CN109309559B - 基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统 - Google Patents

基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，属于结构健康监测技术领域。解决了传统现有数据采集系统布线成本高、效率低、数据不同步以及无法将无线传输方式与GPS同步可靠结合的问题。主要包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端。本发明在WiFi无线传输与GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，同步精度可达到微妙级甚至是纳秒级，功耗低，采集频率通用性强，传感器器节点电路完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高；在结构健康监测技术领域具有重要意义。

Description

基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体地说，尤其涉及一种真正意义上的数据同步、低布置成本，节点电路设计模块化、简单化、高稳定性能的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统。
背景技术
目前大型建筑物的结构健康监测的数据采集部分，分布式信号采集多采用有线的传感器节点以及采用系统时钟保持数据采集的同步性，而且只能在现场采集并传输到上位机，储存方式多采用本地数据库。以上数据采集方法存在的不足之处是：有线的传感器节点限制了数据采集的范围，人力耗费严重且效率低下；而采用系统时钟进行同步数据的采集不能保证所有传感器节点在同一时刻准确地采集数据，从而降低数据的有效性；现场采集数据增加了数据采集的时间成本，不能长期对恶劣环境下的建筑物的结构健康监测；储存方式限制了数据的实时性。
随着GPS技术的进步，GPS的授时功能的出现使得大范围分布式同步数据的精确获取成为一种可能，但是目前应用到GPS的授时功能的同时又受到了有线的约束，使得测量距离因为数据线的存在而仅仅局限在小范围的分布式数据采集上，但是又随着WiFi、ZigBee、Bluetooth等无线技术的飞速发展，数据的传输方面的方式方法也随之迈出了一大步，可以通过无线的传输方式将数据从采集端传输到数据的储存以及分析端口。申请公布号CN105487448A、申请公布日2016.04.13、发明创造名称为一种基于GPS同步授时的传感器数据采集装置的中国专利，该申请案虽然提及GPS同步授时、无线数据传输等，但其具体技术方案不明确，本领域技术人员根本无法实现该技术方案。
那么，如何将无线传输方式与GPS的同步技术有效地、可靠地结合在一起，或者说如何将无线传输方式与GPS的同步技术在数据采集监测方面得到稳定可靠地应用，是无线传感器网络技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种真正意义上的数据同步、低布置成本，节点电路设计模块化、简单化、高稳定性能的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端；
所述传感器节点包括GPS模块、WiFi模块、电源管理模块以及数据采集模块；所述电源管理模块为所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块提供工作电源；所述GPS模块与卫星电信号连接，以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块，多个传感器节点的数据采集模块在1PPS脉冲的上升沿或下降沿同时进行数据采集；采集后所述数据采集模块将同步数据以串口通信的方式发送给WiFi模块；所述WiFi模块通过IP地址匹配连接网关传感器节点，将接收到的信息发送至网关传感器节点，所述网关传感器节点将汇总的数据发送至终端。
优选地，所述无线传输网络的拓扑结构为星型网络拓扑结构，多个同步采集数据的传感器节点中的其中一个为网关传感器节点，其余为普通传感器节点；所述普通传感器节点的WiFi模块为station模式，所述网关传感器节点的WiFi模块为AP+station模式。
优选地，所述终端为本地服务或远程服务器；所述终端为远程服务器时，所述网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；所述终端为本地服务器时，所述网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
优选地，所述数据采集模块包括总控制器MCU单元、A/D转换器单元以及振动加速度传感器单元，所述振动加速度传感器单元在所述GPS模块发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元，所述总控制器MCU以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块。
优选地，所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。
优选地，所述总控制器MCU单元采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356；
所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压；
所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。
优选地，所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。
优选地，所述WiFi模块的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动SimpleConfig或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。
