CN111412944A - 配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，包括瓦特级压电俘能装置、传感模块、控制模块和无线通信模块；瓦特级压电俘能装置包括外部箱体和发电机构两个部分，外部箱体结构包括底壳和上盖，底壳上端的弹簧安置孔中设置有弹簧，上盖下侧面与底壳的上端之间填充有机硅橡胶；发电机构包括传力杆、传力圈、发电盘和能量储存单元，发电盘由固定外盘和环形压电换能器组成，所述传力杆上端与上盖连接、下端穿过环形压电换能器。该结构具有足够的振动空间，可充分利用一次车辆荷载作用下产生的机械能并产生瓦特级别的能量，因其维护要求低适合大范围布设，并且压电俘能装置本身可利用其电压输出规律用于车流量统计。

Description

配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统
技术领域
本发明涉及一种无线道路健康监测系统，属于压电能量采集和无线健康监测领域，尤其是配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统。
背景技术
交通道路长期受到车辆载荷、雨水风雪与季节性变化等环境因素的影响，会出现各种损伤和腐蚀情况，给车辆行驶带来安全隐患。因此需要定期监测道路状况，以便及时维护。传统人工检测方法耗时、耗力且效率低下，难以做到检测的周期性和实时性。因此需要新型的监测方式，以满足我国交通道路的发展需求。
自20世纪90年代以来，无线传感器网络得到了迅猛的发展，面向结构健康监测的无线传感器网络也是当前国巧外学术界和工程界的研究热点。但是传感器节点所携带的电池能量十分有限。而网络中传感器节点数目庞大，分布范围广阔，并且通常位于比较复杂的环境中，所以无法对传感器节点进行充电或者更换电池。因此，如何解决节点能量供应问题，延长网络的生命周期，是无线传感器网络面临的首要挑战。
目前从道路周围环境里获得能量的方式有太阳能发电，风能发电，地热能发电，振动能发电，振动能发电分为电磁式，静电式和压电式。太阳能，风能，地热能均受天气因素的限制而呈现能量供应不稳定的状态，由于道路日均车流量较稳定，因此振动能是无线传感器网络供能的较好方式。然而除了在强光下的太阳能光伏板，其他的能量采集装置的发电级别都停留在mW或µW数量级上。因此，开发一种配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，该装置能够更加充分转化和利用车辆荷载作用下产生的机械能并产生瓦特级别的能量，可利用其电压输出规律用于车流量统计。
为此，本发明提供的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：包括瓦特级压电俘能装置、传感模块、控制模块和无线通信模块，所述瓦特级压电俘能装置通过开挖面层上部埋入道路路面中；所述瓦特级压电俘能装置包括外部箱体和发电机构两个部分，所述外部箱体结构包括底壳和上盖，底壳上开设有导线孔，所述瓦特级压电俘能装置的正负极导线通过导线孔引出外部箱体外，底壳的上端围绕底壳的内槽开设有多个弹簧安置孔，弹簧安置孔中设置有弹簧，弹簧上端顶在所述上盖上，所述上盖下侧面与底壳的上端之间填充有机硅橡胶；所述发电机构设置于外部箱体内，发电机构包括传力杆、传力圈、发电盘和能量储存单元，所述发电盘由固定外盘和环形压电换能器组成，所述传力杆上端与上盖连接、下端穿过环形压电换能器，所述传力圈与环形压电换能器紧密接触。
进一步的，所述环形压电换能器采用丝网印刷形成，环形压电换能器由铜片基座和环形压电陶瓷通过环氧树脂胶粘合而成。
进一步的，所述传感模块包括健康监测用温湿度传感器、应力应变传感器、结冰传感器和车辆动态称重传感器；所述控制模块采用MSP430f5529芯片；所述无线通信模块采用ZigBee双向无线通信。
进一步的，所述上盖下侧对应于所述弹簧安置孔设置有导向管，导向管插入所述弹簧安置孔中，所述弹簧的上端进入导向管中下端与弹簧安置孔底部抵触。
进一步的，所述瓦特级压电俘能装置横向直线分布，所述多个瓦特级压电俘能装置横向埋设于道路下方，多个瓦特级压电俘能装置为一个组，一组瓦特级压电俘能装置的底壳共同固定于一块底板上，同组瓦特级压电俘能装置的左右均等分开设置，同组且紧邻的瓦特级压电俘能装置的上盖共同固定于一个压板下侧，左右分置的同组瓦特级压电俘能装置之间集中设置所述传感模块、控制模块和无线通信模块，所述传感模块、控制模块和无线通信模块固定于所述底板上。
进一步的，每个车道布置一组瓦特级压电俘能装置，每组瓦特级压电俘能装置包括4个瓦特级压电俘能装置并为一个传感器节点供电，设置50米的节点间距进行射频信号的多跳传输，所述传感器节点信号分段，分左右车道进入不同的汇聚节点进行管理，最后传输至交通管理中心。
进一步的，所述固定外盘架空环形压电换能器以给予环形压电换能器足够的振动空间。
进一步的，所述发电盘分为四层，每层10个环形压电换能器，共有40个环形压电换能器，均为并联连接，根据车速和车重的不同，电压可达到十几伏特至几十伏特，电流可达到十几毫安至几十毫安，功率达到瓦特级别。
进一步的，所述瓦特级压电俘能装置配置有电压数据存储器，按电压输出规律来进行车流量统计。
本发明的技术效果：
（1）本发明的堆叠式压电换能器由于其刚度过大，能量输出小，因此，利用传力杆穿过环形压电换能器的方式制作了结构紧凑的分离堆叠式压电俘能装置，该结构具有足够的振动空间，可充分利用一次车辆荷载作用下产生的机械能并产生瓦特级别的能量。
（2）压电俘能装置本身可利用其电压输出规律用于车流量统计。
