CN112857318A - 一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法 - Google Patents

一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及倾角传感器领域，为一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法，供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，太阳能充电单元的输出端与锂电池电连接，充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；MCU包括STM32L051C6T6单片机，STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与倾角传感SCL3300芯片通信连接。通过太阳能供电节能环保，采用无线传输及太阳能加锂电池的供电方式解决了常规安装时无法布线的问题，接收机也使用电池供电，真正意义做到全无线，安装方式便携多样。采用载波侦听空中唤醒技术实现网关在有数据时唤醒并处理数据，无数据时自动休眠，实现基站部分的低功耗。

Description

一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法
技术领域
本发明涉及倾角传感器技术领域，具体涉及一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法。
背景技术
桥梁作为交通中重要一环，在发展经济的过程中起着非常重要的作用。但是桥梁在使用过程中，会因为老化或者不可预见因素导致性能下降或质量隐患，严重的会发生坍塌事故。为了确保桥梁使用过程的安全，应对桥梁的承载能力进行定期检测评估或对桥梁的重要参数进行长期的实时监测。
桥梁的水平测量是一个重要的指标，桥梁只有保持精准水平才能避免因角度偏移造成倾斜坍塌等经济损失。传统桥梁的角度测量有方向观测法、全组合测角法等，测量点之间采用有线连接，走线极为困难。另一方面，若采用无线传感器采集数据，无线式桥梁测量系统包括桥梁挠度、应力应变、固有频率、倾角等参数，数据采用无线方式传输，而常规无线传感器网络传感部分采用电池供电，但在网关部分采用常规供电。
发明内容
本发明提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，解决了以上所述的倾角传感器耗电严重的技术问题。
本发明为解决上述技术问题提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，包括倾角传感SCL3300芯片，包括供电模块、射频模块及MCU；
所述供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，所述太阳能充电单元的输出端与所述锂电池电连接，所述充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；
所述射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；
所述MCU包括STM32L051C6T6单片机，所述STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与所述倾角传感SCL3300芯片通信连接，且通过IO口给所述倾角传感SCL3300芯片供电。
优选地，所述供电模块还包括电压检测单元，所述电压检测单元包括SGM2554AYN5G/TR芯片，所述SGM2554AYN5G/TR芯片的VIN输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接。
优选地，所述太阳能充电单元包括MPPT控制电路，所述MPPT控制电路包括CN3065芯片，所述CN3065芯片的电源输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接，所述CN3065芯片的电源输出端与所述锂电池电连接。
优选地，所述充电选择开关单元包括一次性锂电池供电选择电路及太阳能供电选择电路；
所述一次性锂电池供电选择电路包括SGM2554AYN5G/TR芯片，该芯片的电源输入端与锂电池连接，输出端与射频模块供电端电连接；
太阳能供电选择电路包括RT9013-33GB芯片，该芯片的电源输入端与太阳能充电单元的输出端电连接，输出端与射频模块供电端电连接。
优选地，所述STM32L051C6T6单片机的PA4引脚、PA5引脚、PA6引脚及PA7引脚分别与所述倾角传感SCL3300芯片的CSB引脚、SCK引脚、MISO引脚及MOSI引脚电连接。
优选地，所述STM32L051C6T6单片机的PB0引脚与所述倾角传感SCL3300芯片的VDD引脚电连接。