优选地，所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。
优选地，所述电源管理模块包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元，由所述总控制器MCU单元控制所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块进入待机工作状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明可以克服有线传感器数据采集系统人工工作量大，工作效率低，采集数据不同步以及无法实时监测振动参数等缺陷，在WiFi无线传输与GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度实现自动化数据同步采集，提高数据有效性；
2.本发明满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能；
3.本发明将USR-C216WiFi无线模块与UM220-IIILGPS模块的同步技术有效地、可靠地结合在一起，同步精度可达到微妙级甚至是纳秒级，同步精度非常高，另外同时大大缩减了设备的尺寸，便于携带，节省了大量的人力物力，提高了数据采集的效率，减少了成本，对于组建大型的无线传感器网络以及数据测试系统提供了可靠的底层基础；
4.本发明整个传感器节点电路设计功耗很低，一次充电在无外接电源的情况下可连续工作4个小时以上；
5.本发明通用性强，采样频率可在10Hz-20kHz范围内自由调节，通过改变总控制器MCULPC54113J256BD64与A/D转换器LTC2344-16之间的通信波特率来实现的频率调节；
6.本发明的传感器节点电路完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率很低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高；在结构健康监测技术领域具有重要意义。
附图说明
图1是本发明基于GPS授时的分布式信号同步采集示意图；
图2是本发明传感器节点作为普通传感器节点时各模块功能示意图；
图3是本发明传感器节点作为网关传感器节点时各模块功能示意图；
图4是本发明数据无线传输示意图；
图5是本发明传感器节点系统框图；
图6是本发明数据采集模块的总控制器MCU单元的电路原理图；
图7是本发明数据采集模块的A/D转换器单元电路原理图；
图8是本发明数据采集模块的振动加速度传感器单元电路原理图；
图9是本发明缓存放大器单元电路原理图；
图10是本发明GPS模块电路原理图；
图11是本发明WiFi模块电路原理图；
图12是本发明电源管理模块充电电池及电池充电单元电路原理图；
图13是本发明电源管理模块电池电量检测单元电路原理图；
图14是本发明电压转换单元电路原理图。
图中：1.传感器节点；2.GPS模块；3.WiFi模块；4.电源管理模块；5.数据采集模块；6.卫星；7.总控制器MCU单元；8.A/D转换器单元；9.振动加速度传感器单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
一种基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端；
所述传感器节点1包括GPS模块2、WiFi模块3、电源管理模块4以及数据采集模块5；所述电源管理模块5为所述GPS模块2、所述WiFi模块3、所述数据采集模块5提供工作电源；所述GPS模块2与卫星6电信号连接，以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块5，多个传感器节点1的数据采集模块5在1PPS脉冲的上升沿或下降沿同时进行数据采集；采集后所述数据采集模块5将同步数据以串口通信的方式发送给WiFi模块3；所述WiFi模块3通过IP地址匹配连接网关传感器节点，将接收到的信息发送至网关传感器节点，所述网关传感器节点将汇总的数据发送至终端。
优选地，所述无线传输网络的拓扑结构为星型网络拓扑结构，多个同步采集数据的传感器节点中的其中一个为网关传感器节点，其余为普通传感器节点；所述普通传感器节点的WiFi模块为station模式，所述网关传感器节点的WiFi模块为AP+station模式。
优选地，所述终端为本地服务或远程服务器；所述终端为远程服务器时，所述网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；所述终端为本地服务器时，所述网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
优选地，所述数据采集模块5包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元8以及振动加速度传感器单元9，所述振动加速度传感器单元8在所述GPS模块2发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元8将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元8采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元7，所述总控制器MCU7以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块3。
优选地，所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。
优选地，所述总控制器MCU单元7采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元8所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元9所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356；
