CN108566437B - 螺栓紧固安全远程监控网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺栓紧固安全远程监控网络系统，包括：感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端；其中，感知层传感器系统用于监控螺栓的状态，并反馈监测结果；网络传输服务系统用于接收感知层传感器系统反馈监测结果，并进行调度流量与数据交换，向大数据软件系统发送信息；大数据软件系统用于处理网络传输服务系统发送的信息，并将处理后的信息反馈至用户终端；用户终端用于实时监控大数据软件系统反馈的数据信息。本发明提供了一种可在线实时对大型结构、数量巨大的紧固螺栓进行工作应力远程无线网络监控的系统，防止了螺栓紧固应力下降或松脱失效的产生，确保了结构设备地安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及网络监控技术领域，具体而言，涉及一种螺栓紧固安全远程监控网络系统。
背景技术
螺栓连接具有易安装可拆卸、不破坏联结件结构特点，是紧固件中最广泛的连接方式，大量应用于工程领域各种结构设备。随着结构设备大型化用量十分巨大。其本身虽小，离普通机械零件，但在重要设备或工程中一旦螺栓出现松脱或者损坏将造成严重后果，甚至发生灾难性事故。目前国内外已发展了系列有关改进螺栓、垫片防松的新型结构并增加安装附件、严格螺栓安装工艺的众多措施，提高了螺栓紧固的安全性，但是螺栓安装后材料应力松弛以及工作环境的温度影响和动态疲劳作用仍不足以保证螺栓在不同现场的实际安全。
在线直接测量螺栓紧固应力是确保连接安全可靠的唯一首选，直至目前还没有一种设备或系统可以用无线网络方式对数量众多的螺栓进行使用现场有效紧固状态的监控。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种螺栓紧固安全远程监控网络系统，旨在解决现有螺栓在环境温度影响和动态疲劳作用下易发生松脱、进而引发安全事故的问题。
本发明提出了一种螺栓紧固安全远程监控网络系统，包括：感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端；其中，
所述感知层传感器系统设置在感知层终端节点的被监测螺栓上，用于监控所述螺栓的状态，并反馈监测结果；
所述网络传输服务系统与所述感知层传感器系统相连，用于接收所述感知层传感器系统反馈监测结果，并进行调度流量与数据交换，向所述大数据软件系统发送信息；
所述大数据软件系统与所述网络传输服务系统相连，用于处理所述网络传输服务系统发送的信息，并将处理后的信息反馈至所述用户终端；
所述用户终端与所述网络传输服务系统相连，用于实时监控所述大数据软件系统反馈的数据信息。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述感知层传感器系统包括：MCU芯片、传感器、电源以及无线模块；其中，
所述MCU芯片分别与所述传感器、所述电源以及所述无线模块相连接，用于接收、处理所述传感器检测到的信号，并将处理后的信号发送给所述无线模块；
所述传感器设置在感知层终端节点上的预检测螺栓上，用于检测所述预检测螺栓在工作过程中的各种状态变化、并将检测结果发送给所述MCU芯片；
所述无线模块用于接收所述MCU芯片发送的经过处理的信号，并将接收到的所述信号发送给所述网络传输服务系统。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述网络传输服务系统包括：网络层网关基站和应用层服务器；其中，
所述网络层网关基站设置在感知层终端的众多节点附近，用于接收所述感知层传感器系统发来的信号，并将所述信号发射给所述应用层服务器；
所述应用层服务器用于管理所述网络层网关基站网关配置、接收所述网络层网关基站发送的所述信号、进行流量调度与数据交换，并将结果发送给所述大数据处理软件系统。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述MCU芯片上分别设有信号采集单元、信号调节单元、零位跟踪单元、蠕变补偿单元、附加地址编码单元以及数字通信单元。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述传感器为应力检测传感器，其内阻结构可以为金属应变式、陶瓷厚膜式、溅射薄膜式或半导体式。