CN110809201A - 建设工程健康监护管理芯片及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种建设工程健康监护管理芯片及系统，通过管理芯片在电磁波中获取能量，定时进行传感器的数据采集并主动发送；管理系统通过信号中继设备获取管理芯片采集的数据并发送到数据服务器，信号中继设备还设置有远距离无线充电基站，用于对管理芯片远距离充电。通过对数据进行分析和验证，得到该建设工程在质量方面发生的变动，以确定是否需要进行维护和维修，保证建设工程的正常使用。本发明采用的芯片能够直接封装在建设工程的混凝土中，使用时间能够长达30年以上，使用方便，获取信息完全，降低维护成本，减少人力，有效的预防并测控建设工程的安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于各种建设工程的物联网装置、通信及数据管理方法，尤其是涉及一种建设工程健康监护管理芯片及系统。
背景技术
建设工程是指为人类生活、生产提供物质技术基础的各类建筑物和工程设施的统称。建设工程是人类有组织、有目的、大规模的经济活动。建设工程按照自然属性可分为建筑工程、土木工程和机电工程三类。建设工程是人类有组织、有目的、大规模的经济活动。是固定资产再生产过程中形成综合生产能力或发挥工程效益的工程项目。建设工程是指建造新的或改造原有的固定资产。
混凝土，简称为"砼(tóng)"，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。
对于桥梁、隧道、楼房等各种建筑，通常采用混凝土进行主体建造或者搭建形成，随着建造完成，这些混凝土建筑或部件在使用过程中，会受到外力影响或者自身发生形变，使得质量下降，存在安全隐患，不利于继续使用，需要维护、保养或者更换，而混凝土建筑的使用寿命一般都在30年以上，那么在这么长的时间内，如何有效的监控到混凝土的质变，是需要解决的问题。
有的解决方案是对建筑构件采用RFID标签进行标记，可移植入混凝土中，也可以不植入，主要目的是在生产制造时轻松的识别构件(部件)，做到有序的进行建造，在后面的维护中，如果产生质变，人工发现问题后，可以根据标签获取对应的构件相关数据。
有的解决方案是采用有源RFID芯片，利用连接到的传感器进行检测，但是因为能量消耗问题，所以通常有源RFID芯片布置在外侧，且需要独立进行供电，对于数量巨大的建筑构件形成的工程，则难以进行能量供应，以及难以检测到构件内部发生的质变。
还有的解决方案是采用无源RFID芯片，所述无源RFID芯片可以内置于建筑构件中，并通过与其连接的传感器进行数据读取。在自由空间无源RFID芯片的感应距离能达到2-5米左右，但是无源RFID芯片内置之后，受到混凝土的影响，感应到的电磁波微弱，难以提供足够的电量，尤其是在特殊应用场景例如芯片植入混凝土结构物内部，感应距离将大大缩短。同时不能从建筑构件中脱离，即使采用低功耗，在无源RFID芯片内置的电池容量被传感器消耗掉后，也不能继续工作。只能沿布置有无源RFID芯片的建筑构件方向，利用RFID阅读器沿线进行数据读取，无法做到主动发送数据。
进一步的，建筑构件的建设工程内部一般没有或者不一定全线覆盖电磁波信号，导致建设工程内部通讯条件较差，鉴于芯片数据系统的独立性，一般不能占用建设工程内部用于通讯或机车信号的通讯光缆，在大部分情况下必须独立建立无线通讯网络。
发明内容
本发明提供了一种建设工程健康监护管理芯片及系统，解决了建设工程在使用期间整体或者部分发生质量变化的检测问题，其技术方案如下所述：
一种建设工程健康监护管理芯片，包括能量采集天线、能量储存单元、唤醒单元、微控制器、数据采集传感器；
能量采集天线采用RF接收端电路持续收集空中电磁波信号的能量，并存储到能量存储单元；
能量存储单元为唤醒单元、微控制器、数据采集传感器提供能量，并且所述能量存储单元的能量供应唤醒单元持续工作；
所述唤醒单元与微控制器相连接，在设定的间隔时间向微控制器发出唤醒信号，唤醒微控制器；
微控制器与数据采集传感器相连接，控制数据采集传感器进行数据采集，并通过能量采集天线实时将采集到的数据主动发送出去，发送完数据进入无功耗模式，等待下一次被唤醒；