（3）作为一种无损道路监测方式，无线道路健康监测传感模块可埋设于压电俘能装置周围，减少布线，有充足的能量来源，无需人工进行电池充电或者更换，维护费用低。
（4）传感器节点受限于自身的发射功率，当它需要和在自己覆盖范围以外的节点进行通信时，需要通过普通传感器节点的多次转发来完成多跳传输。因此，道路上按间距铺设的瓦特级压电俘能装置刚好可以满足此要求，进行射频信号的远距离传输。
（5）车辆可通过其车载接收器对无线传感模块监测信号进行接收，例如可通过结冰传感器得知道路结冰情况，及时减速慢行，降低行车安全隐患。
附图说明
图1为本发明所涉传感器节点结构示意图；
图2为本发明所涉传感器节点传输示意图；
图3为本发明的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统的结构示意图；
图4为图3中的环形压电换能器的结构平面示意图；
图5为图3中的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统集中一组安装于压板和底板后的结构示意图，该状态下上盖压紧弹簧和底壳。
图6为图3中的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统集中一组安装于压板和底板后的结构示意图，该状态下上盖与底壳处于分体状态。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1-6所示，本发明提供的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，包括瓦特级压电俘能装置1、传感模块2、控制模块和无线通信模块3，所述瓦特级压电俘能装置1通过开挖面层上部埋入道路路面中；所述瓦特级压电俘能装置1包括外部箱体5和发电机构两个部分，所述外部箱体5结构包括底壳6和上盖4，上盖4与露出在路面的承压件固定连接，使行经的车辆能够通过承压件向上盖4传递交通荷载，底壳6上开设有导线孔7，所述瓦特级压电俘能装置1的正负极导线通过导线孔7引出外部箱体5外，底壳6的上端围绕底壳6的内槽开设有多个弹簧安置孔8，弹簧安置孔8中设置有弹簧81，弹簧81上端顶在所述上盖4上，所述上盖4下侧面与底壳6的上端之间填充有机硅橡胶82；所述发电机构设置于外部箱体5内，发电机构包括传力杆9、传力圈10、发电盘11和能量储存单元12，所述发电盘11由固定外盘13和环形压电换能器14组成，所述固定外盘13架空环形压电换能器14以给予环形压电换能器14足够的振动空间，所述传力杆9上端与上盖4连接、下端穿过环形压电换能器14，所述传力圈10与环形压电换能器14紧密接触。
参照图3、图4所示，上述环形压电换能器14采用丝网印刷形成，环形压电换能器14由铜片基座15和环形压电陶瓷16通过环氧树脂胶粘合而成。
参照图1所示，上述传感模块2包括健康监测用温湿度传感器、应力应变传感器、结冰传感器和车辆动态称重传感器；所述控制模块采用MSP430f5529芯片；所述无线通信模块3采用ZigBee双向无线通信。
参照图3、图5、图6所示，所述上盖4下侧对应于所述弹簧安置孔8设置有导向管83，导向管83插入所述弹簧安置孔8中，所述弹簧81的上端进入导向管中下端与弹簧安置孔8底部抵触。所述瓦特级压电俘能装置1横向直线分布，所述多个瓦特级压电俘能装置1横向埋设于道路下方，多个瓦特级压电俘能装置1为一个组，一组瓦特级压电俘能装置1的底壳6共同固定于一块底板18上，同组瓦特级压电俘能装置1的左右均等分开设置，本实施例中一组瓦特级压电俘能装置1共有4个，左右各两个瓦特级压电俘能装置1，同侧的两个瓦特级压电俘能装置1紧贴分布，同组且紧邻的瓦特级压电俘能装置1的上盖4共同固定于一个压板17下侧，压板17与露出在路面的承压件固定连接，使行经的车辆能够通过承压件向压板17和上盖4传递交通荷载，左右分置的同组瓦特级压电俘能装置1之间集中设置所述传感模块、控制模块和无线通信模块，所述传感模块、控制模块和无线通信模块固定于所述底板18上。上述构造使瓦特级压电俘能装置1能够集中被压板17施压发电，并且集成在一个底板18上，实现集成设置，便于安装。
参照图2所示，左车道A和右车道B宽度均为3.75m，小轿车轴距为2.2-2.6m，为保证每辆车经过时都能作用到瓦特级压电俘能装置3上，每个车道布置一组瓦特级压电俘能装置1，每组瓦特级压电俘能装置1包括4个瓦特级压电俘能装置1并为一个传感器节点供电，设置50米的节点间距进行射频信号的多跳传输，所述传感器节点信号分段，分左右车道进入不同的汇聚节点进行管理，最后传输至交通管理中心。
参照图3所示，上述发电盘11分为四层，每层10个环形压电换能器14，共有40个环形压电换能器14，均为并联连接，根据车速和车重的不同，电压可达到十几伏特至几十伏特，电流可达到十几毫安至几十毫安，功率达到瓦特级别。
参照图1、图2所示，所述瓦特级压电俘能装置1配置有电压数据存储器，按电压输出规律来进行车流量统计。通过实测不同交通流量下的电压值，总结电压与流通流量的数据关系，从而通过不间断记录各时段的电压值统计交通流量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：包括瓦特级压电俘能装置、传感模块、控制模块和无线通信模块，所述瓦特级压电俘能装置通过开挖面层上部埋入道路路面中；所述瓦特级压电俘能装置包括外部箱体和发电机构两个部分，所述外部箱体结构包括底壳和上盖，底壳上开设有导线孔，所述瓦特级压电俘能装置的正负极导线通过导线孔引出外部箱体外，底壳的上端围绕底壳的内槽开设有多个弹簧安置孔，弹簧安置孔中设置有弹簧，弹簧上端顶在所述上盖上，所述上盖下侧面与底壳的上端之间填充有机硅橡胶；所述发电机构设置于外部箱体内，发电机构包括传力杆、传力圈、发电盘和能量储存单元，所述发电盘由固定外盘和环形压电换能器组成，所述传力杆上端与上盖连接、下端穿过环形压电换能器，所述传力圈与环形压电换能器紧密接触。