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述无线模块通过开放频率无线网络LPWAN低功耗广域网与所述网络传输服务系统进行通信。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述网络层网关基站可按照分布式、链路式、宏基站式或移动式布设方法布设在所述众多节点附近，以组成物联网通讯平台。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述网络层网关基站通过LAN方式至少可同时接受100万个所述感知层终端节点传感器信号。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述网络层网关基站通过LAN或3G/4G方式向所述应用层服务器发送监测数据信号。
进一步地，上述螺栓紧固安全远程监控网络系统中，所述应用层服务器采用商业化的物联网部署；或，
所述应用层服务器直接与云服务器相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统，通过设置感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端，实现了远距离、低功耗、多节点的螺栓紧固力的适时测量、数据交换，达到了准确评估判断螺栓紧固安全状态的要求，防止了螺栓现场时预紧力不足或产生松脱故障导致产生严重事故的发生。
尤其是，本发明的螺栓紧固安全远程监控网络系统中，通过在感知层传感器系统中设置MCU芯片，以对传感器检测到信号进行A/D转换、零位跟踪、蠕度补修、附加地址编码，并通过数字通信接口转换进入无线模块，极大地提升了检测信号的强度，保证了信号的在传输过程中的稳定性，进而确保了检测结果的准确性与精确度。
进一步的，本发明的螺栓紧固安全远程监控网络系统中，通过在感知层传感器系统中设置无线模块，在进行发射测量数据，并有休眠控制信号，以保证在使用的过程中能够满足不同的需求，如定时、心跳信号等，有效地保证了检测结果的可靠性。
进一步的，本发明的螺栓紧固安全远程监控网络系统，通过设置网络层网关基站和应用层服务器，在工作的过程中网络层网关基站网关近距离接受中继发射至应用层服务器，经大数据处理软件获得用户最终监控数据，极大地提升了可同时检测的螺栓数量，实现了多个感知层螺栓应力状态的远程的安全远程监控，确保了检测结果的可靠性。
进一步的，本发明的螺栓紧固安全远程监控网络系统，在使用的过程中仅需通过替换螺栓垫圈使用薄型垫圈或替换可使用螺栓相同外型尺寸、内置敏感元件的螺栓应力传感应方式直接测量螺栓安装紧固应力，通过分析应力数据变化而获得适时工作现场紧固安全状态信息，极大地降低了施工难度，节省了施工成本。
进一步地，本发明提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统，结构简单、安装简便、操作简便。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统中感应层传感器系统的结构框图；
图3为本发明实施例提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统中网络传输服务系统的结构框图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
参阅图1-3所示，为本发明实施例提供的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其包括：感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端四个部分，在工作的过程中，感知层传感器系统用于监控螺栓的状态，并发射监测结果；网络传输服务系统用于接收感知层传感器系统发射的监测结果进行流量调度与数据交换，并向大数据软件系统发送信息；大数据软件系统用于处理网络传输服务系统发送的信息，并将处理后的信息反馈至所述用户终端；用户终端用于实时监控大数据软件系统反馈的数据信息。
具体而言，感知层传感器系统设置在感知层终端节点的被监测螺栓上，在使用的过程中主要用于监控螺栓的状态，并反馈监测结果。感知层传感器系统中主要包括：MCU芯片以及分别与MCU芯片连接的传感器、电源、无线模块。其中，
MCU芯片为一具有A/D转换功能的微功耗32bit单片机，其设上有信号调节、采集单元、软件零位跟踪、蠕变补偿、附加地址编码以及数字通信单元，在使用的过程中，与电源、无线模块设置在被监控螺栓附近的对其接受到检测信号进行调节，零位跟踪、蠕变补偿、量值转换、附加地址码及SPI，I2C数字输出以及休眠控制等功能，在最大程度上实现对检测信号的强化和校正，确保检测结果的准确性。
