本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于zigbee無(wú)線(xiàn)通信的結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)是確定工程結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性而進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。除須對(duì)結(jié)構(gòu)的承力零件作加載實(shí)驗(yàn)外，還要對(duì)結(jié)構(gòu)作整體或局部的承力性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以是飛機(jī)、火箭、船舶實(shí)體結(jié)構(gòu)或模型，也可以是大型裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)，也可以是建筑結(jié)構(gòu)如：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等，一般包括梁柱結(jié)構(gòu)、屋架結(jié)構(gòu)、薄殼和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等的實(shí)體或模型。

結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)的目的在于：①確定結(jié)構(gòu)在一定靜荷載作用下的應(yīng)力分布和變形形態(tài)；②確定結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性；③確定結(jié)構(gòu)的最大承載能力，即強(qiáng)度；④從承力的角度評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)承受靜荷載的合理性；⑤驗(yàn)證理論分析和計(jì)算方法的可靠性，或由實(shí)驗(yàn)提出新的理論和計(jì)算方法。

荷載加載通過(guò)加載器和分配梁進(jìn)行多點(diǎn)加載，加載方式通常有電動(dòng)馬達(dá)式加載、液壓千斤頂加載、機(jī)械螺旋式加載、重物加載等。實(shí)驗(yàn)室適合電動(dòng)馬達(dá)和液壓千斤頂加載，可以手動(dòng)控制也可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。對(duì)于野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境通常采用人工控制加載方式，如用液壓千斤頂加載、重物加載等。

結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)中測(cè)定有關(guān)的力學(xué)參量值主要有荷載、位移、應(yīng)變等。通常測(cè)量系統(tǒng)由傳感部分、放大部分和指示部分構(gòu)成。測(cè)量荷載常用拉壓力傳感器；測(cè)量位移常用電阻式位移傳感器、電感式位移傳感器、電容式位移傳感器；測(cè)量應(yīng)變常用電阻應(yīng)變傳感器。

目前結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成，也就是集中式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集部分包括傳感器、傳感器信號(hào)變送柜、計(jì)算機(jī)采集卡及計(jì)算機(jī)等部分。通常一個(gè)實(shí)驗(yàn)布置應(yīng)變傳感器數(shù)量達(dá)幾十個(gè)到幾百個(gè)，位移傳感器、荷載傳感器也有十幾個(gè)到幾十個(gè)。應(yīng)變傳感器、位移傳感器、荷載傳感器接入到變送器柜變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，再接入到臺(tái)式計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)采集卡。計(jì)算機(jī)將應(yīng)變、位移、荷載信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成數(shù)字量，采集的數(shù)據(jù)以文件的形式保存下來(lái)，用于以后的分析和應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)也可以以靜態(tài)曲線(xiàn)形式在屏幕上顯示出來(lái)用于觀測(cè)數(shù)據(jù)采集的結(jié)果。

現(xiàn)有集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)：

①價(jià)格高、體積重量大，尤其是變送器柜價(jià)格貴，體積和重量都比較大，不適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

②在結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)對(duì)象上放置的各種傳感器一般情況多達(dá)幾十個(gè)到幾百個(gè)，布線(xiàn)和接線(xiàn)都需耗費(fèi)很多人力物力。

③信號(hào)有線(xiàn)傳輸會(huì)帶來(lái)共模和差模干擾，影響到信號(hào)的傳輸質(zhì)量和信號(hào)的采集精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)具有測(cè)試對(duì)象數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于zigbee無(wú)線(xiàn)通信的結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變、位移、荷載等參數(shù)的采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于zigbee無(wú)線(xiàn)通信的結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，包括多臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、一臺(tái)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接，所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)usb與計(jì)算機(jī)連接，所述數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，所述數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)由電池供電，所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是由計(jì)算機(jī)通過(guò)usb接口提供的電源。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)包括應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)、位移采集節(jié)點(diǎn)和荷載采集節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)變檢測(cè)采用電阻應(yīng)變片傳感器。

進(jìn)一步的，所述位移采集節(jié)點(diǎn)位移檢測(cè)采用的是電位器位移傳感器，所述電位器位移傳感器將位移的變化轉(zhuǎn)換成電位器電阻的變化。

進(jìn)一步的，所述荷載采集節(jié)點(diǎn)荷載檢測(cè)采用壓力傳感器或拉力傳感器，所述壓力傳感器或拉力傳感器將荷載轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮钁?yīng)變片電阻的變化。

