CN109751950A - 一种便携式无线静态应变测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式无线静态应变测量系统，其包含：一个手持无线接收器和多个无线静态应变传感器；传感器用于采集测点处的应变信息，并将处理后的信息无线传输给手持无线接收器；接收器负责组建无线传感器网络，并收集、显示和存储应变数据。其优点是：采用较新的芯片技术，低功耗策略和便携化设计，实现了应变检测的高分辨率、大量程、便携和长电池使用寿命的特点，并且传感器布置灵活、数量可调、与应变测点间只需短导线连接，而接收器不依赖外部计算机就可实现信息的显示和存储；提高了测量效率，降低了劳动强度，适合应用于港口机械金属结构的健康监测等分布式应变检测场合。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种便携式无线静态应变测量系统。
背景技术
港口机械金属结构的疲劳断裂事故是港口机械结构失效的主要原因，而且这类事故通常会造成重大的财产损失，甚至带来人员的伤亡。对关键金属结构进行定期的应力测试是港口机械金属结构健康评估的常用方法，并且其中的很多测试，如拉杆应力测试、大梁应力测试等，是由静态应变仪完成的。
在应力的作用下，金属结构会产生微观形变，称为应变。依靠粘结剂的紧固连接，位于金属表面的电阻应变片也会产生相同的应变，并产生电阻应变效应，将被测对象的应变转换为应变片电阻值的变化，并且在静态应变的范畴内应变片电阻的变化频率通常不高于1Hz。静态应变仪通过将应变片电阻的变化转变为电压的变化，并且经过信号放大、滤波、调零、模数转换、存储和显示等功能，实现被测金属结构的健康评估。目前，检测行业多采用传统有线式应变测试系统，即使用金属导线将分散的多个测点上的电阻应变片与应变仪连接起来。这种测量方式在港口机械金属结构的应力测量中存在制约测试效率和精度的问题，例如测试过程中的布线和拆除工作繁重且危险，测试人员需要接受专业的训练，并在严密的安全保护措施下使用导线将分散测点上的应变片连接到应变仪；此外，长距离的信号导线，造成信号衰减的同时，还容易引入干扰(焊机、电机等大功率设备作业时产生的电磁干扰在测试工况中是很常见的)，使得测量信号的信噪比恶化，容易影响测试精度；最后，传统的有线式应变测试系统比较笨重(包含应变仪、信号线和电源线)，在港口机械的制造、故障维修以及临检等工况下，需要人力的搬运，耗费大量人力和物力的同时，也降低了测试效率，无形中提高了企业的运营成本。因此，以电池供电，以无线传输替代传统长距离信号导线的便携式、小型化和无线化的应变测量系统就成为了解决上述工程测量难题的必要手段。
下表给出了国内外主要应变仪厂商及其无线应变设备参数：
对比上表中的内容可以得出，国内应变仪生产商的无线应变设备均需要连接计算机进行数据的显示与存储，设备的便携性与小型化并不能完全满足港口机械金属结构健康监测的需求。国外部分应变仪生产商的无线应变设备，已经将应变仪小型化为无线应变传感器，并在小型化的路由器的转接下，通过手机等便携式终端实现数据的显示、储存与分析。此外，随着无线传感器网络、物联网和芯片等技术的发展，应变仪的小型化、无线化将是必然趋势。这在我国已经公开授权的一些发明和实用新型等专利上也有体现：现有实用新型专利“用于土木结构检测的无线应变传感器”涉及一种用于土木结构检测的小型无线应变传感器，给出了应变传感器小型化和无线化的思路，但是缺乏便携式应变数据采集、存储与显示设备，并且使用的主要芯片已经是十多年前的技术；现有发明专利“用于工程结构健康监测的智能无线传感网络节点”涉及一种用于应变传感器的小型化和无线化方法与设计，同样缺乏便携式应变数据采集、存储与显示设备，并且使用的主要芯片也是十多年前的技术；现有发明专利“一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统”涉及包含应变、扰度等物理量的无线采集模块，无线路由模块和计算机等构成的数据测量系统，仍需要计算机进行数据的显示、存储与分析，便携性略差，而且主要芯片使用的是10年前的技术，在低功耗性能上略显落后；现有实用新型专利“金属结构智能动态应变遥测装置”涉及一种起重机金属结构应变检测的系统，包括小型无线应变采集节点，GPRS路由器和计算机系统等，同样需要计算机进行数据的显示、存储与分析，便携性略差，而且使用的是5年前的芯片技术；现有发明专利“用于应变电阻式压力传感器的驱动、信号调理和采集装置”涉及一种用于应变电阻式压力传感器的驱动、信号调理和采集装置，其中采用的恒压源电桥供电模式结构简单，但容易引入测量误差，所采用的差分输入差分输出级联模式在信号调理精度上较专用的仪表放大器略差，而且该发明内容仅涉及应变测量模块的小型化和无线化，没有给出无线应变测量的显示、存储和分析等整体系统；现有发明专利“一种基于调频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置”涉及一种利用无线调频扩频通信的桥路可调式无线应变传感装置及其调频扩频通信方法，创新之处在于给出了应变传感器无线化和多功能化的思路，缺乏便携式应变数据采集、存储与显示设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式无线静态应变测量系统，其通过手持无线接收器和多个无线静态应变传感器组成基无线传感器网络，其中，手持无线接收器同时作为网络的协调器，无线静态应变传感器负责现场测点处应变信号的采集、放大、滤波、调零和无线发送，同时无线静态应变传感器作为中继节点转发其他无线静态应变传感器采集的应变数据，使得多个无线静态应变传感器作为节点组成网状网络。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种便携式无线静态应变测量系统，其特征是，包含：