数据采集传感器采用微功耗传感器，采集数据后发送到微控制器。
所述微功耗传感器是指功耗低于毫瓦的传感器，其功耗以微瓦为单位。通过利用微功耗传感器，可以进一步的节约电能。
进一步的，能量存储单元只供应唤醒单元持续工作，只有在微控制器被唤醒时以及数据采集传感器工作时，才对这两者进行供电。
所述微控制器连接有数据存储器，能量存储单元为数据存储器供应电能，所述数据存储器用于存储数据采集传感器采集到的设定次数数据，微控制器将数据存储器的数据集中或者定时主动发送。
唤醒单元向微控制器发出唤醒信号时，能量存储单元向微控制器上电；微控制器被唤醒后，用于控制能量储存单元向数据采集传感器上电，对数据采集传感器发出数据采集信号；并在收到采集数据后，控制能量储存单元向数据采集传感器断电。
微控制器在数据采集传感器进行数据采集时，进入省电模式。
数据采集传感器传感器设置有多种传感器，采集建筑构件的包括温度、湿度、压力和形变在内的数据，管理芯片外部设置有防护装置，当建筑构件受到极限压力值破坏后，仍然能正常工作且采样正常数据。
一种采用上述建设工程健康监护管理芯片的管理系统，除管理芯片外，还包括信号中继设备、数据服务器，所述工程建筑的每个建筑构件都内置有管理芯片，在工程建筑中等间距布置有信号中继设备，信号中继设备之间的数据为双向传输，并最终发送到外部的数据服务器。
信号中继设备包括通信天线，通过通信天线与周围可探测的其他信号中继设备进行连接和通讯，通过通信天线收集覆盖范围内的管理芯片发送的数据。
信号中继设备设置有远距离无线充电基站，远距离无线充电基站通过通信天线发射固定频点的电磁波，对管理芯片进行远距离无线充电。
建筑构件的关键应力点处植入管理芯片，管理芯片的初始内容包含了芯片固定方式、编号、绑定数据以及扫描初始化数据。
管理芯片植入后通过加密机做一次加密操作，使得所述管理芯片存在密钥，具有加密功能，信号中继设备在后续读写过程中需要进行国密算法身份认证。
所述建设工程健康监护管理芯片能够通过在电波中获取能量，从而维持自身的低功耗运行，并将有效的信号主动发送出去；管理系统再通过信号采集装置获取芯片采集的数据，通过对数据进行分析和验证，得到该建设工程在质量方面发生的变动，以确定是否需要进行维护和维修，保证建设工程的正常使用。本发明采用的芯片能够直接封装在建设工程的混凝土中，使用时间能够长达30年以上，使用方便，获取信息完全，降低维护成本，减少人力，有效的预防并测控建设工程的安全隐患。
附图说明
图1是所述建设工程健康监护管理芯片的结构示意图；
图2是所述建设工程健康监护管理系统的示意图；
图3是所述建设工程健康监护管理系统应用在隧道的实施例的示意图。
具体实施方式
如图1所示，所述建设工程健康监护管理芯片，采用无源RFID标签，包括能量采集天线、能量储存单元、唤醒单元、微控制器、数据采集传感器。
所述能量采集天线与能量储存单元相连接：所述能量采集天线采用RF接收端电路，将空中的电磁波信号的能量持续收集并存储到能量存储单元，所述电磁波信号为2G/3G/4G/5G等无线数据通讯信号。
所述能量储存单元为唤醒单元、微控制器、数据采集传感器提供能量。其中，能量储存单元采用电容器进行电能存储的结构，利用所述能量存储单元的能量供应唤醒单元持续工作。
所述唤醒单元与微控制器相连接，其采用脉冲计数，计数值达到设定值时向微控制器发出唤醒信号。所述设定值根据建设工程的实际情况进行确定，如每天需要两次检查，则可以设定每隔12小时的时间发出唤醒信号，进而进行后续检查与数据发送的工作。对于需要检测次数多的建设工程，则可以减少唤醒间隔。
所述微控制器与数据采集传感器相连接。所述微控制器收到唤醒单元的唤醒信号后，从无功耗休眠模式转为工作模式，控制能量储存单元向数据采集传感器上电并对数据采集传感器发出数据采集信号，所述数据采集传感器收到微控制器的数据采集信号后，开始进行建筑构件的数据采集，并将采集到的数据发送到微控制器。数据采集传感器采用低功耗的传感器。
数据采集传感器传感器设置有多种传感器，包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等，采集建筑构件的包括温度、湿度、压力和形变在内的数据。
所述微控制器将数据采集传感器采集的数据通过能量采集天线主动向外发送，并停止数据采集传感器的工作，自身从工作模式转为无功耗休眠模式，等待下一次唤醒。
