地址，以便管理每一个WIFI振弦采集器；所述WIFI路由器的IP地址设置为192.168.1.1。

如图15所示为远程数据采集TCP通信结构示意图，当用户需要进行远程振弦数据采集，即WIFI振弦采集器全部放置在桥梁监测现场，安装采集软件的上位机放置在异地，此时可借助移动运营商网络，采用4G网关代替WIFI路由器，由4G网关构建WIFI本地局域网，同时4G网关插入SIM卡(手机卡)，4G网关采用USR-G806型号的4G无线路由器，利用4G与运营商基站进行通信，安装采集软件的上位机则加入公网，从而实现所述上位机与WIFI振弦采集器直接的互联。需要注意的是，由于WIFI振弦采集器默认连接192.168.1.100的上位机，因此上位机加入公网后，还应当利用VPN/APN等虚拟专网技术，构建WIFI振弦采集器与上位机之间的虚拟局域网，上位机应当同时具有公网上网的IP地址和虚拟局域网中的192.168.1.100地址；4G网关的IP地址为192.168.1.1。

如图16所示，一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，包括下述步骤：

S1、WIFI振弦采集器开机时，控制器先将各功能单元设置为初始状态，包括初始化各I/O、USART1串口、USART2串口及ADC等单元；然后检查并读取控制器内部FLASH中存储的16位编码以获取WIFI振弦采集器的编号以获取WIFI振弦采集器的ID编号，再将WIFI无线模块设置为STA模式，WIFI无线模块根据内部设定的网络参数，并通过WIFI路由器自动连接上位机采集软件；

S2、WIFI振弦采集器的WIFI无线模块通过WIFI路由器成功联网后，与上位机采集软件之间采用TCP/IP连接方式，上位机采集软件相当于TCP SERVER，WIFI振弦采集器相当于TCP Client；成功建立TCP/IP链接后，WIFI无线模块进入串口透明传输模式；当WIFI无线模块接收到上位机采集软件发送的WIFI指令时，WIFI无线模块将WIFI指令从串口输出给控制器的USART2串口；控制器接收WIFI指令，并根据WIFI振弦采集器的ID来判断WIFI指令是否发给自己，若是发给自己，则进行下一步，若不是发给自己，则不进行下一步操作，仍处于接收状态；

S3、如果WIFI振弦采集器接收到的WIFI指令为采集频率数据，则控制器先启动其内部定时器的PWM输出功能，输出10～30KHz频率的PWM信号控制高压激励电路以获得130～180V的脉冲高电压，由第一比较器LM2903对高压进行检测，并给出触发信号反馈给控制器；

S4、当检测到高压达到预设值后，控制器关闭PWM功能，同时通过I/O控制高压开关将高压加载到所述钢弦传感器两端，钢弦传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，其输出电压信号的频率由钢弦传感器应力大小决定；

S5、信号调理电路将钢弦传感器的输出电压信号放大和整形，得到一个频率的方波信号；控制器内置的数个定时器协同工作，采集方波信号并经过计算得到频率值，从而完成数据采集；

S6、最后控制器通过USART2串口将数据发送给WIFI无线模块，所述WIFI无线模块通过TCP数据包方式将数据发送给上位机数据采集软件；从而实现1次完整的数据采集和传输。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，包括：多个设置在桥梁关键位置表面的钢弦传感器、多个WIFI振弦采集器、WIFI路由器、以及上位机采集软件；所述多个WIFI振弦采集器通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述多个WIFI振弦采集器与所述上位机采集软件通过WIFI路由器提供的无线传感器网络进行通信，并建立TCP连接，实时自动采集桥梁结构应变数据；所述钢弦传感器用于测量桥梁结构应变的频率数据；所述WIFI振弦采集器通过导线连接在钢弦传感器两端，用于采集钢弦传感器的频率数据；所述无线路由器用于多个WIFI振弦采集器和上位机采集软件之间进行无线通信；所述上位机采集软件用于发出采集频率的指令，并接收和显示频率信号数据。

2.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述WIFI振弦采集器包括控制器、供电模块、高压升压电路、高压开关、信号调理电路、以及WIFI无线模块，所述控制器分别与供电模块、高压开关、信号调理电路、高压放电电路、以及WIFI无线模块连接；所述钢弦传感器连接高压开关和信号调理电路；