所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压；
所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。
优选地，所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。
优选地，所述WiFi模块3的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块5采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动SimpleConfig或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。
优选地，所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。
优选地，所述电源管理模块4包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元7，由所述总控制器MCU单元7控制所述GPS模块2、所述WiFi模块3、所述数据采集模块5进入待机工作状态。
以星型网络拓扑结构为例对本发明工作过程做详细介绍。
实施例1：
本实施例包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端。
如说明书附图图1至图4所示，传感器节点1包括GPS模块2、WiFi模块3、电源管理模块4以及数据采集模块5；电源管理模块5为GPS模块2、WiFi模块3、数据采集模块5提供工作电源；GPS模块2与卫星6电信号连接，以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至数据采集模块5，多个传感器节点1的数据采集模块5在1PPS脉冲的上升沿或下降沿同时进行数据采集；采集后数据采集模块5将同步数据以串口通信的方式发送给WiFi模块3；如说明书附图图4所示，本实施例网络拓扑结构为星型网络拓扑结构，即多个同步采集数据的传感器节点中的其中一个为网关传感器节点，其余为普通传感器节点；本实施例WiFi模块3采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块，将普通传感器节点的WiFi模块为station模式，将网关传感器节点的WiFi模块为AP+station模式，各普通传感器节点的WiFi模块通过IP地址匹配与网关传感器节点连接，每个普通传感器节点将同步接收到的信息发送至网关传感器节点，由网关节点将每个传感器节点包括网关节点自己采集的同步数据进行汇总，而后网关传感器节点将汇总的数据发送至终端。
本实施例终端为本地服务或远程服务器；终端为远程服务器时，网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；终端为本地服务器时，网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
本实施例数据采集模块5包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元8以及振动加速度传感器单元9，振动加速度传感器单元9在GPS模块2发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，A/D转换器单元8将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，A/D转换器单元8采用SPI通信方式将数据发送给总控制器MCU单元7，总控制器MCU7以UART串口通信方式将采集的数据发送给WiFi模块3。
本实施例具体采集方法包括如下步骤：
a.将多个传感器节点1根据实际场景分布于场景的不同地方，为每个传感器节点配置WiFi模块3、电源管理模块4、数据采集模块5以及与卫星6电信号连接的GPS模块2，多个该传感器节点1通过星型网络拓扑结构构成无线传感器网络；
b.将多个传感器节点1的其中一个传感器节点作为网关节点，将其WiFi模式设置为AP+station模式；其他传感器节点为普通传感器节点，将其WiFi模块设置为station模式；
c.将每个传感器节点1的I2C通信总线进行初始化；
d.传感器节点1的数据采集模块5的总控制器MCU单元7开始获取充电源管理模块4的电量信息，电池的状态信息通过I2C通信方式发送给总控制器MCU单元7，总控制器MCU单元7检测电源管理模块4的充电电池电量是否充足；如果检测判断为“是”则进行步骤d步骤，如果检测判断为“否”则结束数据采集；
e.总控制器MCU单元7开启GPS模块2、WiFi模块3、数据采集模块5的A/D转换器单元8、数据采集模块的振动加速度传感器单元9各模块开关，等待采集信号；
f.将每个传感器节点1的UART通信总线进行初始化；
g.将GPS模块2进行初始化；
h.延时等待GPS模块2稳定；
i.不断检测GPS模块2是否产生1PPS脉冲信号，检测到1PPS脉冲信号后进行步骤i；
j.GPS模块6采用UART通信方式将1PPS脉冲信号及UTC时间信息发送给总控制器MCU单元7；
k.总控制器MCU单元7接收来自GPS模块的1PPS脉冲信号、UTC时间信息，提取UTC时间并检测1PPS脉冲信号的上升沿/下降沿；
l.检测到上升沿/下降沿时，每个总控制器MCU单元7触发中断，同时命令各自传感器节点1的振动加速度传感器单元9同一时刻采集数据，即振动加速度传感器单元9在GPS模块2发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；
m.每个传感器节点1的振动加速度传感器单元9将采集的信号经A/D转换器单元8信号转换后发送至总控制器MCU单元7，总控制器MCU单元7获取到同步数据及UTC时间信息；
n.每个传感器节点1的总控制器MCU单元7将获取到的数据进行处理后发送至各自的WiFi模块；
o.WiFi模块为station模式的传感器节点经WiFi无线传输将数据发送至WiFi模块为AP+station模式的网关传感器节点；