進(jìn)一步的，所述應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)為4個(gè)通道，節(jié)點(diǎn)包括4組應(yīng)變片電橋、4路應(yīng)變變換電路、微處理器cc2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、天線(xiàn)匹配電路、電源電路和外接電池，所述應(yīng)變變換電路將電阻應(yīng)變片電阻的變化變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，再由cc2530內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過(guò)處理保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)變數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示。

進(jìn)一步的，所述位移采集節(jié)點(diǎn)計(jì)為2個(gè)通道，節(jié)點(diǎn)包括2個(gè)位移傳感器、2路位移變換電路、微處理器cc2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、天線(xiàn)匹配電路、電源電路和外接電池；所述位移變換電路將位移傳感器電阻的變化變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，再由cc2530內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過(guò)處理保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，并可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。位移數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖3所示。

進(jìn)一步的，所述荷載采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為2個(gè)通道，節(jié)點(diǎn)包括2個(gè)力傳感器、2路力變換電路、微處理器cc2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、天線(xiàn)匹配電路、電源電路和外接電池；所述力變換電路將力傳感器輸出電阻應(yīng)變片電阻的變化變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，再由cc2530內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過(guò)處理保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，并可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。荷載數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖4所示。

進(jìn)一步的，所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括微處理器cc2531及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、天線(xiàn)匹配電路、usb接口電路、狀態(tài)指示電路和電源電路；所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的應(yīng)變、位移和荷載數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)usb接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；狀態(tài)指示電路指示當(dāng)前的工作狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖5所示。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)可通過(guò)usb接口接收采集的應(yīng)變、位移和荷載數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)可通過(guò)協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)可以完成信號(hào)變送、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，使系統(tǒng)具有較高的性?xún)r(jià)比。

(2)本發(fā)明采用數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)通訊方式，不需要現(xiàn)場(chǎng)布置信號(hào)線(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)布置也方便，減少了人員的工作強(qiáng)度和工作量，降低了人工費(fèi)用。

(3)本發(fā)明采用無(wú)線(xiàn)通訊方式，消除了傳輸線(xiàn)的共模和差模干擾，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

(4)本發(fā)明采用分散式數(shù)據(jù)采集，使系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性。

(5)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，由電池供電，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在沒(méi)有ac220v電源的現(xiàn)場(chǎng)使用。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖。

圖2本發(fā)明的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖。

圖3本發(fā)明的位移數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖。

圖4本發(fā)明的荷載數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖。

圖5本發(fā)明的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成框圖。

圖6本發(fā)明的應(yīng)變量數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路圖。

圖7本發(fā)明的位移數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路圖。

圖8本發(fā)明的荷載數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路圖。

圖9本發(fā)明的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)電路圖如圖6所示。應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)變傳感器選用電阻式應(yīng)變片，為了提高其穩(wěn)定性和輸出靈敏度以及減小功耗，常選用高電阻應(yīng)變片，如型號(hào)bf1k-3aa。應(yīng)變片全橋電路輸出經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)變變換電路變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào),本發(fā)明采用單電源專(zhuān)用集成儀用放大器ad623作為變換電路。采集和控制的核心元件微處理器采用的是cc2530。作為zigbee的專(zhuān)用控制芯片cc2530是一款8位高性能的低功耗微處理器，并且具有五種不同的運(yùn)行供電模式，在睡眠狀態(tài)具有極低的功耗。cc2530具有8路輸入和可配置分辨率的12位adc，具有支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大usart，內(nèi)部集成了超低功耗的sram、非易失性程序存儲(chǔ)器。除了保存程序代碼和常量以外，內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)應(yīng)用程序所需的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)。內(nèi)部集成usart0被配置為spi總線(xiàn)，用于與外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路在這里主要用作數(shù)據(jù)緩存，采用的是1m×8位低功耗sram存儲(chǔ)芯片sst25vf010。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電源電路采用低壓差線(xiàn)性變換電路，將電池電壓變換成+3.3v電壓供數(shù)字電路使用。由于數(shù)據(jù)采集模塊采用的是低功耗設(shè)計(jì)，因此采集節(jié)點(diǎn)使用電池組供電。電池采用ifr26650型3.2v磷酸鐵鋰電池容量為3200mah，兩節(jié)串聯(lián)放置在電池盒中，電池盒上有l(wèi)ed電池電量指示。