所述上位机采集软件通过WIFI路由器将采集频率指令传输到WIFI振弦采集器的WIFI无线模块，WIFI振弦采集器通过WIFI无线模块将所述采集频率指令传输至控制器,所述控制器连接高压升压电路，控制器通过输出PWM信号控制高压升压电路产生高压，所述高压升压电路将电压升高到130～180V高压，然后经过高压开关以脉冲高压激励的方式将高压加载到钢弦传感器，加载30s钢弦传感器在高压激励下进行振荡,并输出电压信号，所述信号调理电路对电压信号进行调整，所述信号调理电路连接控制器，所述控制器采集调整后的信号并计算频率，然后通过WITI无线模块将频率值传输至上位机采集软件显示；

所述供电模块为控制器、信号调理电路、高压升压电路、以及WIFI无线模块提供电源。

3.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述振弦应变传感器包括：受力弹性形变外壳或膜片、钢弦、紧固夹头、激振线圈和接收线圈，所述受力弹性形变外壳或膜片设置在桥梁监测位置，所述钢弦通过紧固夹头安装在受力弹性形变外壳或膜片上，所述激振线圈和接收线圈安装在受力弹性形变外壳或膜片表面，所述接收线圈分别连接激振线圈和放大器；通过激振线圈带电激励所述钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入信号放大器放大，所述信号放大器将输出的电压信号反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，同时信号放大器将关于钢弦张力的频率信号输出到WIFI振弦采集器的信号调理电路。

4.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述WIFI无线模块采用CSR-C322芯片及其外围电路构成；所述控制器采用STM32F103ARM7处理器，并设置用于量产时进行功能测试的USART1串口，以及用于连接WIFI无线模块的USART2串口。

5.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述高压升压电路包括场效应管(Q1)、第一二极管(D1)、第一电感(L1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第二电阻(R2)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第二十九电阻(R29)、第一比较器、以及驱动芯片；所述场效应管(Q1)采用IRF7450场效应管；所述驱动芯片采用UCC27324芯片；所述第一比较器采用LM2903D比较器；第一二极管(D1)必须采用肖特基二极管FR107；所述第二电容(C2)必须采用耐压值250V以上的电容；

所述驱动芯片的第二引脚通过第六电阻(R6)接收控制器输出的PWM信号，驱动芯片的第一引脚、第三引脚、第四引脚、以及第八引脚均接地，驱动芯片的第五引脚悬空不使用，第六引脚连VCC电源电压，第七引脚通过第二十九电阻(R29)连接到场效应管(Q1)的栅极；所述场效应管(Q1)的源极接地；所述场效应管(Q1)的漏极分别连接第一电感(L1)的一端和第一二极管(D1)的阳极；所述第一电感(L1)的另一端连接3.3V电源；所述第二电容(C2)的正极分别连接第一二极管(D1)的阴极和第二电阻(R2)的一端，构成接入高压开关的VCC电压端；所述第二电容(C2)的负极和场效应管(Q1)的源极以及第七电阻(R7)的一端均接地；所述第七电阻(R7)的另一端分别连接第二电阻(R2)的另一端和第一比较器的第二引脚，所述第一比较器的第三引脚分别连接第三电容(C3)的一端和第八电阻(R8)的一端，所述第三电容(C3)的另一端接地，所述第八电阻(R8)的另一端接3.3V电源；所述比较器的第一引脚构成高压激励电路的输出端并连接控制器的第十五引脚，第四引脚接地，第八引脚连接3.3V电源。

6.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述高压开关采用高压放电电路，该电路包括第四三极管(T4)、第五三极管(T5)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第五二极管(D5)、第十一电阻(R11)、第十三电阻(R13)、第十五电阻(R15)、第十八电阻(R18)、以及第二十电阻(R20)；所述第四三极管(T4)采用MPSA92三极管；所述第五三极管(T5)采用MPSA42三极管；所述第二二极管(D2)必须采用肖特基二极管FR107；

所述第二十电阻(R20)一端连接控制器的第十九引脚，另一端连接第五三极管(T5)的基极；所述第五三极管(T5)的发射极接地，集电极通过第十五电阻(R15)连接第十一电阻(R11)的一端和第四三极管(T4)的基极，所述第十一电阻(R11)的另一端和第四三极管(T4)的发射极连接VCC电源，所述第四三极管(T4)的集电极连接第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极分别连接第十八电阻(R18)的一端、第三二极管(D3)的阳极以及钢弦传感器，所述第十八电阻(R18)的另一端接地，所述第三二极管(D3)的阳极通过第十三电阻(R13)连接第五二极管(D5)的阳极和信号调理电路的第十九电阻(19)的一端，所述第三二极管(D3)的阴极、第五二极管(D5)的阴极、以及第十九电阻(19)的另一端均接地。

