CN210513003U - 基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，包括多个数据采集节点、一个协调器节点和一台计算机，数据采集节点分为应变采集节点和位移采集节点，部分数据采集节点具有路由功能。ZigBee网络采用树状结构，数据采集节点经过无线直接或路由与协调器节点通信。协调器节点即可以通过USB与计算机连接上传数据，也可以作为手持显示终端单独使用。系统通过对综合管廊内管道垂直方向变形和管道支架垂直受力变形的监测，可以确定综合管廊局部沉降程度以及管道的受力情况。通过对综合管廊节与节变形缝之间局部沉降位移、水平位移、轴向位移的监测，可以判断综合管廊结构不均匀变形。系统和数据采集节点采用了多项低功耗设计，使用电池供电。

Description

基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及综合管廊监测技术领域，尤其是基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统。

背景技术

近年来，随着城市化建设的快速发展，城市的规模不断扩大，同时需要不断地开展基础设施和公共设施的建设与完善，其中综合管廊的建设得到快速发展，国家、地方相继出台了大量政策支持综合管廊的建设。与以往管线埋设方式不同，综合管廊是建设的专用地下城市管道综合走廊，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。综合管廊建设极大方便了市政管线设施的检查、维护、保养和维修，虽然一次性投资高于管线独立铺设的成本，但是降低了路面多次翻修的费用和工程管线的维修费用，也避免由于敷设和维修地下管线频繁挖掘道路而对交通和居民出行造成影响，保证路面的完整性和耐久性。

综合管廊工程一般情况下采用整体现浇钢筋混凝土结构形式或预制钢筋混凝土拼接方法进行施工，在具体建设过程中往往需要设置变形缝，并且尽可能增加每节箱涵的长度，减少变形缝的数量。在管廊节与节变形缝之间通常采用橡胶和双组份聚硫密封膏加聚乙烯低发泡填缝，确保变形缝的密封性能，防止出现渗漏。

综合管廊所处位置的地质环境地质条件的不同，包括土质类型、土质性能、土质状态、水分含量等多种因素，在环境荷载作用下可能会出现不均匀局部沉降、水平位移、轴向位移等结构不均匀变形。这些问题不仅会使变形缝开裂渗漏，严重削弱混凝土管廊的适用性和耐久性，还会对管廊内的各类管道产生附加应力和变形而造成不良影响。针对这些问题应该做到及时发现及时处理，避免问题的扩大而造成不必要的损失。

目前综合管廊监测系统主要是对环境参数和火灾进行监测，监测的环境参数主要包括环境温湿度、含氧量、硫化氢浓度、甲烷浓度等，火灾监测主要是通过烟雾检测来实现，监测系统多采用分散式数据采集系统，采用有线传输方式。针对综合管廊结构参数的监测，主要参数是管廊节与节之间由于局部沉降引起的变形缝错位位移，多采用非电子测量的方法，这种方法一般是人工检测，实时性差、浪费人力物力。也有用电子测量系统对结构变形缝错位和位移进行监测，系统采用分散式数据采集有线数据传输方式，这种方式施工安装复杂，系统成本和人工成本较高。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型的目的是提供基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，通过数据采集节点对综合管廊内的钢制管道变形和管道支架受力变形参数的检测，通过对综合管廊节与节变形缝之间位移参数的检测，并将这些参数经过ZigBee无线传感器网络传输到协调器和计算机进行监测，确定综合管廊结构健康状况，以及重要管路的运行状态。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，采用ZigBee无线传感器网络传输数据，网络采用树状结构；系统包括多个传感器和数据采集节点、一个协调器节点和一台计算机，数据采集节点分为应变采集节点和位移采集节点；所述数据采集节点一部分具有路由功能，在无线通信范围内数据采集节点与协调器节点可以直接无线连接通信，超过通讯范围的可以通过其它数据采集节点路由与协调器连接通信；所述协调器节点可以通过USB与计算机连接，将采集的应变和位移数据传输到计算机；所述协调器节点也可以作为手持显示终端单独使用；所述协调器节点和计算机屏幕上都能监测上传的位移和应变参数，系统组成如图1。