位移采集節(jié)點(diǎn)電路圖如圖7所示。位移采集節(jié)點(diǎn)位移檢測(cè)可采用導(dǎo)電塑料電位器自恢復(fù)位拉繩位移傳感器，型號(hào)為wps-s，量程可根據(jù)測(cè)量需要選擇5mm-1000mm。根據(jù)需要位移檢測(cè)也可采用拉桿式自恢復(fù)位導(dǎo)電塑料電位器位移傳感器，型號(hào)ktr-b系列；位移傳感器輸出的電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位移變換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，本發(fā)明采用的是由單電源運(yùn)放lm358組成的r-u變換電路。位移采集節(jié)點(diǎn)其它電路單元與應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)相同。

荷載采集節(jié)點(diǎn)電路圖如圖8所示。荷載采集節(jié)點(diǎn)荷載檢測(cè)采用應(yīng)變式力(拉力或壓力)傳感器，可以采用應(yīng)變輪輻式力傳感器，型號(hào)sin-lcly，量程可根據(jù)測(cè)量需要選擇1t、5t、10t、20t、50t、100t等。變換電路將傳感器輸出電阻應(yīng)變片電阻的變化變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，本發(fā)明采用的是單電源專(zhuān)用的集成儀用放大器ad623作為變換電路。荷載采集節(jié)點(diǎn)其它電路單元與應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)相同。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖如圖9所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用cc2531作為控制核心元件，作為zigbee的專(zhuān)用控制芯片cc2531是在cc2530基礎(chǔ)上增加了一個(gè)usb專(zhuān)用控制器，支持全速操作傳速速率高達(dá)12mbps。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)通過(guò)usb接口電路連接，實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用的是低功耗設(shè)計(jì)，因此協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)供電由usb接口提供，簡(jiǎn)化了電源的設(shè)計(jì)。usb供電電壓+5v，內(nèi)部電源電路采用低壓差線(xiàn)性變換電路，將+5v電壓變換成+3.3v電壓供數(shù)字電路使用。狀態(tài)指示電路指示當(dāng)前的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、天線(xiàn)匹配電路與其他節(jié)點(diǎn)相同。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件由lebview編制，主要功能是接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳的應(yīng)變、位移和荷載數(shù)據(jù)，上傳的數(shù)據(jù)以文件的形式保存，并且可以調(diào)取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)可通過(guò)協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

主要具有以下幾種功能：

①數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置和控制功能：

參數(shù)設(shè)置功能主要包括：通過(guò)對(duì)話(huà)框?qū)Ω鳒y(cè)試通道傳感器的靈敏度、量程進(jìn)行設(shè)置，可以對(duì)一些采集數(shù)據(jù)如位移進(jìn)行報(bào)警閥值設(shè)置，可以對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣率進(jìn)行設(shè)置。節(jié)點(diǎn)控制功能主要包括：通過(guò)對(duì)話(huà)框?qū)Ω鱾€(gè)通道的零點(diǎn)進(jìn)行矯正，單通道采集的啟動(dòng)和停止控制，系統(tǒng)采集的啟動(dòng)和停止控制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠和喚醒控制等功能。

②數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)保存功能：

計(jì)算機(jī)發(fā)送采集傳輸命令，各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并通過(guò)usb接口上傳到計(jì)算機(jī)，在顯示界面顯示各采集通道的瞬時(shí)值。上傳的數(shù)據(jù)以文件的形式保存起來(lái)，保存的數(shù)據(jù)可選文本(txt)、word文件(doc)、excel文件(xls)三種格式。

③回放記錄數(shù)據(jù)功能：

選擇數(shù)據(jù)文件，然后開(kāi)始回放。選擇文件后，在空閑狀態(tài)下可以開(kāi)始回放數(shù)據(jù)，控制按鈕包括暫停、停止、快退、后退、前進(jìn)、快進(jìn)。暫停按鈕可以暫?；胤牛漠?dāng)前位置繼續(xù)回放。

④變化趨勢(shì)圖形顯示功能：

選擇數(shù)據(jù)文件打開(kāi)，各個(gè)通道數(shù)據(jù)可以以時(shí)間曲線(xiàn)的形式顯示變化規(guī)律，多個(gè)通道的曲線(xiàn)可以在顯示界面同時(shí)顯示比較，這些曲線(xiàn)都是靜態(tài)曲線(xiàn)。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說(shuō)明書(shū)上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。