1个手持无线接收器和多个无线静态应变传感器，共同组成基于ZigBee技术的无线传感器网络；
其中，手持无线接收器，作为协调器用于发起、组件和维护基于ZigBee的无线传感器网络，并通过无线传感器网络接收、存储无线静态应变传感器上传的应变数据并进行显示；
无线静态应变传感器用于采集对应待测点处的应变信息，并将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据发送给手持无线接收器；也可以作为中继节点转发其他无线静态应变传感器的应变数据。所述的手持无线接收器包含：
第一壳体，包含上盖板和下盖板，通过螺钉连接在一起；
第一电池模块；
第一天线，作为无线射频能量发射与接收的媒介；
第一ZigBee模块，连接第一天线以及控制电路板，作为协调器负责无线传感器网络的发起、组建和维护，以及用于接收无线静态应变传感器上传的应变数据；
控制电路板，通过螺钉安装在第一壳体内部，连接第一电池模块和第一ZigBee模块，包含控制器模块，显示模块，存储模块，按键模块，串口通信模块和电源模块；
所述控制器模块，连接第一ZigBee模块，与第一ZigBee模块建立通讯以接收第一ZigBee模块发送过来的应变数据；
所述显示模块，连接控制器模块，用于对第一ZigBee模块接收到的应变数据进行显示；
所述存储模块，连接控制器模块，用于存储第一ZigBee模块接收到的应变数据并组成应变信息文件；
所述按键模块，连接控制器模块，用于调整显示模块的显示内容；
所述串口通信模块，连接控制器模块以及外部计算机，用于手持无线接收器与外部计算机的数据传输；
所述电源模块，用于电压保护、电源反向保护、电压指示以及供电，其分别连接第一电池模块、第一ZigBee模块、控制器模块、显示模块、存储模块、按键模块以及串口通信模块；
其中，所述的控制器模块运行的程序包含：
通讯单元，连接第一ZigBee模块，用于控制器模块接收第一ZigBee模块发送过来的应变数据；
应变传感器队列单元，连接液晶显示单元以及通讯单元，通过链表技术保存当前网络中存在的传感器编号和第一ZigBee模块最新接收到的应变数据，使每一链表节点唯一对应一个传感器标号和该传感器的最新应变信息；
串口通讯单元，连接应变传感器队列单元以及串口通信模块，用于在手持无线接收器接收无线应变传感器的应变数据的同时将应变数据同步传输到外部计算机，也可在手持无线接收器空闲时将存储模块中的应变信息文件传输到外部计算机；
读写单元，分别连接通讯单元、串口通讯单元以及存储模块，用于在第一ZigBee模块接收应变数据时，控制器模块依次将应变数据存储到存储模块中；
功能按键监测单元，连接按键模块，用于采集按键模块输入的按键操作；
液晶显示单元，连接显示模块、功能按键监测单元以及应变传感器队列单元，用于根据按键模块的按键操作相应调整显示模块上的显示内容；
电池电压监测单元，连接电源模块，用于通过模数转换功能监测第一电池模块的电压，并控制电池模块进行电压指示。
所述的无线静态应变传感器包含：
第二壳体，包括连接筒，底座和端盖，通过螺钉连接在一起；
磁座，通过螺纹连接到第二壳体中的底座，用于将无线静态应变传感器吸附于相应测点附件的钢结构上；
第二电池模块；
第二天线，通过天线座的螺纹连接到第二壳体中的端盖，并通过导线连接到第二ZigBee模块；
外部电阻应变片，连接电源电路和信号调理电路，并与信号调理电路中的精密电阻构成直流电桥，用于测量测点处的应变信号，并将应变信号转换为应变电阻变化；
电源电路，连接第二电池模块和信号调理电路，用于输出稳定的工作电压和充足电流；
信号调理电路，连接外部电阻应变片以及电源电路，用于将外部电阻应变片的应变电阻变化转换为可供第二ZigBee模块处理的应变信息；
第二ZigBee模块，分别连接第二天线、电源电路以及信号调理电路，用于采集信号调理电路输出的应变信息，作为网络终端负责将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据无线发送出去，在特殊情况下承担其他无线静态应变传感器应变数据的路由转发；
其中，所述电源电路包含：
电源电压监测电路，连接第二电池模块以及第二ZigBee模块；
电源指示电路，用于对第二电池模块电压情况进行指示；
充电电压保护电路，连接第二电池模块，用于保护整个电源电路；
电源滤波电路，连接充电电压保护单元，用于降低电源噪声和储蓄能源，并在第二ZigBee模块开启时缓冲第二电池模块电压的波动；
正负电压稳压电路，连接电源滤波电路、信号调理电路、第二ZigBee模块以及外部电阻应变片，用于输出工作电压电流；
其中，所述信号调理电路包含：
恒流源供电电路，连接电源电路以及外部电阻应变片，由精密电压源和基于精密运算放大器的通向比例放大电路组成，使得外部电阻应变片的应变电阻变化转换为应变电压信号；
阻抗匹配电路，连接恒流源供电电路和仪表运算放大电路，基于精密双运算放大器，降低仪表运算放大电路的阻抗对应变电压信号的衰减；
仪表运算放大电路，连接阻抗匹配电路和四阶低通滤波电路，基于精密仪表运算放大器和精密电阻，将阻抗匹配电路输出的应变电压信号差分进行放大；
调零电路，连接仪表运算放大电路和四阶低通滤波电路，基于数模转换芯片、电压跟随电路和加法电路，对仪表运算放大电路输出的应变电压信号进行调整，实现后续模数转换电路量程的最大利用；
四阶低通滤波电路，连接调零电路和模数转换电路，基于精密双运放构成四阶低通滤波器，实现一低通截止频率，将调零电路输出的应变电压信号滤波；
模数转换电路，连接四阶低通滤波电路和第二ZigBee模块，在第二ZigBee模块的程序控制下，将四阶低通滤波电路输出的应变电压信号转换为可供第二ZigBee模块接收的数字应变信号；
其中，第二ZigBee模块上运行的程序包含：