优选地，所述射频模块包括E22-400M22S芯片及SX1268 LoRa芯片，所述E22-400M22S芯片的输入端与所述STM32L051C6T6单片机通过SPI总线连接，所述E22-400M22S芯片的DIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚分别与SX1268 LoRa芯片的GPIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚电连接。
本发明还提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器的检测方法，采用高速HSI和低速率LSE时钟配合的方式，以实现MCU本身的高速运行和低速待机；
采用sleep->wake up->sleep->wake up的循环间歇工作方式控制电源间歇供电，以进一步控制传感器SCL3300芯片的信号采集。
有益效果：本发明提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，包括倾角传感SCL3300芯片，包括供电模块、射频模块及MCU；供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，太阳能充电单元的输出端与锂电池电连接，充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；MCU包括STM32L051C6T6单片机，STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与倾角传感SCL3300芯片通信连接，且通过串口给倾角传感SCL3300芯片供电。通过太阳能供电节能环保，采用无线传输及太阳能加锂电池的供电方式解决了常规安装时无法布线的问题，接收机也使用电池供电，真正意义做到全无线，安装方式便携多样。程序设计上采用sleep->wake up->sleep->wake up的循环间歇工作方式，再配合独立的外设电源控制，使本系统完整工作时待机功耗也低于2uA，大大延长了电池供电系统的使用时长。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的MCU电路图；
图2为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的倾角传感器电路连接图；
图3为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的射频模块电路连接图；
图4为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的MPPT控制电路图；
图5为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的充电选择开关单元电路图；
图6为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的太阳能充电开关电路图；
图7为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的锂电池电压检测电路图；
图8为本发明桥梁倾斜及动态参数监测传感器及检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图5所示，本发明提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，包括倾角传感SCL3300芯片，包括供电模块、射频模块及MCU；供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，太阳能充电单元的输出端与锂电池电连接，充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；MCU包括STM32L051C6T6单片机，STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与倾角传感SCL3300芯片通信连接，且通过串口给倾角传感SCL3300芯片供电。通过太阳能供电节能环保，采用无线传输及太阳能加锂电池的供电方式解决了常规安装时无法布线的问题，接收机也使用电池供电，真正意义做到全无线，安装方式便携多样。
网关以载波侦听方式与传感器配合实现接收机的低功耗，传统网关射频模块长期处于接收模式，将消耗大量能量，故难以实现网关部分的低功耗，本设计采用载波侦听空中唤醒技术实现网关在有数据时唤醒并处理数据，无数据时自动休眠，实现基站部分的低功耗。
整个设计硬件上降低功耗的整体思路为：使用某部分功能就开启某部分电源，不使用就关闭。各个模块的电源供电方式包括太阳能充电单元直接供电、锂电池供电及通过MCU输出供电。
电源直接采用电池供电，从根源上减少了多次谐波干扰，电源输入采用π型滤波器，减小电源干扰，数字地与模拟地采用磁珠分离，减小地串扰。
数据处理上采用FIR数字滤波器，采用matlab实时FFT(快速傅立叶变换)分析原始数据特点，针对性的优化得到窗函数，得到更适合本采样系统的滤波器，优于滑窗等其他常规滤波器的噪声控制和频率响应。
