CN110111552A - 一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的无线桥梁多点多信道应变监测系统，包括无线传感器、路由器、网关、太阳能供电模块和上位机；无线传感器包括电阻式应变片、信号调理模块、信号采集模块和无线传输模块；路由器即无线传输模块；网关包括主控模块和3个无线传输模块；太阳能电源模块为无线传感器和路由器提供电能；通过便携电脑端设计的基于Qt5的上位机软件接收传感器信号，完成本地存储并上传至云端服务器，从而完成应变信号的采集和桥梁健康监测。本系统具有多达36个应变采集通道，结合ZigBee技术，系统工作的可靠性更高，成本更低。

Description

一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统

技术领域

本发明涉及桥梁结构监测技术，具体涉及一种基于ZigBee的无线桥梁多点多信道应变监测系统。

背景技术

桥梁是投资巨大且使用期长的重要基础设施,桥梁使用的安全性对国民经济有着举足轻重的影响,因此对桥梁健康状况的监测意义重大。由于不可预见的原因，桥梁不可能一直安全稳定的运营，桥梁结构损坏广泛存在于日常生活中。桥梁结构的维护和结构的状态监测已成为桥梁工程领域的一大挑战。

首个桥梁监测系统诞生于上世纪80年代后期，传统的应变监测方法几乎都是采用有线连接的方式对桥梁应变进行监测，典型的做法就是将应变仪与测量仪器通过几米甚至几十米长的电缆直接相连。这不仅造成了布线繁琐、施工不便和费用昂贵等问题，同时由于长导线电阻及导线分布电容等因素的影响，还会使测量到的应变值无法达到高测量精度。近年来，随着科技、经济的不断发展，出现了基于无线传感器网络的桥梁健康监测方案，实验证明这些方案具有良好的使用性能。无线传感器网络是一种新的获取数据的手段，相比于传统的有线监测方案，它免除了线缆安装的繁琐并且降低了系统的成本，使得桥梁健康监测变得更加便利。

专利CN201420353358.8公开了一种基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，系统对数据的实时性进行了一定的考虑，也容易实现长期动态监控；但方案对系统的数据采集的稳定性与抗干扰方面考虑不足，容易产生不可靠的数据，同时传输过程的稳定性和可靠性也欠缺，且采用振弦式应变计的成本较高。

专利CN201420474690.X公开了一种桥梁状态监测系统，但该专利的缺点为系统为了满足摄像头采集图像的功能性，设计出的图像采集电路增加了系统的安装难度和成本，采集出的图像信息没办法实时监测桥梁的具体数据值，更偏向与作为桥梁监测的辅助手段。

现有技术虽然都对桥梁具有一定的监测功能，但成本都较高，同时缺乏对监测系统的稳定性和可靠性方面的考虑，为此我们提出一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于ZigBee的无线桥梁多点多信道应变监测系统及其使用方法，包括无线传感器、路由器、网关、太阳能供电模块和上位机；无线传感器包括电阻式应变片、信号调理模块、信号采集模块和无线传输模块；路由器即无线传输模块；网关包括主控模块和3个无线传输模块；太阳能电源模块为无线传感器和路由器提供电能。通过便携电脑端设计的基于Qt5的上位机软件接收传感器信号，完成本地存储并上传至云端服务器，从而完成应变信号的采集和桥梁健康监测。本系统具有多达36个应变采集通道，结合ZigBee技术，系统工作的可靠性更高，成本更低。

优选的，所述无线传感器包括信号调理模块、信号采集模块和无线传输模块，信号调理模块包括应变片工作电路，放大电路和低通滤波电路，应变片工作电路由惠斯通电桥和调零电路组成，采用半桥方式接入温度补偿片进行应变的温度补偿，调零电路可增大放大电路的输入范围，从而增大系统的测量范围即量程。

优选的，所述网关模块包括主控模块和3个无线传输模块，用于不同信道上的协调器。

优选的，所述太阳能电源模块包括太阳能电池板，锂电池组，电源管理模块、稳压模块和升压模块。

优选的，所述上位机读取并显示多点应变数据，随后将多点应变数据进行存储并将数据上传到云端。

一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其操作方法如下，

(1)所述无线传感器被部署在桥梁的各个测点上，所述无线传感器通过电阻式应变片以及信号调理模块中的应变片工作电路接受桥梁应变信号；

(2)所述无线传感器中的信号调理模块将步骤(1)输出的信号进行放大和低通滤波，放大信号便于后续处理，低通滤波电路可减少环境噪声干扰和增强信噪比；

(3)所述无线传输模块接受步骤(2)输出的信号，按照自定义的通信协议分组打包，并将数据包通过单个或多个无线传输模块传输至网关；

(4)所述网关通过3个工作在不同信道的无线传输模块接收无线传感器的数据，并通过串口将数据包传输给便携电脑端的基于Qt5上位机程序，对接收到的36通道的数据进行波形显示并在存储至本地和云端服务器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本无线桥梁应变监测系统通过无线传感器采集桥梁应变信号，经过路由器传输至网关后再上传至上位机，从而实现在上位机端对桥梁健康状态进行直观地观察，本系统免除了有线方案的布线成本，节约了大量的人力物力，系统采用高可靠、低功耗的ZigBee协议，可实现对桥梁可靠、长期的动态监测，有效解决了现有技术中，虽然都对桥梁具有一定的监测功能，但成本都较高，同时缺乏对监测系统的稳定性和可靠性方面的考虑。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的整体系统架构图；

图2为本发明中无线传输模块的工作流程示意图；

图3为本发明中上位机的工作流程示意图；

图4为本发明中云端服务器接收并解析文件流程图；

图5为本发明中信号调理模块中单个通道电路的整体系统架构图。

其中，2(a)、2(b)和2(c)分别是指无线传输模块、无线传输模块和无线传输模块的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，本发明提供一种技术方案：一种基于ZigBee的无线桥梁多点多信道应变监测系统，包括无线传感器、路由器、网关、上位机和太阳能电源模块；无线传感器由电阻式应变片、信号调理模块、信号采集模块和无线传输模块(终端节点)组成，电阻式应变片将桥梁的应变信号转换为电阻变化，信号调理模块中的应变片工作电路将电阻变化转换为电压变化，随后输入模块中的放大电路和低通滤波电路分别对信号进行放大、低通滤波；信号采集模块将上述信号进一步转换为数字信号，且进行初步数字信号处理(滑动平均滤波)；随后经路由器即无线传输模块(终端节点)将数据按照自定义传输协议进行分包发送，经由单个或多个无线传输模块(路由节点)传输至网关；网关中工作在不同信道上的3个无线传输模块(协调器)接收来自路由器的桥梁应变信号并通过不同的串口传输至网关的主控模块(STM32F103ZET6)，主控模块将数据缓存在其缓冲区，并通过串口转发至便携电脑(基于Qt5的上位机)，上位机读取应变信号按照自定义的传输协议将36通道的应变数据进行分拣，按照用户需要选择不同通道的应变波形进行显示，并将所有通道应变数据存储至本地，通过4G路由器将数据上传至云端服务器。

如图2所示，本实例中无线传输模块工作流程如下：

(1)协调器负责组建网络，在完成初始化后，选择信道建立网络，随后进行侦听，若发现设备连接请求，建立连接，并为其分配网络地址，若无设备连接请求，则判断是否有数据传输请求，若无则跳转至等待设备连接请求，若有则接收数据包并返回接收确认帧通知发送端已接收到数据，再判断数据包中校验码是否正确，若正确则通过串口传输至STM32F103ZET6模块，若不正确则等待下一个数据传输请求；(2)路由器节点负责转发数据，在完成初始化后，扫描所配置信道中已建立的网络，若发现网络，则请求连接直至连接成功，随后进入侦听，若有数据请求则进行路由转发；(3)终端节点负责采集数据，在完成初始化后，首先判断是否发现网络，若发现网络则请求接入网络，成功接入网络后，启用串口以DMA方式接收信号采集模块的数据至缓冲队列，随后将缓冲队列中的数据取出并打包，无线发送该数据包，若收到接收端的接收确认帧，则从缓冲队列中取出下一组数据，若未收到确认帧则重发该数据包。