进一步的，所述应变采集节点应变检测采用电阻应变片传感器。

进一步的，所述位移采集节点位移检测采用的是拉绳电位器位移传感器。

进一步的，所述电阻应变片传感器对综合管廊内的钢制管道变形和管道支架受力变形的检测，将管道变形和支架受力变形转换成应变片电阻的变化；所述位移传感器对综合管廊节与节变形缝之间位移的检测，将位移量转换成电位器电阻变化。

进一步的，所述数据采集节点采用低功耗设计，由电池供电可长时间工作；所述协调器节点采用电池供电，协调器节点也可由计算机通过USB接口供电。

进一步的，所述应变采集节点组成框图如图2所示，应变采集节点为4通道应变数据采集，包括4路应变变换单元、微处理器单元、天线匹配单元、电源电子开关单元、3.3V电源单元和电池单元；所述微处理器单元采用CC2530；所述应变变换单元将电阻应变片全桥电路输出的电压变换成标准的电压信号，再由CC2530内部集成AD转换器转换成数字量，并经过处理保存在内部flash中；所述微处理器可以将这些数据由天线匹配单元无线传输到协调器节点；所述应变采集节点由电池单元供电；所述3.3V电源单元给微处理器单元提供稳定电压；所述电源电子开关单元由微处理器单元控制，只在数据采集时接通应变变换单元和应变片传感器全桥电路电源。

进一步的，所述位移采集节点组成框图如图3所示，位移采集节点为3通道位移数据采集，包括3路位移变换单元、微处理器单元、天线匹配单元、电源电子开关单元、3.3V电源单元和电池单元；所述微处理器单元采用CC2530；所述位移变换单元将位移传感器电位器输出的电压变换成标准的电压信号，再由CC2530内部集成AD转换器转换成数字量并经过处理保存在内部flash中；所述微处理器可以将这些数据由天线匹配单元无线传输到协调器节点；所述位移采集节点由电池单元供电；所述3.3V电源单元给微处理器单元提供稳定电压；所述电源电子开关单元由微处理器单元控制，只在数据采集时接通位移变换单元和位移传感器电源。

进一步的，所述协调器节点组成框图如图4所示，包括微处理器单元、TFT彩色显示单元、数据存储单元、天线匹配单元、键盘单元、USB接口单元、电源单元、电池单元；所述微处理器单元采用CC2531；所述微处理器单元通过天线匹配单元无线接收各个采集节点采集的应变、位移数据并存储到数据存储单元；所述TFT彩色显示单元可显示应变、位移数据当前值和历史值、变化趋势线，个采集点应变、位移数据变化量超过一定数值时会在TFT彩色显示单元提醒显示；所述键盘单元可以设置工作参量和控制工作方式；所述微处理器单元可以通过USB接口单元与计算机连接，将个采集点的数据上传；所述协调器节点由电池单元供电，也可由计算机通过USB接口供电；所述电源单元提供稳定的电压供各单元使用，检测的电池电量可在TFT彩色显示单元上显示，亏电时可以通过外接充电电源对电池单元充电。

进一步的，所述计算机在网络连通时可以通过USB接口接收各个采集节点采集的应变、位移数据，并实现数据处理、显示、存储和分析。

进一步的，所述基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，为节省电能在协调器节点不需要上传数据时，整个网络处于断网状态，此时数据采集节点不工作时是处于休眠状态，当需要定时采集数据时被唤醒切换至工作状态采集和存储数据，之后再次进入休眠状态。当协调器节点需要上传监测数据时，才唤醒各数据采集节点重新组织成网络。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的数据采集节点可以完成信号变送、数据采集和数据无线传输，系统和节点结构简单、造价低廉、性能稳定，具有较高的性价比。