其中，倾角传感SCL3300芯片实现倾角及振动的感知传感，将倾角和振动数据转换为数字信号，并通过SPI总线传输到MCU。倾角精度可达±0.01°。STM32L051C6T6单片机的PB0引脚与所述倾角传感SCL3300芯片的VDD引脚电连接。
通过MCU来进行供电以降低功耗：采用STM32L051C6T6单片机的GPIO_18给传感器供电，程序设置需要使用时就拉高IO，不需要使用时就释放IO，以进一步减少传感器耗电。
如图3所示，射频部分实现传感器数据的无线传输。采用SPI接口与MCU实现数据通讯。单片机GPIO_21与U4 PIN3链接，实现射频供电控制，不使用射频功能时则关闭电源。具体地，射频模块包括E22-400M22S芯片及SX1268 LoRa芯片，所述E22-400M22S芯片的输入端与所述STM32L051C6T6单片机通过SPI总线连接，所述E22-400M22S芯片的DIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚分别与SX1268 LoRa芯片的GPIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚电连接。采用Lora扩频技术实现数据传输，解决传感器无法布线问题，更低功耗更远传输距离，配合载波侦听技术以使网关接收端实现低功耗。无线发射和接收部分采用空中唤醒技术，优化了唤醒参数，使发射与接收功耗更加平衡，避免了发射或者接收一端电量很快耗尽的情况。
优选的方案，所述供电模块还包括电压检测单元，所述电压检测单元包括SGM2554AYN5G/TR芯片，所述SGM2554AYN5G/TR芯片的VIN输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接。该芯片用于实时监测充电锂电池的电压。
如图4所示，优选的方案，所述太阳能充电单元包括MPPT控制电路，所述MPPT控制电路包括CN3065芯片，所述CN3065芯片的电源输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接，所述CN3065芯片的电源输出端与所述锂电池电连接。采用MPPT控制电路，对于接入的太阳能电池板实现动态MPPT控制，保证太阳能输出达到最大功率点，以提高太阳能充电效率。并提供电池过热保护功能，R7为贴于锂电池上的热敏电阻。PIN5为锂电池即充电锂电池接入端。PIN4为太阳能电池板正极接入端。N3065是专门为利用太阳能板等输出电流能力有限的输入电压源对单节锂电池进行充电管理的芯片。
如图5所示，优选的方案，充电选择开关单元包括一次性锂电池供电选择电路及太阳能供电选择电路；
所述一次性锂电池供电选择电路包括SGM2554AYN5G/TR芯片，该芯片的电源输入端与锂电池连接，输出端与射频模块供电端电连接；
太阳能供电选择电路包括RT9013-33GB芯片，该芯片的电源输入端与太阳能充电单元的输出端电连接，输出端与射频模块供电端电连接。
当长时间太阳能无法充电，传感器将尝试用一次性锂电池给射频供电，以维持设备使用，但是电池寿命会减短。当需要开启外设时才开启，其与时间关闭，以达到低功耗设计目的，通过使能引脚来控制开关选择。其中，选择电路中的EN引脚与单片机的连接，通过单片机来控制选择电路中的各个芯片使能。
优选的方案，如图6所示，U9为总线电源开关，功能模块为锂电池充电输入开关，防止锂电池电源反灌到太阳能充电控制功能模块中，相比于二极管防反灌系统本设计具有正向压降低于50MV并可限流的优点。
优选的方案，如图7所示，U5系统为锂电池电压检测系统，为避免分压电阻R16和R17发持续消耗电能，故使用总线开关方式控制分压检测电源，检测时开启，其余时间关闭。
有益效果：本发明提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，包括倾角传感SCL3300芯片，包括供电模块、射频模块及MCU；供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，太阳能充电单元的输出端与锂电池电连接，充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；MCU包括STM32L051C6T6单片机，STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与倾角传感SCL3300芯片通信连接，且通过串口给倾角传感SCL3300芯片供电。通过太阳能供电节能环保，采用无线传输及太阳能加锂电池的供电方式解决了常规安装时无法布线的问题，接收机也使用电池供电，真正意义做到全无线，安装方式便携多样。程序设计上采用sleep->wake up->sleep->wake up的循环间歇工作方式，再配合独立的外设电源控制，使本系统完整工作时待机功耗也低于2uA，大大延长了电池供电系统的使用时长。
如图8所示，本发明还提供了一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器的检测方法，采用高速HSI和低速率LSE时钟配合的方式，以实现MCU本身的高速运行和低速待机；