传感器为高内阻螺栓应力传感器，其内阻结构可以为是金属应变式、陶瓷厚膜式、溅射薄膜式或半导体式等任意结构。在工作的过程中设置在所需检测的螺栓上或其附近，用于检测所需检测螺栓在使用过程中的状态变化及受力情况，并将检测结果发送给MCU芯片进行处理，以保证对被检测螺栓的状态及受力情况进行实时监控。
无线模块为一微功耗32bit单片机，具有双向通信功能，工作的过程中无线模块设置在传感器附近，通过开放频率无线网络LPWAN低功耗广域网与网络传输服务系统进行通信。无线模块具体工作于433/470/490/868/915MHZ等开放频段，同时支持FSK、GFSK、GMSR、Lora Tmandook多种调制，完整实现LoraWAN1.0 协议栈，输出功率+20dbm接收灵敏度-147dbm，距离＞1km，有效地提升了信号接收的灵敏性，确保了通信过程中信号的精确性与完整性。同时，无线模块在工作的过程中，还能够自适应链路速率，以LAN*1，同时接收N≤100万个感知层终端节点的传感器信号。
电源在工作的过程中为感知层传感器系统中的各部件供电，以保证感知层传感系统的正常运行。电源可以选择干电池、锂电池以及蓄电池等，当然也可以选择外接电源，只要能够保证感知层传感器系统正常运行即可。
具体而言，网络传输服务系统与感知层传感器系统相连，在使用的过程中主要用于接收感知层传感器系统反馈监测结果，并进行调度流量与数据交换，向大数据软件系统发送信息。络传输服务系统中主要包括：网络层网关基站和应用层服务器。其中，
网络层网关基站设置在感知层终端的众多节点附近，在使用的过程中用于接收所述感知层传感器系统发来的信号，并发射同一位置多个地址监测信号，自适应链路调整，并向应用层终端发射监测信号数据，也可直接发送到云服务器。网络层网关基站的设置方式可以按照用户需要进行选择，也可直接被监测紧固安全螺栓，其网关可分别采用分布式（适用城市、楼宇高密）集区，链路状（适合于轨道交通、天然气管道等），宏基站式（适于油田、码头等）以及移动式（适于道路、无人机飞拉等）等不同方式进行布置。同时，网络层网关基站可同时接收同一信道流量，具有8个通道，并且自动适应链路速率，其接收频率支持433/470/440/780/868/915MHZ，灵敏度可达到为-157dbm，距离>1.5km，尤其是，其同时可达100万个终端接点，回传方式为LAN*1或3G/4G ，使网络容量得到了极大地扩展与增加。
应用层服务器用于管理所述网络层网关基站网关配置、接收所述网络层网关基站发送的所述信号、进行流量调度与数据交换，并将结果发送给所述大数据处理软件系统。在使用的过程中，应用层器可以是运行Linux系统商业化的物联网部署管理的服务，也可经内网关直接连接到云服务，进行Lora WAN MAC,网关管理配置，基于数据源选择最佳下游路径、调井下行流量，并与应用服务器进行数据交换，其终端节点接入量可>100万。
具体而言，大数据软件系统与所述网络传输服务系统相连，在使用过程中将接收到的所述网络传输服务系统发送的信息处理成不同的数据形式、图表，并通过显示设备将处理后的信息反馈至所述用户终端。
具体而言，用户终端与所述网络传输服务系统相连，在使用的过程中，用户终端用于接收大数据系统处理后的数据信息，以便于用户实时监控所需检测螺栓的使用状态与受力情况。
下面结合用于轨道交通受电弓紧固螺栓实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例中，通过螺栓紧固安全远程监控网络系统对固定螺栓进行72.5KN紧固应力测量，该系统包括：感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端四个部分。其中，
感知层传感器系统中：传感器为内径d=16.4，外径D=35，厚度H=7mm，内阻40K，安装力矩216NM，量程为120KN，工作精度优于1%FS的垫片传感器；MCU芯片采用微功耗STM32L051C8T6；无线模块采用LORAWAN模块；电源采用3.7v3000mAh锂电池。在工作的过程中，封装在参考尺寸外形W*L*H=60*100*30mm，IP67防水盒中，可工作≥3年。