2.根据权利要求1所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述环形压电换能器采用丝网印刷形成，环形压电换能器由铜片基座和环形压电陶瓷通过环氧树脂胶粘合而成。
3.根据权利要求1所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述传感模块包括健康监测用温湿度传感器、应力应变传感器、结冰传感器和车辆动态称重传感器；所述控制模块采用MSP430f5529芯片；所述无线通信模块采用ZigBee双向无线通信。
4.根据权利要求1或2或3所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述上盖下侧对应于所述弹簧安置孔设置有导向管，导向管插入所述弹簧安置孔中，所述弹簧的上端进入导向管中下端与弹簧安置孔底部抵触。
5.根据权利要求4所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述瓦特级压电俘能装置横向直线分布，所述多个瓦特级压电俘能装置横向埋设于道路下方，多个瓦特级压电俘能装置为一个组，一组瓦特级压电俘能装置的底壳共同固定于一块底板上，同组瓦特级压电俘能装置的左右均等分开设置，同组且紧邻的瓦特级压电俘能装置的上盖共同固定于一个压板下侧，左右分置的同组瓦特级压电俘能装置之间集中设置所述传感模块、控制模块和无线通信模块，所述传感模块、控制模块和无线通信模块固定于所述底板上。
6.根据权利要求5所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：每个车道布置一组瓦特级压电俘能装置，每组瓦特级压电俘能装置包括4个瓦特级压电俘能装置并为一个传感器节点供电，设置50米的节点间距进行射频信号的多跳传输，所述传感器节点信号分段，分左右车道进入不同的汇聚节点进行管理，最后传输至交通管理中心。
7.根据权利要求1或2或3所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述固定外盘架空环形压电换能器以给予环形压电换能器足够的振动空间。
8.根据权利要求1或2或3所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述发电盘分为四层，每层10个环形压电换能器，共有40个环形压电换能器，均为并联连接，根据车速和车重的不同，电压可达到十几伏特至几十伏特，电流可达到十几毫安至几十毫安，功率达到瓦特级别。
9.根据权利要求4所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述发电盘分为四层，每层10个环形压电换能器，共有40个环形压电换能器，均为并联连接，根据车速和车重的不同，电压可达到十几伏特至几十伏特，电流可达到十几毫安至几十毫安，功率达到瓦特级别。
10.根据权利要求1或2或3所述的配置自供电瓦特级压电俘能装置的无线道路健康监测系统，其特征是：所述瓦特级压电俘能装置配置有电压数据存储器，按电压输出规律来进行车流量统计。
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GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200714

Assignee: Jiaxing Middle Road Construction Engineering Co.,Ltd.

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2023330000379

Denomination of invention: Wireless road health monitoring system equipped with self powered watt level piezoelectric energy capture devices

Granted publication date: 20220628

License type: Common License

Record date: 20230705

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200714

Assignee: Zhejiang Lvjian Testing Co.,Ltd.

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2023330000408

Denomination of invention: Wireless road health monitoring system equipped with self powered watt level piezoelectric energy capture devices

Granted publication date: 20220628

License type: Common License

Record date: 20230718

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract