CN203012944U - 远程振弦式传感器微功耗测读系统 - Google Patents

Abstract

一种远程振弦式传感器微功耗测读系统，包括前端采集器、中继器、集中器、手持式采集器、远程通信模块和数据计算机。所述前端采集器与振弦式传感器有线连接；所述数据计算机，用于向前端采集器发出采集命令，并接收来自前端采集器采集的振弦式传感器的频率参数；所述集中器与前端采集器无线连接，所述集中器与数据计算机分别通过远程通信模块连接；所述中继器，设于前端采集器与所述集中器之间，且分别与前端采集器与所述集中器无线连接；所述手持式采集器与前端采集器和集中器分别通过无线传输的方式连接。本实用新型可在施工期实时监测数据，完整的实现工程项目在施工期和使用期对施工对象进行数据监测的需要，而且安装灵活，移动方便、能耗低。

Description

远程振弦式传感器微功耗测读系统

技术领域

本实用新型涉及一种远程振弦式传感器微功耗测读系统。

背景技术

振弦式传感器是频率型传感器，它利用振弦的振动频率随其所受外力的改变而改变的特性，通过测量振弦的振动频率从而经换算得到相应的被测参数，可用来测量应变、位移、角度等多种工程量，因为该种传感器具有长期的稳定性、可靠性、耐久性、抗干扰能力强，接口简单以及便于自动化测量等优点，所以广泛应用于桥梁、建筑、矿厂、堤坝等工作环境恶劣而技术要求又很高的安全检测地点。

现有的振弦式传感器采集系统相关技术主要情况如下：

(1)振弦式传感器有线采集系统。目前广泛应用于工程项目的振弦式传感器采集系统主要是有线采集系统，其工作方法是在项目的现场设置一个或多个微型控制单元(MCU)，通过电缆将现场的振弦式传感器连接至MCU，再通过电缆传输至数据中心，该技术相对比较成熟，但是由于需要连接大量电缆，增加了安装工作量和成本；同时，由于电缆的存在，也加大了系统正常工作的维护成本。

(2)振弦式传感器无线采集系统。目前在安全监测的项目中使用的振弦式传感器无线采集系统，其主要工作方式还是采用点对点的无线工作方式，即还是将现场的传感器通过电缆与现场的MCU相连接，再通过电台、GPRS或CDMA等无线传输方式将数据传输至数据中心，这种工作方式与有线采集系统大同小异，依然需要在施工现场使用大量电缆，其缺点与有线振弦式传感器采集系统基本相同，同时此系统一般采用市电供电，能耗也比较明显。

(3)采用无线传感器网络技术组建的无线振弦式传感器采集系统。目前还未见此类系统实际应用在工程实践中，仅有提出将此类技术应用于振弦式应变采集系统的概念，即使如此，资料表明此系统并未解决安全监测项目在施工期对施工对象的监测问题，由于无线传感器网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，各节点虽然能与它的邻居进行多跳路由，由于在施工期中传感器的埋设工作是随着施工进度分段、分期、分批进行的，因此在工程施工期内，无线传感器网络的前端节点很难进行组网，也就无法通过无线传感器网络进行数据采集，这种无线振弦式传感器采集系统还是无法解决施工期对监测数据的实时监测要求。

总之，以上三种系统，除了各自自身存在的缺陷外，还都存在一个共同的问题，即：由于在工程施工期内监测项目是分段、分期、分批逐步开展的，这些系统都无法解决施工期对监测数据的实时要求，在施工期中，监测数据基本都只能靠测量人员每天多次去施工现场将读数仪与传感器连接后读取，由于施工现场较为复杂，传感器埋设的位置各不相同，因此，测量人员工作量极大，也存在一定风险。

实用新型内容

本实用新型提供一种远程振弦式传感器微功耗测读系统，解决了传统有线测量系统和其他类无线测量系统无法满足施工期内实时对监测数据进行自动化采集的要求，完整的实现了工程项目在施工期和使用期对施工对象进行数据监测的需要，而且安装灵活，移动方便、能耗低。