上位机界面如图3所示，本实例中上位机的工作流程如下：当数据传输到便携电脑后，上位机读取36通道应变数据并按用户需求显示某一通道波形，随后将多点应变数据进行存储并上传到云端。

本实例的基于Qt5的上位机监测程序，包括以下步骤：

1、在基于Qt5的上位机程序中启动监测系统，进行串口参数配置，打开串口，随后使各个无线通信模块进入工作状态。

2、通过串口接收来自网关的数据包，按照数据包中的节点编号信息和通道编号信息对数据进行分拣。

3、按照用户需求(用户通过2个下拉菜单：节点选择，通道选择，获取需要显示的通道应变波形)显示波形。

4、将36个通道的应变数据保存在本地并通过4G路由器经由HTTP协议将数据文件POST至云端服务器。其中，存储和显示分为两个线程编程，避免互相干扰。

云端服务器通过云端接口程序接收并解析来自上位机的文件信息。具体流程如图4所示。

本实例的信号调理模块中单个通道电路如图5所示，包括应变片工作电路(惠斯通电桥与调零电路)，放大电路，低通滤波电路。模块接入电阻式应变片(工作片)与电阻式应变片(温度补偿片)，经由惠斯通电桥和调零电路中的电位器J1将电阻式应变片的电阻变化转换为大小合适的电压变化，随后输入至运算放大器AD623进行放大，放大倍数由AD623中1、8两脚之间的电阻RG决定，随后将放大后的信号输入至运算放大器OPA340中进行低通滤波，最终输出。

综上所述，本无线桥梁应变监测系统通过无线传感器采集桥梁应变信号，经过路由器传输至网关后再上传至上位机，从而实现在上位机端对桥梁健康状态进行直观地观察，本系统免除了有线方案的布线成本，节约了大量的人力物力，系统采用高可靠、低功耗的ZigBee协议，可实现对桥梁可靠、长期的动态监测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：包括无线传感器、路由器、网关模块、太阳能电源模块和上位机，所述无线传感器接受桥梁应变信号同时将其通过单个或多个路由器传输至网关；所述太阳能电源模块与所述无线传感器与所述路由器配套使用，为无线传感器和路由器供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：所述无线传感器包括信号调理模块、信号采集模块和无线传输模块，信号调理模块包括应变片工作电路，放大电路和低通滤波电路，且所述无线传感器的内侧安装有电阻式应变片，所述信号调理模块内侧安装有应变片工作电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：所述网关模块包括主控模块和3个无线传输模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：所述太阳能电源模块包括太阳能电池板，锂电池组，电源管理模块、稳压模块和升压模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：所述上位机读取并显示多点应变数据，随后将多点应变数据进行存储并将数据上传到云端。

6.根据权利要求1-5任一权利所述的一种基于ZigBee的桥梁多点多信道应变无线监测系统，其特征在于：其操作方法如下，

(1)所述无线传感器被部署在桥梁的各个测点上，所述无线传感器通过电阻式应变片以及信号调理模块中的应变片工作电路接受桥梁应变信号；

(2)所述无线传感器中的信号调理模块将步骤(1)输出的信号进行放大和低通滤波，放大信号便于后续处理，低通滤波电路可减少环境噪声干扰和增强信噪比；

(3)所述无线传输模块接受步骤(2)输出的信号，按照自定义的通信协议分组打包，并将数据包通过单个或多个无线传输模块传输至网关；

(4)所述网关通过3个工作在不同信道的无线传输模块接收无线传感器的数据，并通过串口将数据包传输给便携电脑端的基于Qt5上位机程序，对接收到的36通道的数据进行波形显示并在存储至本地和云端服务器。