电池电压监测单元，连接电源电路中的电源电压监测电路以及电源指示电路，运用第二ZigBee模块的模数转换功能检测第二电池模块的电压情况，并控制电源指示电路进行相应的指示。
低功耗控制单元，分别连接信号调理电路以及电源电路中的电源指示电路，根据预设的应变信息采样频率循环控制信号调理电路以及电源指示电路的供电；
应变调零单元，连接控制信号调理电路中的调零电路以及四阶低通滤波电路，并将应变电压信号调整到合理范围后输出给四阶低通滤波电路，以最大程度利用信号调理电路中模数转换电路的有效量程；
应变采集单元，连接低功耗控制单元以及信号调理电路中的模数转换电路，在低功耗控制单元的触发下，根据预设的应变信息采样频率读取模数转换电路输出的数字应变信息。
滤波单元，采用滑移平均滤波算法将同一个采集周期内收集的多个数字应变信息的值按从小到大顺序排列后，去除其中的最大、最小值，然后取平均，得到最优估计的应变信息作为当前所需要的应变信息。
特殊情况指其他无线静态应变传感器无法与手持无线接收器建立直接通讯。第一电池模块和第二电池模块均为可以充电的锂电池。
所述无线静态应变传感器的数量最多为99个。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、省略了应变测点与应变采集终端之间的长导线，不依赖外部计算机就可以实现应变测量、显示和存储，并且无线应变传感器布置灵活，数量可调，应用于港口机械金属结构的健康监测，提高了测量效率，降低了劳动强度，为企业节约了运营成本，有助于提高港口行业的运维效率，推动完善港口技术；
2、利用链表这种物理存储地址不连续的存储结构，解决了ZigBee网络中手持无线接收器同时采集多个无线静态应变传感器数据时，数据上传时序的随机性给应变数据显示和存储带来的困难；
3、利用恒流源供电、放大、调零以及低功耗和低通滤波等一系列的技术手段组成高精度、低噪声的无线静态应变传感器，并且实现了应变检测的高分辨率、大量程特点，以及单次充电后较长的使用寿命，满足了港口机械金属结构应变监测的性能要求。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明系统在岸边起重机的拉杆应力检测中的应用参考图；
图3为本发明的系统中的手持无线接收器的爆炸图；
图4为本发明的系统中的无线静态应变传感器的第一部分的爆炸图；
图5为本发明的系统中的无线静态应变传感器的第二部分的爆炸图；
图6为本发明的手持无线接收器的结构框图；
图7为本发明的手持无线接收器中的控制器模块的程序框图；
图8为本发明的实施例中的手持无线接收器中的第一ZigBee模块的电路图；
图9为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的电源模块的电路图；
图10为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的按键模块的电路图；
图11为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的显示模块的电路图；
图12为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的存储模块的电路图；
图13为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的串口通信模块的电路图；
图14为本发明的实施例中的手持无线接收器中的控制电路板中的控制器模块的电路图；
图15为本发明的无线静态应变传感器的结构框图；
图16为本发明的无线静态应变传感器的第二ZigBee模块的程序框图；
图17为本发明的实施例中的无线静态应变传感器的电源电路的电路图；
图18为本发明的实施例中的无线静态应变传感器的信号调理电路的电路图；
图19为本发明的实施例中的无线静态应变传感器的第二ZigBee模块的电路图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明提出了一种便携式无线静态应变测量系统，如图1所示，由手持无线接收器1和至少一个无线静态应变传感器2组成，由此构成一个网状网络，具有便携性，小型化，低功耗和分布式测量的特点。本实施例中，如图2所示，2个无线静态应变传感器2设置在岸边起重机3上，并分别安装在后拉杆应变测点5和前拉杆应变测点6用于采集对应待测点处的应变信息，并加入无线传感器网络将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据发送给手持无线接收器1；操作人员操作手持无线接收器1于控制房4内，较佳的设置在与手持无线接收器1目视可见的位置以获得良好的无线通讯信号，手持无线接收器1作为协调器用于发起、组件和维护基于ZigBee的无线传感器网络，并通过无线传感器网络接收、存储无线静态应变传感器2上传的应变数据并进行显示。
如图3、6所示，所述的手持无线接收器1包含：第一壳体，包含上盖板11以及下盖板15，通过螺钉连接在一起；第一电池模块14，采用充电电压为8.4V，容量为2安时的锂电池，通过硅胶安装在第一壳体内；第一天线12，作为无线射频能量发射与接收的媒介安装在第一壳体外，较佳的，采用2.4GHz、50欧姆阻抗和5dBi增益的全向射频天线；第一ZigBee模块16，连接第一天线12以及控制电路板13，作为协调器负责无线传感器网络的发起、组建和维护，以及用于接收无线静态应变传感器2上传的应变数据；控制电路板13，包含控制器模块、显示模块、存储模块、按键模块、串口通信模块以及电源模块；其中，控制器模块连接第一ZigBee模块16，用于与第一ZigBee模块16建立通讯以接收第一ZigBee模块16发送过来的应变数据；显示模块连接控制器模块，用于对第一ZigBee模块16接收到的应变数据进行显示；存储模块连接控制器模块，用于存储第一ZigBee模块接收到的应变数据并组成应变信息文件；按键模块连接控制器模块，用于调整显示模块的显示内容；串口通信模块连接控制器模块以及外部计算机，用于手持无线接收器与外部计算机的数据传输；电源模块具有电压保护、电源反向保护、电池电压指示以及供电功能，其分别连接第一电池模块8、第一ZigBee模块16、控制器模块、显示模块、存储模块、按键模块以及串口通信模块。
