一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其包括傳感器接口電路、無線通信電路、微處理電路和電源管理電路,傳感器接口電路包括至少兩個接口,接口的輸入端與外接傳感器相連接,用于接收外接傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù),微處理電路分別與傳感器接口電路和無線通信電路相連接。本實用新型可監(jiān)測土木結構多種不同的物理量,監(jiān)測更全面準確,其體積小、易布設、易拆裝、功耗低、可靠性高。
【專利說明】—種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及結構健康監(jiān)測【技術領域】,尤其涉及一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點。
【背景技術】
[0002]結構健康監(jiān)測技術是用探測到的響應,結合系統(tǒng)的特性分析,來評價結構損傷的嚴重性、定位損傷位置以及給出修復策略等。結構的狀況是由分析采集到的信號獲得的,因此,信號采集技術是結構健康監(jiān)測的前提。同時,傳感器系統(tǒng)是結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,是信號采集技術的必要手段。
[0003]目前,土木工程健康監(jiān)測領域常用的傳感器包括加速度計、應變計、位移計、溫度計、風速風向儀、傾角計等。通常情況下,系統(tǒng)采用有線傳輸方式實現(xiàn)傳感器的信號采集。這種方式接線復雜、布線繁瑣、信號遠距離傳輸誤差大、后期維護費用高昂,給工程中的應用帶來的諸多不便。
[0004]另外,土木工程領域傳感器種類多樣,且將待測物理量轉換為被測信號的形式也不盡相同,如模擬信號、數(shù)字信號等。對這些信號的采集、處理和傳輸通常需要進行專門的設計,包括相應硬件設計、軟件編制,增加了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的繁瑣性,目前尚沒有一種通用的技術手段。
[0005]因此,一種穩(wěn)定性更高、信息采集準確、信號傳輸迅速、中心處理可靠、布設工藝方便,用于多類型傳感器的土木工程健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點亟待提出。
實用新型內(nèi)容
[0006]為了解決上述技術問題,本實用新型提供了一種性能優(yōu)越、安裝簡便的用于結構整體、局部以及環(huán)境性態(tài)監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,該節(jié)點可采集到多種不同類型傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測更全面準確,兼容性好,體積小,易布置,易拆裝,功耗低,可靠性高。
[0007]為了達到上述目的,本實用新型的技術方案如下:
[0008]一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,包括傳感器接口電路、無線通信電路、微處理電路和電源管理電路,傳感器接口電路包括至少兩個接口,接口的輸入端與外接傳感器相連接,用于接收外接傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù),微處理電路分別與傳感器接口電路和無線通信電路相連接。
[0009]本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點包括傳感器接口電路、無線通信電路、微處理電路和電源管理電路。
[0010]傳感器接口電路包括至少兩個接口,接口的輸入端與外接傳感器相連接,用于接收外接傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù),通過傳感器接口電路與多個不同類型的外接傳感器連接,用于接收外接傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù),多個不同類型的外接傳感器包括:壓電加速度計、力平衡加速度計、機械式風速儀、模擬信號傾角計、振弦式應變計、數(shù)字式溫度計、三維超聲風速儀、數(shù)字信號傾角計及電容雨量計,可監(jiān)測多種不同類型的物理量,監(jiān)測的范圍更廣,更準確。
[0011]微處理電路與傳感器接口電路連接,傳感器接口電路將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給微處理電路,微處理電路對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲。
[0012]無線通信電路包括無線接收電路和無線發(fā)送電路,無線通信電路與微處理電路相連接,負責節(jié)點與控制中心之間的通信聯(lián)系,無線接收電路用于接收控制中心發(fā)送的控制信號,無線發(fā)送電路用于將分析處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給控制中心。
[0013]電源管理電路分別與傳感器接口電路、微處理電路和無線通信電路連接,用于對傳感器接口電路、微處理電路、無線通信電路供電。
[0014]本實用新型與現(xiàn)有技術相比,其利用無線通信的方法解決了傳統(tǒng)有線傳輸方式接線復雜、布線繁瑣、信號遠距離傳輸誤差大、后期維護不便等缺點,同時本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點可通用于監(jiān)測多個不同的物理量,故一個地點只需一個無線傳感節(jié)點就可完成多個不同物理量的監(jiān)測,更易控制。
[0015]作為優(yōu)選的方案,微處理電路包括:微處理芯片、調(diào)理電路、時鐘電路和存儲器,微處理芯片分別與調(diào)理電路、時鐘電路和存儲器相連接。
[0016]采用上述優(yōu)選的方案,微處理電路采用微處理芯片、調(diào)理電路、時鐘電路和存儲器來實現(xiàn)本實用新型無線傳感節(jié)點的工作,可靠性高。微處理芯片用于控制無線傳感節(jié)點中的各個電路進行工作;調(diào)理電路負責對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和調(diào)理;時鐘電路為無線傳感節(jié)點提供實時的時鐘管理功能;存儲器用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲。
[0017]作為優(yōu)選的方案,傳感器接口電路包括:模擬信號接口電路,模擬信號接口電路的輸入端與模擬外接傳感器連接,用于接收模擬監(jiān)測數(shù)據(jù);數(shù)字信號接口電路,數(shù)字信號接口電路的輸入端與數(shù)字外接傳感器連接,用于接收數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0018]采用上述優(yōu)選的方案,由于外接傳感器將被檢測的物理量可轉化為不同形式的數(shù)據(jù),如模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。針對不同形式的數(shù)據(jù),采用不同的采集、處理和傳輸通道。故模擬信號接口電路用于采集模擬監(jiān)測數(shù)據(jù),數(shù)字信號接口電路用于采集數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù),故本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點可通用于不同形式的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0019]作為優(yōu)選的方案,模擬信號接口電路包括模數(shù)轉換器,用于將模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)從模擬量轉為數(shù)字量。
[0020]采用上述優(yōu)選的方案,為了微處理電路對模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更好分析和處理,在模擬信號接口電路里首先將模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)由模擬量轉為數(shù)字量。
[0021]作為優(yōu)選的方案,調(diào)理電路包括:模擬信號調(diào)理電路,模擬信號調(diào)理電路與模擬信號接口電路的輸出端連接;數(shù)字信號調(diào)理電路,數(shù)字信號調(diào)理電路與數(shù)字信號接口電路的輸出端連接。
[0022]采用上述優(yōu)選的方案,對于不同形式的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用不同的調(diào)理電路調(diào)理,以便微處理芯片分析和處理。雖然模擬信號接口電路已經(jīng)將模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)從模擬量轉為數(shù)字量,但是其與直接從外接傳感器得到的數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)仍存在不同,故采取模擬信號調(diào)理電路與數(shù)字信號調(diào)理電路分別對模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)理,以便后續(xù)微處理芯片處理。
[0023]作為優(yōu)選的方案,微處理電路還包括GPS電路,GPS電路與微處理芯片相連接。
[0024]采用上述優(yōu)選的方案,微處理電路還包括GPS電路,GPS電路與微處理芯片相連接,用于為無線傳感節(jié)點提供同步時鐘功能和定位功能。采用GPS同步時鐘功能,便于記錄不同時刻無線傳感節(jié)點所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時,GPS電路還具有準確的定位功能,可以對無線傳感節(jié)點的位置進行準確定位,便于控制中心進行控制。同時,將無線傳感節(jié)點采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集時間、采集地點進行同一綁定,將綁定后的信息傳輸給存儲器或控制中心進行存儲,便于控制中心后續(xù)統(tǒng)一的分析和處理不同節(jié)點不同時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0025]作為優(yōu)選的方案,無線傳感節(jié)點還包括過濾放大電路,過濾放大電路的輸入端與外接傳感器連接,過濾放大電路的輸出端與傳感器接口電路的接口輸入端連接。
[0026]采用上述優(yōu)選的方案,各個外接傳感器間存在著或多或少的信號影響,為了獲得準確的監(jiān)測數(shù)據(jù),無線接口電路的接口與外接傳感器間通過過濾放大電路相連接,過濾放大電路可以有效放大該接口所連接的外接傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù),同時將其他接口上的外接傳感器的干擾信號過濾。通過過濾放大電路,可以得到更準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0027]作為優(yōu)選的方案,無線通信電路采用ZigBee協(xié)議2.4GHz的載波頻段傳輸數(shù)據(jù)。
[0028]采用上述優(yōu)選的方案,采用ZigBee協(xié)議2.4GHz的載波頻段傳輸數(shù)據(jù),傳輸速率更快,無線傳感節(jié)點體積更小。
[0029]作為優(yōu)選的方案,電源管理電路對電壓采用兩級變換結構,第一級采用直流電壓轉換芯片實現(xiàn)3.7V到15V的轉變,第二級采用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片實現(xiàn)±15V到±12V的轉變。
[0030]采用上述優(yōu)選的方案,無線傳輸節(jié)點中的各個電路的供電電壓不同,電源管理電路對電壓設計采用了兩級變換結構,以便對不同供電電壓的各個電路進行供電,提高各電路電壓的穩(wěn)定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點整體電路圖。
[0032]圖2是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中模擬信號接口電路電路圖。
[0033]圖3是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中數(shù)字信號接口電路電路圖。
[0034]圖4是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中微處理電路電路圖。
[0035]圖5是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中存儲器電路圖。
[0036]圖6是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中無線通信電路電路圖。
[0037]圖7是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中GPS電路電路圖。