p.网关传感器节点将其他传感器节点采集数据及其自身采集数据汇总后经网关传感器节点的WiFi模块发送至终端。
简单地说，GPS模块2通过其授时功能接受来自卫星的信息，该信息包含着时分秒的UTC时间信息，除了含有时间的信息外，GPS模块2还产生一段脉冲，此脉冲即1PPS，该脉冲的上升沿/下降沿对齐到时间信息的1秒的开始，GPS模块2将该脉冲发送给总控制器MCU单元7，总控制器MCU单元7检测到脉冲的上升沿/下降沿时触发中断进行数据的获取,这样便保证了多个设备在同一时刻进行数据获取，其数据的同步精度可达到微妙即甚至是纳秒级，除了脉冲保证数据的获取在同一时刻；还有时间信息通过UART通信方式发送到控制器，便于用户识别是什么时刻获取的数据，同时，也给予数据的同步性验证一个行之可用的途径。数据采集的传输部分的方法是通过WiFi无线的传输方式将数据从每一个设备传输到指定的地方分析使用或者储存起来；其中总控制器MCU单元7通过UART的通信方式将处理过的数据传输到WiFi模块，WiFi模块以802.11b/g/n的标准协议与网关传感器节点进行IP配对，配对成功之后，与配对设备保持连接状态准备传输数据，一旦接收到总控制器MCU单元7传来的数据以及传输指令，设备便通过无线WiFi的传输方式将底层获取的数据传输到网关传感器节点。网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；终端为本地服务器时，网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
本实施例可以克服有线传感器数据采集系统人工工作量大，工作效率低，采集数据不同步以及无法实时监测振动参数等缺陷，在WiFi无线传输与GPS授时下实现了真正意义上的时间同步，使采集到的数据更加准确，增加了数据分析结果的可信度实现自动化数据同步采集，提高数据有效性；本实施例满足了当今分布式数据采集对监测范围的要求，在无线的情况下大大增加了数据采集的范围；减少了设备重量使得采集数据更加方便以及缩简节点布置繁杂的步骤，使得在监测大型建筑物以及长时间在恶劣环境下工作成为了可能。
实施例2：
本实施例包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端。
如说明书附图图1至图4所示，传感器节点1包括GPS模块2、WiFi模块3、电源管理模块4以及数据采集模块5；电源管理模块5为GPS模块2、WiFi模块3、数据采集模块5提供工作电源；GPS模块2与卫星6电信号连接，以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至数据采集模块5，多个传感器节点1的数据采集模块5在1PPS脉冲的上升沿或下降沿同时进行数据采集；采集后数据采集模块5将同步数据以串口通信的方式发送给WiFi模块3；如说明书附图图4所示，本实施例网络拓扑结构为星型网络拓扑结构，即多个同步采集数据的传感器节点中的其中一个为网关传感器节点，其余为普通传感器节点；本实施例WiFi模块3采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块，将普通传感器节点的WiFi模块为station模式，将网关传感器节点的WiFi模块为AP+station模式，各普通传感器节点的WiFi模块通过IP地址匹配与网关传感器节点连接，每个普通传感器节点将同步接收到的信息发送至网关传感器节点，由网关节点将每个传感器节点包括网关节点自己采集的同步数据进行汇总，而后网关传感器节点将汇总的数据发送至终端。
本实施例终端为本地服务或远程服务器；终端为远程服务器时，网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；终端为本地服务器时，网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
本实施例数据采集模块5包括总控制器MCU单元7、A/D转换器单元8以及振动加速度传感器单元9，振动加速度传感器单元8在GPS模块2发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，A/D转换器单元8将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，A/D转换器单元8采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元7，总控制器MCU7以UART串口通信方式将采集的数据发送给WiFi模块3。
本实施例总控制器MCU单元7采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；A/D转换器单元8所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。缓存放大器单元主要作用是提供低输出阻抗，可在采集阶段快速建立模拟信号。当进入采集时，它还在模拟输入处提供信号源和电荷流之间的隔离。
ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压；
A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至总控制器MCULPC54113J256BD64，总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制。如说明书附图图7所示，其CNV管脚、SDI管脚、SCK1管脚、SDI0管脚、BUSY管脚、CS管脚均匀LPC54113J256BD64芯片上相同的网络标号导电连接；其CNV管脚为A/D转换开始输入,CNV不由CS控制，允许独立于串行I/O总线的状态启动转换；其SDI管脚接收LPC54113J256BD64发送给LTC2344-16的指令，LPC54113J256BD64先发送电平输入范围指令给LTC2344-16，然后LTC2344-16控制输入接口的电平为相应的电平范围；其SCK1管脚为CMOS串行时钟输入端；其SDI0管脚为整个A/D芯片的输出端，即模拟信号转换为数字信号的输出端；其BUSY管脚是便于MCU判断A/D芯片是否繁忙的管脚，繁忙信号表示正在进行转换；CS管脚是芯片选择输入端，串行数据I/O总线在CS低时启用，在CS高时禁用，在Hi-Z时启用，CS也会打开外部时钟SCKI。
GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。该模块中的三个发光二极管为测试指示灯。
当传感器节点为普通节点时，将USR-C216无线模块设置为station模式，即此时传感器节点仅将系统采集的数据发送出去。当传感器节点为网关节点时，将USR-C216无线模块设置为AP模式+station模式，此时传感器节点能将从外面接收到的数据发送给MCU，又能将内部采集模块采集的数据发送出去；简单地说，此时传感器节点即有接收功能又有发送功能。WiFi模块3的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块5采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动Simple Config或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。该模块中的五个发光二极管为测试指示灯。
所述电源管理模块4包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元7，由所述总控制器MCU单元7控制所述GPS模块2、所述WiFi模块3、所述数据采集模块5进入待机工作状态。电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在充电电池电量过低时，发送电信号至总控制器MCU单元7，由总控制器MCU单元7控制GPS模块2、WiFi模块3、数据采集模块5进入待机工作状态。如说明书附图图12至图14所示，充电芯片BQ24092的外围电路、电量检测芯片BQ27411外围电路均为芯片厂家推荐电路，BQ27411的SDA管脚、SCL管脚均与总控制器MCULPC54113J256BD64上相同网络标号导电连接，分别向总控制器MCULPC54113J256BD64传输充电电池的正常电量电信号和欠压电信号。该模块中，two-color-dio发光二极管为充电状态指示灯，发光二极管D4为充电电池正常工作指示灯，发光二极管D3为充电电池欠压指示灯，剩余两个led等为电路测试指示灯。USB直充时供电电压为3.7V,充电电池的供电电压为4.2V；TPS61222芯片为升压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为5V直流电压；TPS62080芯片为降压芯片，将USB直接供电电压或者充电电池供电电压转换为3V直流电压。
本实施例与实施例1采集方法一样，在具备实施例1优点的基础上，还将USR-C216WiFi无线模块与UM220-IIILGPS模块的同步技术有效地、可靠地结合在一起，同步精度可达到微妙级甚至是纳秒级，同步精度非常高，另外同时大大缩减了设备的尺寸，便于携带，节省了大量的人力物力，提高了数据采集的效率，减少了成本，对于组建大型的无线传感器网络以及数据测试系统提供了可靠的底层基础；本实施例整个传感器节点电路设计功耗很低，一次充电在无外接电源的情况下可连续工作4个小时以上；本实施例通用性强，采样频率可在10Hz-20kHz范围内自由调节，通过改变总控制器MCULPC54113J256BD64与A/D转换器LTC2344-16之间的通信波特率来实现的频率调节；本实施例的传感器器节点电路完全模块化设计，电路性能非常稳定可靠，故障率很低，使用寿命长，而且简化地电路设计大幅度缩短产品生产周期，企业生产效率非常高；在结构健康监测技术领域具有重要意义。
实施例3：
本实施例在实施例2的基础上，将USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽设计为20mil，其是按照阻抗匹配进行设计。本实施例通过阻抗匹配设计来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：包括多个在同一时间同步采集数据的传感器节点，该传感器节点通过WiFi以无线传输网络方式将同步数据传输至终端；
所述传感器节点包括GPS模块、WiFi模块、电源管理模块以及数据采集模块；所述电源管理模块为所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块提供工作电源；所述GPS模块与卫星电信号连接，以UART通信方式将UTC时间信息、1PPS脉冲信号发送至所述数据采集模块，多个传感器节点的数据采集模块在1PPS脉冲的上升沿或下降沿同时进行数据采集；采集后所述数据采集模块将同步数据以串口通信的方式发送给WiFi模块；所述WiFi模块通过IP地址匹配连接网关传感器节点，将接收到的信息发送至网关传感器节点，所述网关传感器节点将汇总的数据发送至终端，所述数据采集模块包括总控制器MCU单元、A/D转换器单元以及振动加速度传感器单元，所述振动加速度传感器单元在所述GPS模块发送的1PPS脉冲的上升沿/下降沿实现x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集，所述A/D转换器单元将振动加速度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，所述A/D转换器单元采用SPI通信方式将数据发送给所述总控制器MCU单元，所述总控制器MCU以UART串口通信方式将采集的数据发送给所述WiFi模块，所述总控制器MCU单元采用的MCU型号为NXP公司的LPC54113J256BD64；所述A/D转换器单元所采用的A/D转换芯片为TI公司的LTC2344-16；所述振动加速度传感器单元所采用的传感器型号为TI公司的ADXL356；所述ADXL356的RANGE、ST1、ST2管脚分别与所述LPC54113J256BD64的PIO1_2、PIO1_1、PIO1_0管脚导电相连，用于控制ADXL356在GPS模块1PPS脉冲的上升沿/下降沿开始进行x、y、z方向上的振动加速度信号和环境温度信号的采集；所述ADXL356的STBY管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_3管脚电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对振动加速度传感器ADXL356的待机/测量工作模式进行选择；所述ADXL356的TEMP管脚、XOUT、YOUT、ZOUT管脚分别与四个LT6236运放芯片的输入管脚导电连接，分别将环境温度信号、X轴方向上的振动加速度信号、Y轴方向上的振动加速度信号、Z轴方向上的振动加速度信号缓存放大后输出至A/D转换器单元；所述振动加速度传感器ADXL356的VIPBANA管脚与所述A/D转换器单元的LTC2344-16的REFIN管脚导电连接，主要用于给LTC2344-16芯片提供输入信号的参考电压；所述A/D转换器LTC2344-16将转换后的数字信号传输至所述总控制器MCULPC54113J256BD64，所述总控制器MCULPC54113J256BD64通过LTC2344-16的PD管脚对所述LTC2344-16的待机/正常工作模式进行控制；所述GPS模块采用的是和星芯通的UM220-IIIL型号模块，其RF_IN管脚为天线信号输入端；其AADET_N管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_2管脚导电连接，用于对有源天线、无源天线类型的选择；其GPIO2管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_3管脚导电连接，用于判断天线对地是否正常；其TIME PULSE管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_4管脚导电连接，用于将1PPS脉冲信号发送至所述总控制器MCULPC54113J256BD64；其RXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_6管脚导电连接，用于接收来自总控制器MCULPC54113J256BD64的指令；其TXD1管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_5管脚导电连接，GPS模块接收指令后，向总控制器MCULPC54113J256BD64发送总控制器MCULPC54113J256BD64指定数据格式的UTC时间信息。
2.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述无线传输网络的拓扑结构为星型网络拓扑结构，多个同步采集数据的传感器节点中的其中一个为网关传感器节点，其余为普通传感器节点；所述普通传感器节点的WiFi模块为station模式，所述网关传感器节点的WiFi模块为AP+station模式。
3.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述终端为本地服务或远程服务器；所述终端为远程服务器时，所述网关传感器节点通过以太网将汇总的数据传输至云数据库，远程上位机和/或手机APP通过以太网将云数据库中的数据下载到本地；所述终端为本地服务器时，所述网关传感器节点通过WiFi直接传输到本地服务器。
4.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述振动加速度传感器单元采集到的数据经缓存放大器单元缓存放大后发送至所述A/D转换器单元，所述缓存放大器单元包括LT6236运放芯片，LT6236运放芯片输出端串联在A/D转换器单元的输入端。
5.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述WiFi模块的采用的是济南有人公司的USR-C216无线模块；其RFIO管脚为天线信号输入端；其USRT0_TX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_0管脚导电连接，用于将从外面接收到的数据发送给总控制器MCULPC54113J256BD64；其USRT0_RX管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO0_1管脚导电连接，用于将所述数据采集模块采集的数据发送出去；其nReload管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_8管脚导电连接，由总控制器MCULPC54113J256BD64对WiFi网络进行配置，拉低0.5-3s启动Simple Config或者Airkiss配网，拉低3s以上恢复出厂设置；其nLink管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_7管脚导电连接，该管脚为WiFi模块连接指示引脚；其nReady管脚与总控制器MCULPC54113J256BD64的PIO1_9管脚导电连接，该管脚表示WiFi模块工作正常指示引脚。
6.根据权利要求5所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述USR-C216无线模块的RFIO管脚与天线RF之间的连接导线线宽按照阻抗匹配进行设计。
7.根据权利要求1所述的基于WiFi无线与GPS授时的分布式信号同步采集系统，其特征在于：所述电源管理模块包括充电电池、电池充电单元、电池电量检测单元以及电压转换单元，所述电池充电单元以BQ24092为核心芯片，其采用USB接口方式为所述充电电池充电；所述电池电量检测单元用于检测所述充电电池的电量，其以BQ27411为核心芯片，在所述充电电池电量过低时，发送电信号至所述总控制器MCU单元，由所述总控制器MCU单元控制所述GPS模块、所述WiFi模块、所述数据采集模块进入待机工作状态。
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