如图7所示，其中，所述的控制器模块的程序包含：通讯单元，连接第一ZigBee模块16，用于接收第一ZigBee模块16发送过来的应变数据；应变传感器队列单元，连接液晶显示单元以及通讯单元，用于通过链表技术保存当前网络中存在的传感器编号和第一ZigBee模块16最新接收到的应变数据，使每一链表节点唯一对应一个传感器标号和该传感器的最新应变信息；串口通讯单元，连接应变传感器队列单元以及串口通信模块，用于在手持无线接收器1接收无线应变传感器2的应变数据的同时将应变数据同步传输到外部计算机，以及在手持无线接收器1空闲时将存储模块中的应变信息文件上传到外部计算机；读写单元，分别连接通讯单元、串口通讯单元以及存储模块，用于在第一ZigBee模块16接收应变数据的同时依次将应变数据存储到存储模块中；功能按键监测单元，连接按键模块，用于采集按键模块输入的按键操作；液晶显示单元，连接显示模块、功能按键监测单元以及应变传感器队列单元，用于根据按键模块的按键操作相应调整显示模块上的显示内容；电池电压监测单元，连接电源模块，用于通过模数转换功能监测第一电池模块14的电压并控制电池模块进行电压指示。
本实施例中，如图8所示，为第一ZigBee模块16的电路及引脚连线图，包括1个CC2530+CC2591的大功率ZigBee射频通信模块、1个10KΩ的限流电阻、1个电源稳压芯片ADP124、2个电源滤波电容和1个与控制芯片为STM32F103的控制电路板13的连接口，且图8中仅给出了CC2530的引脚连接图。上述第一ZigBee模块支持在空旷地带的最大可靠通讯距离为1千米。
如图9所示，为所述控制电路板13的电源模块的实施例电路图，其输入端连接第一电池模块14，用于实现充电电压过压保护、电源反向保护，输出端提供充足的电流输出和两种稳定的供电电压，其包括充电接口P1、SMAJ10CA芯片、1N4148二极管、自锁开关S1、TA78M05稳压芯片、AMS1117稳压芯片、滤波电容若干、电源电压监测电路和电源指示电路。所述充电接口P1用于外部电池充电器给第一电池模块14充电；所述SMAJ10CA芯片连接在充电接口，实现了充电电压过压保护，可在供电电压超过电压阈值时短路导通，保护后续电路；所述1N4148二极管接入正向供电电路中，提供电源反向保护，防止电源错误反接给后续电路的损坏；自锁开关S1是手持无线接收器1的电源开关，控制第一电池模块14和充电接口与后续稳压芯片，以及控制电路板13的其他模块(控制器模块、第一ZigBee模块16、按键模块、显示模块、存储模块和串口通信模块)的连接，具有两种状态：1、弹起状态，此时第一电池模块14与和后续模块断开，2、按下锁定状态，此时第一电池模块14和后续模块相连，整个控制电路板13处于工作状态；所述TA78M05稳压芯片将自锁开关输出的电压稳定到一定值，并提供一最大电流输出；所述AMS1117稳压芯片将TA78M05输出的电压稳定到一定值，并提供一最大电流输出能力；所述若干滤波电容包括电容C1、C2和C3，配合前述两款稳压芯片使用，在降低电源电压内的纹波幅度(即滤波)的同时，也能提供一定的蓄能作用，可降低射频电路开启时激增的电流需求对供电电压稳定性的影响；所述电源电压监测电路由两个分压电阻和一个滤波磁珠R1构成，经过STM32F103进行模数转换后得到第一电池模块14当前电压；所述电源指示电路包括一个共阴极的红绿双色LED电源指示灯和一个1KΩ的限流电阻，当STM32F103的ADC14检测到第一电池模块14电压降至阈值以下时，PC7输出高电平点亮红色的LED灯，指示电池电量低，同时PC6输出低电平熄灭绿色LED以达到电压警示作用，反之，当STM32F103检测到第一电池模块14电压高于阈值时，PC6输出高电平，点亮绿色的LED灯，同时PC7输出低电平，熄灭红色LED。
如图10所示，为所述控制电路板13的按键模块的电路图，用于操作人员向STM32F103芯片输入显示清零(Clear)、向上翻查(UP)和向下翻查(DOWN)三种命令，包括3个限流电阻和3个按键。
如图11所示，为所述控制电路板13的显示模块的电路图，用于向操作人员显示当前通过ZigBee无线传感网络内连接到手持无线接收器1的无线静态应变传感器2的总量、传感器编号和最新的应变测量值，包括调节背光亮度的2个5KΩ电阻、用于控制液晶的背光电源的1个自锁开关S2、背光供电压的滤波用的1个磁珠和1个0802LCD液晶屏接口。
如图12所示，为所述控制电路板13的存储模块的电路图，本实施例中，存储模块采用的是TF卡。
如图13所示，为所述控制电路板13的串口通信模块的电路图。
如图14所示，为所述控制电路板13的控制器模块的电路图，包括STM32F103芯片、STM32F103正常工作的最小系统和JTAG接口。所述STM32F103正常工作的最小系统包括STM32F103正常工作所需的晶振(Y1和Y2)和起振电路(C4、C6、C7、C8)、滤波电容(C10-C13)和工作模式配置电路(R20-R22和开关S5)。所述JTAG接口为STM32F103芯片的编程接口。所述STM32F103芯片运行着电池电压监测单元、应变传感器队列单元、液晶显示单元、功能按键监测单元、通讯单元、读写单元和串口通讯单元。其中，所述电池电压监测单元每隔10秒检测一次第一电池模块14的电压，其余单元的循环周期为2秒，各单元的具体功能已在前文描述此处不再赘述。