7.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括第一放大器、第二放大器、第二比较器、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第九电容(C9)、第十电容(C10)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十四电阻(R14)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第十九电阻(R19)、以及第二十一电阻(R21)；所述第一放大器、第二放大器采用LM2904D放大器，所述第二比较器采用LM2903D比较器；

所述第十九电阻(R19)的一端接地，另一端连接高压放电电路的输出端和第九电容(C9)的一端，所述第九电容(C9)的另一端通过第十六电阻(R16)连接第一放大器的第二引脚、第九电阻(R9)的一端和第四电容(C4)的一端，所述第九电阻(R9)的另一端连接第四电容(C4)的另一端和第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第三引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第一放大器的第一引脚通过第十电容(C10)连接第十四电阻(R14)的一端，所述第十四电阻(R14)的另一端连接第二放大器的第六引脚、第十电阻(R10)的一端、以及第五电容(C5)的一端，所述第十电阻(R10)的另一端连接第五电容(C5)的另一端和第二放大器的第七引脚，第二放大器的第五引脚连接VDD电源电压，第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源，所述第二放大器的第七引脚还连接控制器的第十八引脚，所述控制器的第十八引脚连接第二比较器的第六引脚，所述第二比较器的第五引脚连接第十七电阻(R17)的一端和第二十一电阻(R21)的一端，所述第十七电阻(R17)的另一端连接VDD电源电压；所述第二十一电阻(R21)的另一端连接第二比较器的第七引脚以构成信号调理电路的输出端，并且连接控制器的第十六引脚；所述第二比较器的第四引脚接地，第八引脚接3.3V电源。

8.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述上位机采集软件采用高级编程语言C#进行编写并编译，该软件包括数据采集模块、图表显示模块以及数据保存模块；所述数据采集模块自动采集的数据包括钢弦的频率、应变和信号强度数据；所述图表显示模块将采集的数据以折线图的形式显示数据变化趋势。

9.根据权利要求1所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于，所述上位机采集软件相当于TCP SERVER，拥有固定分配的IP地址，所述IP地址为192.168.1.100；每一个WIFI振弦采集器相当于一个TCP Client，拥有临时分配的IP地址，N个WIFI振弦采集器和上位机采集软件处于同一个无线局域网，TCP Client自动连接到TCP SERVER，从而建立起TCP连接，实现现场实时自动采集桥梁结构应变数据。

10.根据权利要求1～9任一项所述的基于WIFI通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、WIFI振弦采集器开机时，控制器先将各功能单元设置为初始状态，包括初始化各I/O、USART1串口、USART2串口及ADC等单元；之后检查并读取内部FLASH中存储的16位编码以获取WIFI振弦采集器的编号以获取WIFI振弦采集器的ID编号，再将WIFI无线模块设置为STA模式，WIFI无线模块根据内部设定的网络参数，并通过WIFI路由器自动连接上位机采集软件；

S2、WIFI振弦采集器的WIFI无线模块通过WIFI路由器成功联网后，与上位机采集软件之间采用TCP/IP连接方式，上位机采集软件相当于TCP SERVER，WIFI振弦采集器相当于TCPClient；成功建立TCP/IP链接后，WIFI无线模块进入串口透明传输模式；当WIFI无线模块接收到上位机采集软件发送的WIFI指令时，WIFI无线模块将WIFI指令从串口输出给控制器的USART2串口；控制器接收WIFI指令，并根据WIFI振弦采集器的ID来判断WIFI指令是否发给自己，若是发给自己，则进行下一步，若不是发给自己，则不进行下一步操作，仍处于接收状态；

S3、如果WIFI振弦采集器接收到的WIFI指令为采集频率数据，则控制器先启动其内部定时器的PWM输出功能，输出10～30KHz频率的PWM信号控制高压激励电路以获得130～180V的脉冲高电压，由第一比较器LM2903对高压进行检测，并给出触发信号反馈给控制器；

S4、当检测到高压达到预设值后，控制器关闭PWM功能，同时通过I/O控制高压开关将高压加载到所述钢弦传感器两端，加载30s后，通过I/O切断高压；钢弦传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，其输出电压信号的频率由钢弦传感器应力大小决定；

S5、信号调理电路将钢弦传感器的输出电压信号放大和整形，得到一个频率的方波信号；控制器内置的数个定时器协同工作，采集方波信号并经过计算得到频率值，从而完成数据采集；

S6、最后控制器通过USART2串口将数据发送给WIFI无线模块，所述WIFI无线模块通过TCP数据包方式将数据发送给上位机数据采集软件；从而实现1次完整的数据采集和传输。