网络传输服务系统中：网络层网关采用LPWAN低功耗长距离LORA，网关基站，共8个通道，可同时解调2MHZ带宽与感知层终端节点距离1.5KM工作于与终端节点相同的433/470/440/780/868/915MHZ开放频段，同时节点数100万个，使用中采用沿线链路式部署，外形尺寸W*L*H=230*250*970mm；应用层网络采用商业化物联网部署服务器，运行LINUX系统，主要功能Lora WAN MAC，网关管理及配置，与应用服务器数据交换，基于数据源选择最佳下游路径可选择RTCM高精度定位，定位精度10-20m，最大网关接入量2000台，总的感知层终端节点即可远程网络监控螺栓紧固件可达100万个。
显然可以得出的是，本发明提供了一种可在线实时对大型结构、设置数量巨大的紧固螺栓进行工作应力远程无线网络监控的系统，防止了螺栓在使用过程中紧固应力下降或松脱失效的产生，进而确保了结构设备地安全运行。同时，该系统结构简单、安装方便、价格低廉、有效地降低了成本。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，包括：感知层传感器系统、网络传输服务系统、大数据软件系统以及用户终端；其中，
所述感知层传感器系统设置在感知层终端节点的被监测螺栓上，用于监控所述螺栓的状态，并反馈监测结果；
所述网络传输服务系统与所述感知层传感器系统相连，用于接收所述感知层传感器系统反馈监测结果，并进行调度流量与数据交换，向所述大数据软件系统发送信息；
所述大数据软件系统与所述网络传输服务系统相连，用于处理所述网络传输服务系统发送的信息，并将处理后的信息反馈至所述用户终端；
所述用户终端与所述网络传输服务系统相连，用于实时监控所述大数据软件系统反馈的数据信息；
所述网络传输服务系统包括：网络层网关基站和应用层服务器；其中，
所述网络层网关基站设置在感知层终端的众多节点附近，用于接收所述感知层传感器系统发来的信号，并将所述信号发射给所述应用层服务器；
所述应用层服务器用于管理所述网络层网关基站网关配置、接收所述网络层网关基站发送的所述信号、进行流量调度与数据交换，并将结果发送给所述大数据软件系统；
所述网络层网关基站按照分布式、链路式、宏基站式或移动式布设方法布设在所述众多节点附近，以组成物联网通讯平台；
应用层服务器是运行Linux系统商业化的物联网部署管理的服务，经内网关直接连接到云服务，进行Lora WAN MAC ,网关管理配置，基于数据源选择最佳下游路径、调井下行流量，并与应用服务器进行数据交换，其终端节点接入量>100万。
2.根据权利要求1所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述感知层传感器系统包括：MCU芯片、传感器、电源以及无线模块；其中，
所述MCU芯片分别与所述传感器、所述电源以及所述无线模块相连接，用于接收、处理所述传感器检测到的信号，并将处理后的信号发送给所述无线模块；
所述传感器设置在感知层终端节点上的预检测螺栓上，用于检测所述预检测螺栓在工作过程中的各种状态变化、并将检测结果发送给所述MCU芯片；
所述无线模块用于接收所述MCU芯片发送的经过处理的信号，并将接收到的所述信号发送给所述网络传输服务系统。
3.根据权利要求2所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述MCU芯片上分别设有信号采集单元、信号调节单元、零位跟踪单元、蠕变补偿单元、附加地址编码单元以及数字通信单元。
4.根据权利要求2所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述传感器为应力检测传感器，其内阻结构为金属应变式、陶瓷厚膜式、溅射薄膜式或半导体式。
5.根据权利要求2所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述无线模块通过开放频率无线网络LPWAN低功耗广域网与所述网络传输服务系统进行通信。
6.根据权利要求1所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述网络层网关基站通过LAN方式至少可同时接受10万个所述感知层终端节点传感器信号。
7.根据权利要求1所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述网络层网关基站通过LAN或3G/4G方式向所述应用层服务器发送监测数据信号。
8.根据权利要求1所述的螺栓紧固安全远程监控网络系统，其特征在于，所述应用层服务器采用商业化的物联网部署；或，
所述应用层服务器直接与云服务器相连接。
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