所述电池电压监测单元基于前述控制电路板13上的电源模块，使用STM32F103芯片的ADC14模数转换功能监测第一电池模块14的电压，将测得的电压数据与预设的低压阀值做比较；当测量值高于该阈值时，点亮绿色LED，指示电池电量正常；相反时，则点亮红色LED，指示电池需要充电；此外，STM32F103依靠内部定时器，设定了电池电压的检测周期为10秒。
所述应变传感器队列单元中包含链表节点的搜索、新建、删除和应变信息更新等子程序，具体执行过程为：当STM32F103芯片经由SPI口收到CC2530上传的应变信息时，触发搜索子程序，即在现有链表节点中搜索是否存在最新应变信息中的传感器编号，如果存在，则触发该链表节点的应变信息更新子程序，并将该链表节点的更新标志位置位；如果不存在，则触发链表节点的新建子程序，并且将新建的链表节点放在现有链表队列的最后；此外，链表删除子程序每隔3秒就搜索检查所有链表节点的更新标志位是否被更新，如果更新标志位被更新了，则该链表节点的连续失效标志被清零，同时也将清除该链表节点的更新标志位；如果更新标志位没有被更新，则该链表节点的连续失效标志将加1；当某链表节点的连续失效标志达到3时，该链表节点被视为失效的节点，即该链表节点存储的传感器已经脱离网络，则该链表节点将被删除。
所述液晶显示单元用于控制0802LCD液晶上的显示内容，便于操作人员查看最新的应变信息，可显示当前ZigBee网络内应变传感器的总量、传感器编号和应变值。无线应变传感器发送到STM32F103的应变数据的取值范围为[6349,10035]，并且以8192为中位数，即STM32F103收到应变数据为8192时，对应的应变值为0με；收到应变数据小于8192时，对应的应变值为负值，如收到6349时，应变值为-1843；收到应变数据大于8192时，对应的应变值为正值，如收到10035时，应变值为+1843，可见，本发明可实现±1843με量程。所述液晶显示单元的具体显示原理如下：手持无线接收器1初始化之后，液晶显示单元开始以2秒的时间间隔循环检测链表队列中的节点数量；当节点数量大于0时，即ZigBee网络内有无线静态应变传感器2时，液晶开始显示；逻辑上，液晶逐行显示内容的顺序依次为：应变传感器总量、应变信息和结束字段，并且应变信息也是按照链表节点，依次逐行显示的。考虑到0802LCD只有两行，即可同时显示两行信息，所以采用显示内容的总行数N_SUM和当前显示行N_SHOW这两个参数来控制0802LCD的显示，其中显示内容的总行数N_SUM等于1(一行显示应变传感器总量)+链表队列节点总数N+1(一行显示结束字段)，并且N的取值范围为[1,99]，即本发明最多可容纳99个无线静态应变传感器2同时测量应变信息，此外，当前显示行N_SHOW表示当前0802LCD液晶的第一行显示的是N_SUM中的哪一行，且有N_SHOW的取值范围为[1,N+1]，例如，当N_SHOW＝1时，0802LCD液晶的第一行显示应变传感器总量，第二行显示链表队列的第一个节点的应变信息，当N_SHOW＝N+1时，0802LCD液晶的第一行显示链表队列的最后一个节点的应变信息，第二行显示结束字段；由于N的取值范围为[1,99]，即液晶显示时链表队列中的节点总量至少为1，那么0802LCD液晶无法显示全部的信息，所以基于功能按键引入了液晶显示内容向上翻查指令(UP)和液晶显示内容向下翻查指令(DOWN)；手持无线接收器初始化之后，N_SHOW初始化为1，此后当N>0时，UP功能键按下N_SHOW便自加1，同时发出0802LCD液晶显示刷新命令，更新显示内容，反之，DOWN功能键按下N_SHOW便自减1，同时发出0802LCD液晶显示刷新命令，更新显示内容，需注意无论UP和DOWN功能键如何工作，N_SHOW的取值范围限定在[1,N+1]；第三个与液晶显示有关的指令是应变传感器示值清零指令，由功能按键CLEAR输入，该指令作用下，链表队列中的所有节点的应变信息被置零，并出发液晶显示更新指令，更新液晶显示；清零应变显示的功能中引入了偏置变量Pian_data，并且每一个链表节点都有一个偏置变量，当清零指令发生时，偏置变量将保存每一个链表节点中的应变值与应变中位数8192的偏差，此后，在液晶显示更新指令发出时，液晶将显示STM32F103收到的真实应变数据与对应的偏置变量的差值，从而实现了软件清零功能；此外，链表节点的偏置变量会随着该节点的建立而建立，并且随着该节点的删除而删除。
所述功能按键监测单元基于按键模块采集操作人员输入到STM32F103的应变传感器示值清零指令、液晶显示内容向上翻查指令和液晶显示内容向下翻查指令，并且三条指令之间存在互斥性，即当任何一条指令执行时，其余指令将失效。
所述通讯单元，连接第一ZigBee模块16，基于SPI通讯接口，并且STM32F103工作在SPI被动工作模式下，接收CC2530发送过来的信息；
所述读写单元在STM32F103接收到CC2530发送过来的应变信息后，将这些信息依次存储到存储模块的同一个文件中，并且在手持无线接收器1空闲时，可以通过计算机经由RS232串口发送给STM32F103芯片TF信息上传指令，将TF存储的应变信息文件发送到计算机，具体包含TF卡文件新建函数、文件搜索函数、文件读取函数、文件写入函数。
所述串口通讯单元包含两个功能，其一是在手持无线接收器1收集ZigBee网络内无线静态应变传感器2的信息时，可将收集到的信息同步发送到计算机；其二是在手持无线接收器1空闲时，可将存储模块中存储的应变信息文件上传至计算机。