一种远程振弦式传感器微功耗测读系统，包括前端采集器、中继器、集中器、手持式采集器、远程通信模块和数据计算机，

所述前端采集器，与振弦式传感器有线连接，用于采集振弦式传感器的频率参数；

所述数据计算机，用于向前端采集器发出采集命令，并接收来自前端采集器采集的振弦式传感器的频率参数；

所述集中器，设置在所述前端采集器和所述数据计算机之间，所述集中器与前端采集器无线连接，所述集中器与数据计算机分别通过远程通信模块实现通信连接；

所述中继器，设于前端采集器与所述集中器之间，且分别与前端采集器与所述集中器无线连接；

所述手持式采集器与前端采集器和集中器分别通过无线传输的方式连接，所述手持式采集器用于在现场唤醒前端采集器并获取前端采集器采集的频率参数，并可通过USB接口与数据计算机连接，将获取的频率参数导入数据计算机。

如上所述的远程振弦式传感器微功耗测读系统，所述前端采集器包括电源模块、无线模块、处理模块及采集模块，电源模块分别与无线模块、处理模块及采集模块连接，用于给各个连接的模块供电。

如上所述的远程振弦式传感器微功耗测读系统，所述采集模块包括温度采集电路和频率采集电路，所述频率采集电路包括频率激振电路、通道切换电路、放大电路、滤波电路及整形电路，处理模块与温度采集电路、频率激振电路、整形电路连接，整形电路、滤波电路及放大电路依次连接，温度采集电路、频率激振电路和放大电路与通道切换电路连接。

本实用新型通过创新设计，创造性的将抄表测读的概念引入到振弦式传感器采集系统，解决了现有振弦式传感器采集系统在施工期及使用期中存在的问题。

(1)本实用新型运用成熟可靠的振弦式传感器测量方法，采用无线网络传输数据，由于无线传感器网络是一个对等式网络和动态的网络，节点可以随时加入或离开网络，网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，因此系统具有很强的抗毁性，可自组织。因此本实用新型是融合成熟传感器技术运用无线传感器网络技术的远程振弦式传感器微功耗测读系统。

(2)本实用新型采用低功耗设计，系统整体功耗极低，解决了施工期施工现场较难敷设电缆的问题，采用密封防水保护，系统性能稳定，安装灵活，移动方便，应用范围广，既可作为施工期临时使用，也可在施工期结束后长期使用。

(3)本实用新型通过手持式采集器很好的解决了传统有线测量系统和其他类无线测量系统无法完成施工期对监测数据的要求，完整的实现了工程项目在施工期和使用期对施工对象进行数据监测的需要。

附图说明

图1是本实用新型远程振弦式传感器微功耗测读系统的结构示意图；

图2是本实用新型中前端采集器的部分结构示意图。

图中：1-前端采集器，2-中继器，2-1-电源模块，2-2-无线模块，2-3-微功耗单片机，3-集中器，3-1-电源模块，3-2-无线模块，3-3-微功耗单片机，3-4-通信接口，4-手持式采集器，4-1-电源模块，4-2-无线模块，4-3-工业级PDA，4-4USB接口，5-远程通信模块，6-数据计算机，7-振弦式传感器，8-电源模块，9-无线模块，10-处理模块，11-采集模块，11-1-温度采集电路，11-2-频率激振电路，11-3-通道切换电路，11-4-放大电路，11-5-滤波电路，11-6-整形电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本实用新型远程振弦式传感器微功耗测读系统其中一个实施例包括前端采集器1、中继器2、集中器3、手持式采集器4、远程通信模块5和数据计算机6。