采用sleep(休眠)->wake up(唤醒)->sleep(休眠)->wake up(唤醒)的循环间歇工作方式控制电源间歇供电，以进一步控制传感器SCL3300芯片的信号采集。
MCU为整个系统核心，实现的功能有传感器采集处理，经MCU得到的数据。有FFT频点、幅值和倾角数据，数据传输，各外设及自身功耗控制。
特点：选型即选用超低功耗单片机，待机<2uA,硬件设计上采用高速HSI和低速率LSE时钟配合的方式，以实现mcu本身的高速运行和低速待机，程序设计上采用sleep->wakeup->sleep->wake up的循环间歇工作方式，再配合独立的外设电源控制，使本系统完整工作时待机功耗也低于2uA，大大延长了电池供电系统的使用时长。
具体地：先初始化MCU及外设，然后进入sleep休眠模式，RTC30S定时唤醒，若没有唤醒则继续sleep，若唤醒，则开启SCL3300的供电电源给其供电，MCU通过SPI读取倾角和加速度值数据，在MCU内倾角FIR滤波和加速度FFT变换，然后关闭SCI3300电源，开启SX1268射频电源，初始化射频参数+CAD唤醒+发送数据至基站，然后关闭射频电源，关闭高速时钟，关闭所有外设，所有IO浮空，达到低功耗状态，最后进入sleep模式后继续循环上述步骤。
有益效果：实现了高精度的倾斜及振动检测。多传感器联合解算，实现区域及整体倾斜、振动监测，达到更准确的分析定位。采用无线传输及太阳能+电池的供电方式解决了常规安装时无法布线的问题。接收机也使用电池供电，真正意义做到全无线，安装方式便携多样。分布式传感器均预先处理数据，降低了平台的数据处理压力。将倾角和FFT结合，动态及静态状态能同时反应。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器，包括倾角传感SCL3300芯片，其特征在于，还包括供电模块、射频模块及MCU；
所述供电模块包括太阳能充电单元、充电选择开关单元及用于给传感器供电的锂电池，所述太阳能充电单元的输出端与所述锂电池电连接，所述充电选择开关单元用于单一选择太阳能充电单元或锂电池给射频模块供电；
所述射频模块用于使MCU与外界进行无线通信；
所述MCU包括STM32L051C6T6单片机，所述STM32L051C6T6单片机通过SPI总线与所述倾角传感SCL3300芯片通信连接，且通过IO口给所述倾角传感SCL3300芯片供电。
2.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述供电模块还包括电压检测单元，所述电压检测单元包括SGM2554AYN5G/TR芯片，所述SGM2554AYN5G/TR芯片的VIN输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接。
3.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述太阳能充电单元包括MPPT控制电路，所述MPPT控制电路包括CN3065芯片，所述CN3065芯片的电源输入端与所述太阳能充电单元的输出端电连接，所述CN3065芯片的电源输出端与所述锂电池电连接。
4.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述充电选择开关单元包括一次性锂电池供电选择电路及太阳能供电选择电路；
所述一次性锂电池供电选择电路包括SGM2554AYN5G/TR芯片，该芯片的电源输入端与锂电池连接，输出端与射频模块供电端电连接；
太阳能供电选择电路包括RT9013-33GB芯片，该芯片的电源输入端与太阳能充电单元的输出端电连接，输出端与射频模块供电端电连接。
5.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述STM32L051C6T6单片机的PA4引脚、PA5引脚、PA6引脚及PA7引脚分别与所述倾角传感SCL3300芯片的CSB引脚、SCK引脚、MISO引脚及MOSI引脚电连接。
6.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述STM32L051C6T6单片机的PB0引脚与所述倾角传感SCL3300芯片的VDD引脚电连接。
7.根据权利要求1所述的桥梁倾斜及动态参数监测传感器，其特征在于，所述射频模块包括E22-400M22S芯片及SX1268 LoRa芯片，所述E22-400M22S芯片的输入端与所述STM32L051C6T6单片机通过SPI总线连接，所述E22-400M22S芯片的DIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚分别与SX1268 LoRa芯片的GPIO2引脚、TXEN引脚及RXEN引脚电连接。
8.一种桥梁倾斜及动态参数监测传感器的检测方法，其特征在于：
采用高速HSI和低速率LSE时钟配合的方式，以实现MCU本身的高速运行和低速待机；
采用sleep->wake up->sleep->wake up的循环间歇工作方式控制电源间歇供电，以进一步控制传感器SCL3300芯片的信号采集。
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