如图4、5、15所示，所述的无线静态应变传感器2包含：第二壳体，包含连接筒22，底座242，端盖241，通过螺钉连接在一起，第二壳体通过底座242上的2个磁座23固定到待测点处；第二电池模块29，由两节可充电的锂电池组成，通过硅胶连接到底座242；第二天线211，与第一天线12配置相同，通过天线座212螺纹连接到端盖241上；电源电路25，通过印刷电路板设置在第二壳体内，连接第二电池模块29，用于输出工作电压和电流；外部电阻应变片，设置在第二壳体外对应测点的位置，本实施例中设置2个，一个为工作片，另一个为温度补偿片，分别连接电源电路25，用于测量测点处的应变信号并转换为应变电阻变化；信号调理电路27，通过印刷电路板设置在第二壳体内，其连接外部电阻应变片以及电源电路25，用于将外部电阻应变片的应变电阻变化转换为可供第二ZigBee模块28处理的应变信息；第二ZigBee模块28，设置在第二壳体内，分别连接第二天线211、电源电路25以及信号调理电路27，用于采集信号调理电路27输出的应变信息，作为网络终端负责将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据无线发送出去，在特殊情况下承担其他无线静态应变传感器2应变数据的路由转发。所述的电源电路25的印刷电路板与信号调理电路27的印刷电路板通过铜柱261连接，信号调理电路27的印刷电路板还通过铜柱262装配到底座242上。所述的特殊情况指其他无线静态应变传感器无法与手持无线接收器建立直接通讯。
本实施例中，如图17所示，为所述电源电路25的电路图，其为安装在铝合金第二壳体内的一块印刷电路板，具有充电电压过压保护，用于获得传感器正常工作所需的供电电压和电流，并且具有传感器电源开关、锂电池充电接口、外部电阻应变片接口和与信号调理电路27的电路板的连接接口，包括充电电压保护电路(核心为SMAJ5.0CA芯片)、电源滤波电路、正负电压稳压电路(核心为ADP1713稳压芯片和ADP7812稳压芯片)、电源电压监测电路和电源指示电路。所述锂电池充电接口为图中的P1，所述传感器电源开关是一个四路自锁开关，弹起时，两节锂电池并联；按下锁定时，两节锂电池串联。所述外部电阻应变片接口参见图中的P2，1号引脚连接外部两个电阻应变片的公共端，2号引脚和3号引脚可自由连接应变片的剩余两个引脚；2个电阻应变片与所述信号调理电路27上的2个精密电阻构成了直流电桥，3个引脚分别连接了3个信号端，将作为直流电桥的信号接入点。所述与信号调理电路27的连接接口参见图中的P3。所述充电电压保护电路包括SMAJ5.0CA芯片连接在电池的两端，实现充电电压过压保护。所述电源电压监测电路由两个分压电阻(R1和R2)和一个滤波磁珠(L5)构成，经过模数转换后得到电池当前的电压；此外，CC2530上模数转换模块电池低电压警戒线。所述电源指示电路包括一个共阴极的红绿双色LED电源指示灯和一个阻值为1KΩ的限流电阻，而且红绿双色LED灯由CC2530的P0.0和P0.1引脚控制，当CC2530的模数转换模块检测到锂电池电压降至警戒线以下时，P0.0输出高电平，点亮红色的LED灯，指示电池电量低，同时P0.1输出低电平，熄灭绿色LED；反之，当CC2530检测到锂电池电压高于警戒线时，P0.1输出高电平，点亮绿色的LED灯，同时P0.0输出低电平，熄灭红色LED。所述正负电压稳压电路包括ADP1713稳压芯片和ADP7812稳压芯片分别提供了正负稳定电压信号。所述电源滤波电路包括多个电容(C1-C7)和电感(L1-L4)，配合前述两款稳压芯片使用，在降低电源电压内的纹波幅度的同时，也能提供一定的蓄能作用，可降低射频电路开启时激增的电流需求对供电电压稳定性的影响。
如图18所示，为所述信号调理电路27的电路图，其分别与电源电路25以及第二ZigBee模块28连接，其基于直流电桥将微小的应变信号转换为微小的电阻变化，再在恒流源供电电路的作用下，将微小的电阻变化转换为微小的电压信号，后经阻抗匹配电路，仪表运算放大电路，调零电路，四阶低通滤波电路处理后，得到可供模数转换电路处理的电压信号。具体电路设计如下：所述恒流源供电电路包括精密电压源REF3212输出精密参考电压到精密运算放大器OPA335的正向输入端(3号引脚)，外部两个电阻应变片通过3个信号端与精密电阻R2和R3组成直流电桥，精密电阻R1连接OPA335的负向输入端(2号引脚)，从在OPA335周围组成一个同相比例放大电路，并且直流电桥上引入了电流负反馈，即直流电桥上流过的电流恒定，近似为恒流源，使得直流电桥将应变片的电阻变化转变为电压信号的作用更加精准和稳定；此后，经过所述阻抗匹配电路，包括直流电桥输出信号进入精密双运算放大器OPA2335进行阻抗匹配，降低了后续电路阻抗对直流电桥输出应变信号的衰减；接下来，进入所述仪表运算放大电路，包括基于精密电阻(R4、R5和R16)和精密仪表运算放大器INA129构成的差分放大电路将直流电桥输出的信号相减，并将信号差值放大；此后，为了有效利用模数转换芯片的量程，由精密电阻(R6-R9,R17)、精密电压源REF3225、数模转换芯片AD7391、运算放大器AD8638和运算放大器ADA4077组成的调零电路将INA129输出的差分放大信号调整至1.25v附近；调零后的差分放大信号中含有较大的纹波噪声，因此，基于精密电阻(R10-R15)、电容(C18-C25)和精密双运算放大器AD706设计了四阶低通滤波电路，滤波截止频率为1Hz，滤波后应变电压信号的纹波幅度降低；为了避免数字芯片AD7391和ADS8320对模拟电路的干扰，单独为数字电路设计了供电电路，并由TPS79330和滤波电容(C4和C6)构成；滤波后的应变电压信号经过模数转换芯片ADS8320转换，并被CC2530读取。