进一步的，微控制器还连接有数据存储器，用于收集数据采集传感器采集的数据。此外，还能够设置数据存储器存储设定次数的数据采集传感器采集的数据后，由微控制器集中或者定时主动发送。
微控制器转为工作模式后，检测在能量储存单元中的电能是否充足，不充足时不再启动数据采集传感器，直接通过能量采集天线发出能量不足的信号，并再一次转为无功耗休眠模式，等待下一次唤醒。
在微控制器、数据存储器和数据采集传感器不工作时，不会消耗能量存储单元的能量，因此，采用唤醒单元，能够极大的提高管理芯片的工作时长，可以长达30年以上。
进一步的，微控制器唤醒数据采集传感器后能够进入省电模式，在数据采集传感器采集好数据后，向微控制器发送数据时，微控制器脱离省电模式。
所述管理芯片的外部设置有防护装置，当建筑构件受到极限压力值破坏后，仍然能正常工作且采样正常数据。
在芯片植入后通过加密机做一次加密操作，使得所述管理芯片存在密钥，具有加密功能，RFID数据读写装置在后续读写过程中需要进行国密算法身份认证。
工程建筑的每个建筑构件都会内置建设工程健康监护管理芯片，通常来说，建筑构件采用混凝土构件。
如图2所示，所述建设工程健康监护管理系统，使用如上所述的安装在工程建筑4的健康监护管理芯片2，还包括信号中继设备3、数据服务器1。
所述信号中继设备3等间距的设置在工程建筑4中，包括通信天线和远距离无线充电基站。
所述信号中继设备3通过通信天线与周围可探测的其他信号中继设备进行连接和通讯，并通过通信天线收集覆盖范围内的管理芯片2发送的数据。
所述信号中继设备的收集的数据通过最外侧的信号中继设备发送到数据服务器1。数据服务器1与云平台相连接。
远距离无线充电基站发射固定频点的电磁波，通过通信天线对管理芯片2进行远距离无线充电，并在充电10-20分钟内达到通讯条件。
通信天线进行无线数据传输和发射电磁波的时间，以及采集管理芯片2数据的时间分开处理。
一般情况下，在通讯信号容易获取的地方，比如城市，所述管理芯片的能量采集天线容易从空中的电磁波获取能量。但是对于伸入地下以及戈壁、沙漠等通讯信号难以到达或者没有布置的地方，对于工程建筑的检查，管理芯片的能量采集天线就会面临难以获取充足的能量，所以通过在工程建筑布置远距离无线充电基站，实现对管理芯片的充电，使得本发明能够持续工作，检查较少数量的信号中继设备，就能够轻松实现对于整个工程建筑的检查维护。
通过管理芯片—信号中继设备—数据服务器，实现了数据的有序传递，避免了常规的无源芯片检查时，需要采用RFID阅读器沿线进行数据读取的弊端，浪费时间，也难以做到实时。
数据服务器1对于每个管理芯片读取的数据，和其自身的历史数据相比，分析数据的一致性和重复性。
如图3所示，在某隧道实施例中，所述建设工程健康监护管理系统，采用管理芯片和信号中继设备，形成数据采集、数据集成、数据分析三个阶段。每个管理芯片读取的数据，需要和自身的历史数据相比，进而分析数据的一致性和重复性。
包括下列步骤：
(1)在隧道的修建开始前，在隧道各管件的关键应力点处植入管理芯片，管理芯片的初始内容包含了芯片固定方式、编号、绑定数据以及扫描初始化数据；
工程健康信息服务管理大数据处理模型数据采集是大数据处理过程中最基础的一步。建设工程信息大数据的特点是数据来源广泛、种类繁多。这些数据有结构化的，也有半结构化和非结构化的，采集数据的精度需要符合现有系统的软硬件条件，避免影响到信息的流通速度和准确性。除了对应基于物联网的数据采集以外，管片生产企业内部ERP系统、中铁盾构机数据管理系统等信息数据库也是重要的数据来源。
(2)管理芯片对管件的相关数据进行采样，并通过信号中继设备读取，采样包括温度、湿度、压力和形变等，通过对应的传感器进行数据采集；
管理芯片和信号中继设备作为采集隧道工程信息的设备，构成感知层，是物联网的基础层，主要用来感知和识别反映工程状况的物理信息。常见的传感器包括压力检测仪、温度传感器、气体检测仪、地面沉降监测仪，以及GIS、GPS等技术。
(3)信号中继设备将数据发送到服务器或者云平台，通过数据建模实现可视化分析，服务器或者云平台对应网络层，是各种通信网络综合形成的融合网络，使信息、数据与指令能够在感知层与下述的应用层之间传递。