所述前端采集器1，与振弦式传感器7有线连接，用于采集振弦式传感器7的频率参数；

所述数据计算机6，用于向前端采集器1发出采集命令，并接收来自前端采集器1采集的振弦式传感器7的频率参数；

所述集中器3，设置在所述前端采集器1和所述数据计算机6之间，所述集中器3与前端采集器1无线连接，所述集中器3与数据计算机6分别通过远程通信模块5实现通信连接。具体的，与所述集中器3及所述数据计算机6分别连接的远程通信模块5可通过电台、GPRS/CDMA、卫星、光纤或有线等多种通信方式，实现所述集中器3与所述数据计算机6之间的数据交换。所述集中器3用于接收数据计算机6发出的采集命令，并转发给前端采集器1；同时还用于接收来自前端采集器1的频率参数并通过远程通信模块5传送给数据计算机6。

所述中继器2，设于前端采集器1与所述集中器3之间，且分别与前端采集器1与所述集中器3无线连接，用于根据集中器3的指令转发采集命令和采集的频率参数。当集中器3无法接收距离较远的前端采集器1采集的频率参数时，则可通过相关中继器2转发采集命令和采集的频率参数，中继器2可以通过多级连接，以满足网络内远距离数据传输的需要。

所述手持式采集器4与前端采集器1和集中器3分别通过无线传输的方式连接，所述手持式采集器4可直接在现场唤醒前端采集器1并获取前端采集器1采集的频率参数，并可通过USB接口与数据计算机6连接，将获取的频率参数导入数据计算机6。

所述前端采集器1包括电源模块8、无线模块9、处理模块10及采集模块11，电源模块8分别与无线模块9、处理模块10及采集模块11连接，用于给各个连接的模块供电。本实施例中电源模块8由普通AA电池或锂电池及电源管理电路组成。无线模块9采用超窄带和跳频扩频技术，具有高灵敏度，穿透能力强，跳频扩频，抗同频干扰能力强等特点，有效保证通信距离和可靠性。

采集模块11与振弦式传感器7连接，用于采集振弦式传感器7的数据；处理模块10包括微功耗单片机、系统时钟、总线、存储器、UART接口等。

请一并参考图2，所述采集模块11包括温度采集电路11-1和频率采集电路，所述频率采集电路包括频率激振电路11-2、通道切换电路11-3、放大电路11-4、滤波电路11-5及整形电路11-6，处理模块10与温度采集电路11-1、频率激振电路11-2、整形电路11-6连接，整形电路11-6、滤波电路11-5及放大电路11-4依次连接，温度采集电路11-1、频率激振电路11-2和放大电路11-4与通道切换电路11-3连接。

处理模块10中的微功耗单片机发出采集信号，通过频率激振电路11-2转换为激励信号，由通道切换电路11-3选择将激励信号传输到与采集模块11连接的振弦式传感器7，振弦式传感器在激励信号的作用下发生振荡并产生微弱响应，响应信号再通过通道切换电路11-3传回给放大电路11-4，放大电路11-4将传回的响应信号放大后传输给滤波电路11-5，经过滤波电路11-5滤波，去除杂波和干扰，然后输入整形电路11-6转换为适合单片机识别的方波信号，最后输入单片机的计数器，得到振弦式传感器7的频率参数；温度采集电路11-1由高精度定时器、热敏电阻(振弦式传感器7内)、电容构成的单稳态触发器组成，利用单片机的定时器及输入捕获功能，通过精确测量脉冲宽度，准确计算出振弦式传感器7内热敏电阻的阻值(即振弦式传感器7内温度芯片的温度值)，从而对测得的振弦式传感器7的频率参数进行精确的修正。

所述中继器2包括电源模块2-1、无线模块2-2、微功耗单片机2-3，所述集中器3包括电源模块3-1、无线模块3-2、微功耗单片机3-3、通信接口3-4，所述手持式采集器4包括电源模块4-1、无线模块4-2、工业级PDA 4-3、USB接口4-4。所述手持式采集器4采用Win CE 6.0系统，可对前端采集器1、集中器2进行无线设置和数据采集并存储；存储在手持式采集器4的数据通过USB接口转存到数据计算机6供整理和分析；数据计算机6配备了多种通信接口，可与集中器3、手持式采集器1进行数据交换，用于进行数据存储和数据分析。通信接口3-4与靠近集中器3侧的远程通信模块5通过电缆连接。