如图19所示，为所述第二ZigBee模块28的电路图，包括1个CC2530+CC2591的大功率ZigBee射频通讯模块、1个双排接口P4、1个隔离电感L1、1个10KΩ的限流电阻(R16)、1个电源稳压芯片ADP124和2个电源滤波电容(C30和C31)，且图19中仅给出了CC2530的引脚连接图。所述双排接口P4用于连接前述信号调理电路27。所述隔离电感L1用于隔离信号调理电路27的电源地与第二ZigBee模块28的电源地。所述电源滤波电容同时起到了滤波和储能的作用。第二ZigBee模块28上运行着电池电压监测单元、低功耗控制单元、应变调零单元、应变采集单元和滤波单元。图16中，电池电压监测单元每隔10秒检测一次第二电池模块29的电压，其余单元的循环周期为2秒，具体包括：传感器上电初始化后执行应变调零单元，将传感器输出的应变电压信号调整到一定范围之内；此后，低功耗控制单元每隔2秒给信号调理电路27，以及电源电路25上的电源指示电路供电0.2秒，期间依次执行应变采集单元和滤波单元，并将传感器编号和最新的应变信息通过ZigBee网络传输到手持无线接收器1。
所述电池电压监测单元基于前述电源电路25上的电源电压监测电路和电源指示电路，使用CC2530的模数转换功能，监测第二电池模块29的电压，将测得的电压数据与预设的低压阀值做比较，当高于低压阀值时，点亮绿色LED，指示电池电量正常；相反时，则点亮红色LED，指示电池需要充电。
所述低功耗控制单元根据预设的应变信息采样频率，循环控制前述信号调理电路27的供电，同时也控制前述电源电路25上电源指示电路的供电。该单元基于CC2530的P1.6端口，控制前述电源电路25中稳压芯片ADP1713和ADP7182的开关，当P1.6输出高电平时，ADP1713和ADP7182开始工作，输出正负电压供给前述信号调理电路27；当P1.6输出低电平时，ADP1713和ADP7182关闭，同时前述信号调理电路25掉电休眠。此外，该单元基于CC2530的P0.0和P0.1端口，控制前述电源电路25中电源指示电路的开关。该单元根据CC2530内部设定的采样计时器，每当采样时刻触发时，控制P1.6输出高电平，使得ADP1713和ADP7182供电给信号调理电路27；同时，根据CC2530采样得到的电池电压与预设低电压阀值的比较，控制P0.0和P0.1的输出，并点亮相应的电源指示灯；此外，CC2530将保存的前述信号调理电路27调零后数模转换芯片AD7391的输出值再次输入到AD7391，使得调零电路信号恢复到掉电休眠前的状态。由于前述信号调理电路27中存在大量滤波电容，并且调零、放大和滤波等电路需要一定的时间实现稳定工作，因此，在经过电路稳定时间后，就可以触发后续的应变采集单元。采样结束后，低功耗控制程序将控制P1.6、P0.0和P0.1输出低电平，从而切断供电给信号调理电路27，以及电源电路25的电源指示电路。物理现象上，可以看到前述电源电路25的电源指示灯(绿色或红色LED)在循环闪亮。本发明中，低功耗控制单元在无线静态应变传感器2正常工作的90％时间段内关闭信号调理电路27，以及电源电路25上电源指示电路的供电，延长了工作寿命。
所述应变调零程序在无线静态应变传感器2上电初始化后工作，基于前述信号调理电路板27上的调零电路，将应变电压信号调整到一定范围，并输出给前述信号调理电路27上的四阶低通滤波电路。前述第二ZigBee模块28通过P1.7、P2.0、P2.1和P2.2端口读写ADS8320芯片。本实施例中，ADS8320模数转换芯片的参考电压为3v，因此将前述信号调理电路27上输出的应变电压信号的零点设置为1.25v能够最大程度地利用ADS8320模数转换芯片的有效量程，并且当信号调理电路27输出的应变电压小于1.25v时，ADS8320模数转换芯片转换后的应变数据对应于负应变，反之，则对应于正的应变值。应变调零单元通过ADS8320采集应变电压信号，与应变零值1.25v对比，并根据两者的差值调整数模转换芯片AD7391的输出。循环执行上述调零步骤，直至应变电压信号达到1.25±0.1v范围之内时停止，并且这样的循环最多执行10次。可见，应变调零单元降低了外部应变片电阻的初始不平衡，提高了无线静态应变传感器2的有效测量范围。
所述应变采集单元涉及CC2530芯片从ADS8320模数转换芯片读取应变信息的函数。
所述滤波单元，采用滑移平均滤波算法的思想，在同一个采集周期内收集8个应变值，使用冒泡排序法按从小到大的顺序排列后，去除其中的最大值和最小值，然后取平均，得到当前应变值的最优估计。此后，传感器编号和本次采集的应变数据一并通过ZigBee网络传输给前述手持无线接收器1。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种便携式无线静态应变测量系统，其特征在于，包含：
1个手持无线接收器和多个无线静态应变传感器，共同组成基于ZigBee技术的无线传感器网络；
其中，手持无线接收器，作为协调器用于发起、组件和维护基于ZigBee的无线传感器网络，并通过无线传感器网络接收、存储无线静态应变传感器上传的应变数据并进行显示；
无线静态应变传感器用于采集对应待测点处的应变信息，并将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据发送给手持无线接收器；也可以作为中继节点转发其他无线静态应变传感器的应变数据。
2.如权利要求1所述的便携式无线静态应变测量系统，其特征在于，所述的手持无线接收器包含：
第一壳体，包含上盖板和下盖板，通过螺钉连接在一起；
第一电池模块；
第一天线，作为无线射频能量发射与接收的媒介；
第一ZigBee模块，连接第一天线以及控制电路板，作为协调器负责无线传感器网络的发起、组建和维护，以及用于接收无线静态应变传感器上传的应变数据；
控制电路板，通过螺钉安装在第一壳体内部，连接第一电池模块和第一ZigBee模块，包含控制器模块，显示模块，存储模块，按键模块，串口通信模块和电源模块；
所述控制器模块，连接第一ZigBee模块，与第一ZigBee模块建立通讯以接收第一ZigBee模块发送过来的应变数据；
所述显示模块，连接控制器模块，用于对第一ZigBee模块接收到的应变数据进行显示；
所述存储模块，连接控制器模块，用于存储第一ZigBee模块接收到的应变数据并组成应变信息文件；