(2)本实用新型采用ZigBee无线传感器网络，不需要铺设信号线，大大的减少了人员的工作强度和工作量，降低了人工成本。

(3)本实用新型采用ZigBee无线传感器网络，消除和减少了传输线的共模和差模干扰，提高了信号的传输质量。

(4)本实用新型采用分散式数据采集无线传输，使系统具有很好的可维护性。

(5)本实用新型的数据采集节点采用低功耗设计，具有极低的运行功耗，由电池供电，无需AC220V电源即可长期工作。

(6)本实用新型除了通过采集综合管廊节与节变形缝之间位移参数来判断结构的变形，还通过采集综合管廊内的管道变形和管道支架受力变形参数综合判断结构沉降，同时判定重要管道所受应力情况。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成示意图；

图2为本实用新型的应变采集节点组成框图；

图3为本实用新型的位移采集节点组成框图；

图4为本实用新型的协调器节点组成框图；

图5为本实用新型的应变采集节点电路图；

图6为本实用新型的位移采集节点电路图；

图7为本实用新型的协调器节点电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的说明。

本实施方式中，由于综合管廊内钢制管道具有一定的刚性，不能完全跟随综合管廊局部沉降等结构变形，因此管廊的沉降变形必然会改变管道支架的受力情况，甚至一些支架会出现悬空现象。通过对管道垂直方向变形和管道支架垂直方向受力参数变化情况的检测分析，可以判断综合管廊局部沉降程度以及管道的应力变化情况。综合管廊内的管道变形检测是通过粘贴在管道外壁上的应变传感器实现的，在需检测的位置上下一组组成应变全桥电路，检测垂直方向的变形，两侧一组组成应变全桥电路，检测水平方向上的变形。管道支架受力变形参数的检测是通过粘贴在管道支架上的应变传感器实现的，主要是通过检测管道支架变形，确定垂直方向作用在管道支架上的受力情况。

本实施方式中，应变采集节点应变传感器选用金属电阻式应变片，为了提高稳定性和输出灵敏度以及减小功耗，选用高电阻应变片，型号BF1K-3AA；电阻值(R)：1002±0.1Ω；灵敏系数：2.0±1％。

本实施方式中，应变采集节点电路图如图5所示，其中4组应变全桥电源采用超低功耗串联型电压基准，型号是MAX6129，静态电流只有5.25uA。应变片全桥电路输出接入应变采集节点的应变变换单元电路变换成标准的电压信号，应变变换单元电路采用的是单电源微功耗精密仪表放大器INA333作为放大变换电路，根据测量对象不同配置成500和1000两种增益。作为采集和控制的核心，微处理器单元电路采用TI公司开发的ZigBee的专用控制芯片CC2530，CC2530内部集成了8051内核单片机系统和2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee标准的无线射频收发系统，它是一款8位高性能的低功耗微处理器，具有五种不同的运行供电模式，在睡眠状态具有极低的功耗。CC2530内部集成8路输入可配置分辨率的12位ADC，转换精度对于本系统采集的应变量满足要求。其内部集成的超低功耗的SRAM、非易失性程序存储器，除了保存程序代码，这里还用以保存采集的应变数据。CC2530通过天线匹配单元电路连接到射频天线，实现无线收发。电源电子开关单元电路主开关采用P沟道MOS场效应管，只有在数据采集时才接通应变全桥电路和变换单元电路电源。节点内部电源单元电路采用低压差低功耗线性电源电路HT7333，静态电流只有4uA，将电池电压变换成+3.3V电压供CC2530单元电路使用。由于应变采集节点采用的是低功耗设计，因此应变采集节点使用电池供电，不具备路由功能的应变量量采集节点采用的是高能LR6AA1.5V电池，电池容量为2000mAH，3节串联放置在电池盒中。具有路由功能的应变量采集节点由于组网时不能进入休眠状，采用的是18650型4.2V锂电池，3节并联容量为6600mAH。