在施工期时，将前端采集器1安装在施工过程中埋设的振弦式传感器7附近，前端采集器1将按照设置的程序，自动完成监测数据在采集和存储。在此期间，相关人员在施工现场，无需将传感器与读数仪连接，可直接通过手持式采集器4，远距离(500米以上)即可完成对施工期埋设的振弦传感器7的数据采集，并可通过USB接口将数据保存到数据计算机6，以便进行数据分析和整理。施工期结束进入使用期后，由前端采集器1采集的数据可通过中继器2、集中器3，采用电台、卫星、GPRS/CDMA模块、光纤或有线等多种通信方式，将数据发送到数据计算机6，实现监测数据的远程传输与采集。

本实用新型的系统采用休眠、定时工作方式，定时方式又分为间歇式和定时两种：

间歇式唤醒模式：前端采集器、集中器空闲时采用休眠模式，当进入间歇式唤醒周期，自动查询有无手持式采集器请求命令，有则按命令类型执行，无则再次进入休眠模式。

定时唤醒模式：前端采集器、中继器和集中器空闲时采用休眠模式，到特定时间(2、4、8、12、24小时，该时间周期可根据用户需要设置)时自动唤醒，唤醒后完成采集模块上电、数据采集，数据存储、参数设置和数据传输等工作。

采用这种工作方式，可同时实现系统低功耗和测读响应速度快的系统特性。

本实用新型系统采用微功耗设计理念，整个系统(除数据计算机外)全部使用电池供电，大大简化了系统安装的工作量，节约了电缆和敷设电缆的费用，根据需要，集中器在施工期结束后，也可采用市电冗余。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种远程振弦式传感器微功耗测读系统，其特征在于：包括前端采集器(1)、中继器(2)、集中器(3)、手持式采集器(4)、远程通信模块(5)和数据计算机(6)，

所述前端采集器(1)，与振弦式传感器(7)有线连接，用于采集振弦式传感器(7)的频率参数；

所述数据计算机(6)，用于向前端采集器(1)发出采集命令，并接收来自前端采集器(1)采集的振弦式传感器(7)的频率参数；

所述集中器(3)，设置在所述前端采集器(1)和所述数据计算机(6)之间，所述集中器(3)与前端采集器(1)无线连接，所述集中器(3)与数据计算机(6)分别通过远程通信模块(5)实现通信连接；

所述中继器(2)，设于前端采集器(1)与所述集中器(3)之间，且分别与前端采集器(1)和所述集中器(3)无线连接；

所述手持式采集器(4)与前端采集器(1)和集中器(3)分别通过无线传输的方式连接，所述手持式采集器(4)用于在现场唤醒前端采集器(1)并获取前端采集器(1)采集的频率参数，并可通过USB接口与数据计算机(6)连接，将获取的频率参数导入数据计算机(6)。

2.如权利要求1所述的远程振弦式传感器微功耗测读系统，其特征在于：所述前端采集器(1)包括电源模块(8)、无线模块(9)、处理模块(10)及采集模块(11)，电源模块(8)分别与无线模块(9)、处理模块(10)及采集模块(11)连接，用于给各个连接的模块供电。

3.如权利要求2所述的远程振弦式传感器微功耗测读系统，其特征在于：所述采集模块(11)包括温度采集电路(11-1)和频率采集电路，所述频率采集电路包括频率激振电路(11-2)、通道切换电路(11-3)、放大电路(11-4)、滤波电路(11-5)及整形电路(11-6)，处理模块(10)与温度采集电路(11-1)、频率激振电路(11-2)、整形电路(11-6)连接，整形电路(11-6)、滤波电路(11-5)及放大电路(11-4)依次连接，温度采集电路(11-1)、频率激振电路(11-2)和放大电路(11-4)与通道切换电路(11-3)连接。

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