所述按键模块，连接控制器模块，用于调整显示模块的显示内容；
所述串口通信模块，连接控制器模块以及外部计算机，用于手持无线接收器与外部计算机的数据传输；
所述电源模块，用于电压保护、电源反向保护、电压指示以及供电，其分别连接第一电池模块、第一ZigBee模块、控制器模块、显示模块、存储模块、按键模块以及串口通信模块；
其中，所述的控制器模块运行的程序包含：
通讯单元，连接第一ZigBee模块，用于控制器模块接收第一ZigBee模块发送过来的应变数据；
应变传感器队列单元，连接液晶显示单元以及通讯单元，通过链表技术保存当前网络中存在的传感器编号和第一ZigBee模块最新接收到的应变数据，使每一链表节点唯一对应一个传感器标号和该传感器的最新应变信息；
串口通讯单元，连接应变传感器队列单元以及串口通信模块，用于在手持无线接收器接收无线应变传感器的应变数据的同时将应变数据同步传输到外部计算机，也可在手持无线接收器空闲时将存储模块中的应变信息文件传输到外部计算机；
读写单元，分别连接通讯单元、串口通讯单元以及存储模块，用于在第一ZigBee模块接收应变数据时，控制器模块依次将应变数据存储到存储模块中；
功能按键监测单元，连接按键模块，用于采集按键模块输入的按键操作；
液晶显示单元，连接显示模块、功能按键监测单元以及应变传感器队列单元，用于根据按键模块的按键操作相应调整显示模块上的显示内容；
电池电压监测单元，连接电源模块，用于通过模数转换功能监测第一电池模块的电压，并控制电池模块进行电压指示。
3.如权利要求2所述的便携式无线静态应变测量系统，其特征在于，所述的无线静态应变传感器包含：
第二壳体，包括连接筒，底座和端盖，通过螺钉连接在一起；
磁座，通过螺纹连接到第二壳体中的底座，用于将无线静态应变传感器吸附于相应测点附件的钢结构上；
第二电池模块；
第二天线，通过天线座的螺纹连接到第二壳体中的端盖，并通过导线连接到第二ZigBee模块；
外部电阻应变片，连接电源电路和信号调理电路，并与信号调理电路中的精密电阻构成直流电桥，用于测量测点处的应变信号，并将应变信号转换为应变电阻变化；
电源电路，连接第二电池模块和信号调理电路，用于输出稳定的工作电压和充足电流；
信号调理电路，连接外部电阻应变片以及电源电路，用于将外部电阻应变片的应变电阻变化转换为可供第二ZigBee模块处理的应变信息；
第二ZigBee模块，分别连接第二天线、电源电路以及信号调理电路，用于采集信号调理电路输出的应变信息，作为网络终端负责将应变信息与自身传感器编号信息所构成的应变数据无线发送出去，在特殊情况下承担其他无线静态应变传感器应变数据的路由转发；
其中，所述电源电路包含：
电源电压监测电路，连接第二电池模块以及第二ZigBee模块；
电源指示电路，用于对第二电池模块电压情况进行指示；
充电电压保护电路，连接第二电池模块，用于保护整个电源电路；
电源滤波电路，连接充电电压保护电路，用于降低电源噪声和储蓄能源，并在第二ZigBee模块开启时缓冲第二电池模块电压的波动；
正负电压稳压电路，连接电源滤波电路、信号调理电路、第二ZigBee模块以及外部电阻应变片，用于输出工作电压电流；
其中，所述信号调理电路包含：
恒流源供电电路，连接电源电路以及外部电阻应变片，由精密电压源和基于精密运算放大器的通向比例放大电路组成，使得外部电阻应变片的应变电阻变化转换为应变电压信号；
阻抗匹配电路，连接恒流源供电电路和仪表运算放大电路，基于精密双运算放大器，降低仪表运算放大电路的阻抗对应变电压信号的衰减；
仪表运算放大电路，连接阻抗匹配电路和四阶低通滤波电路，基于精密仪表运算放大器和精密电阻，将阻抗匹配电路输出的应变电压信号差分进行放大；
调零电路，连接仪表运算放大电路和四阶低通滤波电路，基于数模转换芯片、电压跟随电路和加法电路，对仪表运算放大电路输出的应变电压信号进行调整，实现后续模数转换电路量程的最大利用；
四阶低通滤波电路，连接调零电路和模数转换电路，基于精密双运放构成四阶低通滤波器，实现一低通截止频率，将调零电路输出的应变电压信号滤波；
模数转换电路，连接四阶低通滤波电路和第二ZigBee模块，在第二ZigBee模块的程序控制下，将四阶低通滤波电路输出的应变电压信号转换为可供第二ZigBee模块接收的数字应变信号；
其中，第二ZigBee模块上运行的程序还包含：
电池电压监测单元，连接电源电路中的电源电压监测电路以及电源指示电路，运用第二ZigBee模块的模数转换功能检测第二电池模块的电压情况，并控制电源指示电路进行相应的指示；
低功耗控制单元，分别连接信号调理电路以及电源电路中的电源指示电路，根据预设的应变信息采样频率循环控制信号调理电路以及电源指示电路的供电；
应变调零单元，连接控制信号调理电路中的调零电路以及四阶低通滤波电路，并将应变电压信号调整到合理范围后输出给四阶低通滤波电路，以最大程度利用信号调理电路中模数转换电路的有效量程；
应变采集单元，连接低功耗控制单元以及信号调理电路中的模数转换电路，在低功耗控制单元的触发下，根据预设的应变信息采样频率读取模数转换电路输出的数字应变信息；
滤波单元，采用滑移平均滤波算法将同一个采集周期内收集的多个数字应变信息的值按从小到大顺序排列后，去除其中的最大、最小值，然后取平均，得到最优估计的应变信息作为当前所需要的应变信息。
4.如权利要求3所述的便携式无线静态应变测量系统，其特征在于：
特殊情况指其他无线静态应变传感器无法与手持无线接收器建立直接通讯。
5.如权利要求4所述的便携式无线静态应变测量系统，其特征在于：
第一电池模块和第二电池模块均为可以充电的锂电池。
6.如权利要求1所述的便携式无线静态应变测量系统，其特征在于：
所述无线静态应变传感器的数量最多为99个。
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