本实施方式中，位移采集节点位移检测可采用导电塑料电位器自恢复位拉绳位移传感器，型号为WPS-S；线性精度：(精密型)0.05％～0.08％FS；重复精度：0.01％FS～0.005％FS。

本实施方式中，对综合管廊节与节变形缝之间位移参数的检测是通过位移传感器实现的。通过综合管廊节与节变形缝之间错位位移的测量及分析可以确综合管廊结构是否发生局部沉降和变形。

本实施方式中，检测管廊局部沉降产生的垂直方向管节错位位移是将拉绳位移传感器一端固定在管廊的顶端变形缝一侧，另一端固定在变形缝另一侧底端管壁上。检测管廊水平错位位移是将拉绳位移传感器一端固定在管廊内壁变形缝一侧，另一端固定在变形缝另一侧管壁上。轴向位移检查方法相类似。采用拉绳式传感器检测位移时，由于两个固定端距离较远，可以有效减少三个轴向位移之间的相互影响。

本实施方式中，位移采集节点电路图如图6所示，其中3组位移传感器电源采用超低功耗串联型电压基准，同样型号是MAX6129。位移传感器输出的电压信号接入位移采集节点的位移变换单元电路进行阻抗变换，采用的是由单电源运放LM358组成的跟随阻抗变换电路。位移采集节点微处理器单元电路、电源单元电路、电源电子开关单元电路、天线匹配单元电路、电池单元电路与应变采集节点相同。

本实施方式中，协调器节点电路图如图7所示，微处理器采用的CC2531是TI公司开发的ZigBee专用控制芯片，是在CC2530基础上增加了一个USB专用控制器，支持全速操作，传速速率高达12Mbps。CC2531通过USB接口单元电路可以与计算机连接，实现协调节点与计算机之间的高速数据传输。CC2531内部集成USARTO被配置为SPI总线，数据存储单元采用的是1M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF010，通过SPI总线与CC2531连接。USART1被配置为串行异步通信接口，TFT彩色显示单元通过串行异步通信接口与CC2531连接。TFT彩色显示单元采用型号TJC8048X550_011N(无触摸)5寸显示模块，显示分辨率800×480像素；电器性能参数：工作电压典型值5V，5V工作电流240mA～170mA；接口性能参数：USART串行接口，最大波特率921600bps，接口电平3.3V/5V TTL电平。为适应室外现场较恶劣的环境，采用薄膜键盘用于参数设置和功能选择。协调器节点使用电池单元供电，电池单元通过开关连接到电源单元，电池单元采用四只IFR26650型3.2V磷酸铁锂电池，两节串联再并联，容量为6400mAH。电源单元包括5V电源和3.3V电源。5V电源电路采用MC34063构成的高效DC/DC变换器，将电池电压变换为+5V电压供TFT彩色显示单元使用。3.3V电源电路采用低压差低功耗线性电源电路TH7333，将+5V电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。在与计算机连接时可以通过开关切换由USB提供电源。CC2531检测电池电量在TFT彩色显示单元上显示，亏电时可以通过外接充电电源对电池充电。

本实施方式中，由于综合管廊结构变形和管路变形及管路支架受力变形变化是个缓慢的过程，因此数据采集速度可以是每1小时甚至24小时采集一次。针对管廊的健康状况一般不需要实时监测，只需要定期将协调器节点和数据采集节点连接组织成网络，上传历史和当前数据进行监测分析和保存。

本实施方式中，为了延长电池使用时间，数据采集节点不工作时处于休眠状态，当需要定时采集存储数据时被唤醒切换至工作状态，完成一次数据采集后进入休眠状态。具有路由功能的数据采集节点在断网状态与不具有路由功能数据采集节点一样，只定时采集存储数据。当需要连接组网传输数据时，各数据采集节点被唤醒重新组织成网络。