(4)发现建设工程存在的质量变化问题，做出分析和判断，形成应用层。
应用层将物联网技术与建设工程健康信息服务需求相结合。布局分为隧道管片健康管理子中心、隧道工程健康信息大数据中心。隧道管片健康管理子中心即时或定时保存感知层采集到的各类数据。隧道管片健康信息大数据中心则是将大范围内信息集合到一处，统一储存和运算分析。智能建筑健康信息服务应用即对大数据中心集成的大量数据进行计算分析和开发应用，满足各专业的业务需求，形成不同类型的信息服务，为隧道管片健康管理提供帮助。
建设工程健康信息服务管理需要的数据分析、实时监控、监督管理、建筑自动化等需求，形成区域压力分析、温湿度变化分析、三维立体地理信息系统、地面沉降监测分析、位移监测分析、气体变化实时动态评价等各类具体应用，最终实现隧道管片健康监控、健康档案、健康诊断、健康遥控、健康诊疗、健康预见的功能模块。
Claims (10)
1.一种建设工程健康监护管理芯片，其特征在于：包括能量采集天线、能量储存单元、唤醒单元、微控制器、数据采集传感器；
能量采集天线采用RF接收端电路持续收集空中电磁波信号的能量，并存储到能量存储单元；
能量存储单元为唤醒单元、微控制器、数据采集传感器提供能量，并且所述能量存储单元的能量供应唤醒单元持续工作；
所述唤醒单元与微控制器相连接，在设定的间隔时间向微控制器发出唤醒信号，唤醒微控制器；
微控制器与数据采集传感器相连接，控制数据采集传感器进行数据采集，并通过能量采集天线实时将采集到的数据主动发送出去，发送完数据进入无功耗模式，等待下一次被唤醒；
数据采集传感器采用微功耗传感器，采集数据后发送到微控制器。
2.根据权利要求1所述的建设工程健康监护管理芯片，其特征在于：所述微控制器连接有数据存储器，能量存储单元为数据存储器供应电能，所述数据存储器用于存储数据采集传感器采集到的设定次数数据，微控制器将数据存储器的数据集中或者定时主动发送。
3.根据权利要求1所述的建设工程健康监护管理芯片，其特征在于：唤醒单元向微控制器发出唤醒信号时，能量存储单元向微控制器上电；微控制器被唤醒后，用于控制能量储存单元向数据采集传感器上电，对数据采集传感器发出数据采集信号；并在收到采集数据后，控制能量储存单元向数据采集传感器断电。
4.根据权利要求2所述的建设工程健康监护管理芯片，其特征在于：微控制器在数据采集传感器进行数据采集时，进入省电模式。
5.根据权利要求1所述的建设工程健康监护管理芯片，其特征在于：数据采集传感器传感器设置有多种传感器，采集建筑构件的包括温度、湿度、压力和形变在内的数据，管理芯片外部设置有防护装置，当建筑构件受到极限压力值破坏后，仍然能正常工作且采样正常数据。
6.采用权利要求1-5任一所述的建设工程健康监护管理芯片的管理系统，其特征在于：除管理芯片外，还包括信号中继设备、数据服务器，所述工程建筑的每个建筑构件都内置有管理芯片，在工程建筑中等间距布置有信号中继设备，信号中继设备之间的数据为双向传输，并最终发送到外部的数据服务器。
7.根据权利要求6所述的建设工程健康监护管理系统，其特征在于：信号中继设备包括通信天线，通过通信天线与周围可探测的其他信号中继设备进行连接和通讯，通过通信天线收集覆盖范围内的管理芯片发送的数据。
8.根据权利要求7所述的建设工程健康监护管理系统，其特征在于：信号中继设备设置有远距离无线充电基站，远距离无线充电基站通过通信天线发射固定频点的电磁波，对管理芯片进行远距离无线充电。
9.根据权利要求6所述的建设工程健康监护管理系统，其特征在于：建筑构件的关键应力点处植入管理芯片，管理芯片的初始内容包含了芯片固定方式、编号、绑定数据以及扫描初始化数据。
10.根据权利要求6所述的建设工程健康监护管理系统，其特征在于：管理芯片植入后通过加密机做一次加密操作，使得所述管理芯片存在密钥，具有加密功能，信号中继设备在后续读写过程中需要进行国密算法身份认证。
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2019
- 2019-12-05 CN CN201911233159.7A patent/CN110809201A/zh active Pending
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