本实施方式中，综合管廊有助于无线信号传输，可300m间距放置一台具有路由功能的数据采集节点。还应在综合管廊转弯处和维修口下端安放一台具有路由功能的数据采集节点。需要上传监测数据时，可在地面维修口处将协调器节点和各数据采集节点组网连接。协调器节点可以作为手持显示终端单独使用，也可以通过USB与计算机连接，将采集的综合管廊各个应变、位移历史数据和当前数据传输到计算机，用于显示、保存、处理和分析。

本实施方式中，协调器节点显示界面包括各个采集点历史数据和当前数据表格显示界面；各个采集点数据变化趋势线界面；采集的数据变化量超过设定值时统一在监测结果分析界面显示。计算机除了保存和处理各个采集数据，也可以在监测界面以表格、变化趋势线等形式显示各个采集数据，还可以用伪彩色以模拟图的形式直观的显示管廊和管路状况。

本实施方式中，通过上述对钢制管道变形和管道支架受力的变化情况的检测，通过对上述综合管廊节与节变形缝之间位移参数的检测，经综合分析可以评价综合管廊的健康状况。

凡利用本实用新型所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型技术方案的启发下，在本实用新型的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖保护范围之内。

Claims (9)

1.基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，包括多个数据采集节点、一个协调器节点和一台计算机；所述数据采集节点分为应变采集节点和位移采集节点，部分数据采集节点具有路由功能；所述ZigBee网络采用树状结构，数据采集节点经过无线直接或路由与协调器节点通信；所述协调器节点通过USB接口与计算机连接上传数据，或作为手持显示终端单独使用；所述数据采集节点采用低功耗设计，由电池供电可长时间工作；所述协调器节点由电池供电，或由计算机通过USB接口供电。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述应变采集节点为4通道，包括4路应变变换单元、微处理器单元、天线匹配单元、电源电子开关单元、3.3V电源单元和电池单元；所述微处理器单元采用CC2530；所述应变变换单元将电阻应变片全桥电路输出电压变换成标准的电压信号，再由CC2530内部集成AD转换器转换成数字量并经过处理保存在内部flash中，还可通过无线传输到协调器节点；所述应变采集节点由电池供电；所述微处理器单元由3.3V电源单元供电。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述位移采集节点为3通道，包括3路位移变换单元、微处理器单元、天线匹配单元、电源电子开关单元、3.3V电源单元和电池单元；所述微处理器单元采用CC2530；所述位移变换单元将位移传感器电位器输出电压变换成标准的电压信号，再由CC2530内部集成AD转换器转换成数字量并经过处理保存在内部flash中，还可通过无线传输到协调器节点；所述位移采集节点由电池供电；所述微处理器单元由3.3V电源单元供电。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述协调器节点由微处理器单元、TFT彩色显示单元、数据存储单元、天线匹配单元、键盘单元、USB接口单元、电源单元、电池单元；所述微处理器单元采用CC2531；所述TFT彩色显示单元、数据存储单元、USB接口单元与微处理器单元连接；所述天线匹配单元与微处理器单元和射频天线连接；所述键盘单元的输出端与微处理器单元的输入端连接；所述电池单元通过开关与电源单元连接。

5.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述应变采集节点和位移采集节点为节省电能，采用多种低功耗器件，包括超低功耗电压基准MAX6129、微功耗精密仪表放大器INA333、低压差低功耗线性电源电路HT7333。

6.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述应变采集节点和位移采集节点的电源电子开关单元，只在数据采集时接通应变变换单元、应变传感器全桥电源和接通位移变换单元、位移传感器电源。

7.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述应变采集节点应变检测采用电阻应变片传感器，用于综合管廊内的管道变形和管道支架受力变形参数的检测。

8.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述位移采集节点位移检测采用的是拉绳电位器位移传感器，用于综合管廊节与节变形缝之间位移参数的检测。

9.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的综合管廊健康监测系统，其特征在于，所述应变采集节点通过对综合管廊内钢制管道垂直方向变形和管道支架垂直方向受力变化情况的监测，可以判断综合管廊结构局部沉降程度以及管道的应力状况。

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