[0038]圖8是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中實時時鐘電路圖。
[0039]圖9是本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點中電源管理電路電路圖。
[0040]其中:1外接傳感器;2模擬信號接口電路;3數(shù)字信號接口電路;4模擬信號調(diào)理電路;5數(shù)字信號調(diào)理電路;6時鐘電路;7GPS電路;8微處理芯片;9存儲器;10無線接收電路;11無線發(fā)送電路;12電源管理電路。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施方式。
[0042]為了達到本實用新型的目的,如圖1-9所示,在本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點的其中一些實施例中,
[0043]一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點包括:傳感器接口電路、模擬信號調(diào)理電路4、數(shù)字信號調(diào)理電路5、時鐘電路6、GPS電路7、微處理芯片8、存儲器9、無線接收電路10和無線發(fā)送電路11。
[0044]如圖2和圖3所示,由于外接傳感器種類不同將待測物理量轉換為被測信號的形式也不盡相同,傳感器接口電路包括模擬信號接口電路2和數(shù)字信號接口電路3。模擬信號接口電路3包括:多路選擇器和模數(shù)轉換器,多路選擇器可對接口通道進行選擇,模數(shù)轉換器實現(xiàn)將采集到的模擬量轉變?yōu)閿?shù)字量。模擬信號接口電路2提供8個模擬信號接口,數(shù)字信號接口電路3提供2個數(shù)字信號接口。
[0045]傳感器接口電路與不同類型的外接傳感器I連接,外接傳感器I包括:壓電加速度計、力平衡加速度計、機械式風速儀、模擬信號傾角計、振弦式應變計、數(shù)字式溫度計、三維超聲風速儀、數(shù)字信號傾角計及電容雨量計,可監(jiān)測多種不同類型的物理量,監(jiān)測的范圍更廣,更準確。使用傳感器接口電路與外接傳感器I相連接,將多個不同類型的外接傳感器I采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給無線傳感節(jié)點,與傳統(tǒng)只采集單一信號的傳感節(jié)點相比,可監(jiān)測的范圍更廣,性能更優(yōu)越。
[0046]模擬信號接口電路2的輸出端與模擬信號調(diào)理電路4連接,數(shù)字信號接口電路3的輸出端與和數(shù)字信號調(diào)理電路5連接。模擬信號接口電路2雖然內(nèi)部設有模數(shù)轉換器,可將模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)的模擬量轉為數(shù)字量,但是其與直接從外接傳感器I得到的數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)仍存在不同,故采取模擬信號調(diào)理電路4與數(shù)字信號調(diào)理電路5分別對模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)理,以便后續(xù)微處理芯片8處理。
[0047]微處理芯片8分別與模擬信號調(diào)理電路4、數(shù)字信號調(diào)理電路5、時鐘電路、GPS電路7、存儲器9、無線接收電路10和無線發(fā)送電路11相連接。
[0048]如圖4所示,微處理芯片8采用MSP430F5438處理器芯片,通過對該芯片進行程序編寫和燒錄,來控制整個無線傳感節(jié)點工作,控制其他各個電路進行對數(shù)據(jù)的采集、處理、轉換和發(fā)送等任務。
[0049]如圖8所示,時鐘電路6與微處理芯片8相連接,用于為無線傳感節(jié)點提供實時的時鐘管理功能,便于微處理芯片對其他各個電路及電路的控制
[0050]如圖7所示,GPS電路7可以提供無線傳感節(jié)點同步時鐘功能和定位功能。為了使本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點具有更準確的時鐘功能,采用GPS同步時鐘功能,便于記錄不同時刻無線傳感節(jié)點所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時,GPS電路還具有準確的定位功能,可以對無線傳感節(jié)點的位置進行準確定位,便于控制中心進行控制。同時,將無線傳感節(jié)點采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集時間、采集地點進行同一綁定,將綁定后的信息傳輸給存儲器或控制中心進行存儲,便于控制中心后續(xù)統(tǒng)一的分析和處理不同節(jié)點不同時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0051]如圖5所示,存儲器9采用IG數(shù)據(jù)存儲器K9K8G08U0A,具有較大的數(shù)據(jù)存儲空間。
[0052]如圖6所示,無線通信電路采用嵌入式無線射頻電路LW 115X,通過串行通信UART的方式與微處理芯片MSP430F5438相連,可以實現(xiàn)信號的無線傳輸,相比有線傳輸方式,不需要進行接線,信號傳輸準確,適用于遠距離傳輸,方便后期維護。
[0053]如圖9所示,電源管理電路12采用直流充電電池或太陽能電池板蓄電的方式,由于本實用新型無線傳感節(jié)點的各個電路供電電壓不同,對其電壓設計采用了兩級變換結構,第一級采用直流電壓轉換芯片實現(xiàn)+24V到±15V的轉變,第二級采用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片實現(xiàn)土 15V到土 12V的轉變,以滿足不同電路對供電電壓的需求,保證供電電壓持續(xù)穩(wěn)定。
[0054]無線通信電路由一個高性能8位微處理芯片和一個符合ZigBee標準的2.4GHz射頻收發(fā)器組成。
[0055]本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點的工作過程:
[0056]控制中心向節(jié)點發(fā)出控制信號,無線接收電路接收到控制信號,向無線發(fā)送電路發(fā)送數(shù)據(jù)包,無線發(fā)送電路發(fā)送工作信號給控制中心??刂浦行慕邮盏焦ぷ餍盘枺f明無線傳感節(jié)點開始工作;若控制中心沒有接收到工作信號,則控制中心繼續(xù)發(fā)送控制信號,直至接收到工作信號為止。若控制中心一直沒有接收到工作信號,則說明該無線傳感節(jié)點出現(xiàn)故障,及時派工作人員進行檢修。
[0057]當無線接收電路成功接收到控制中心發(fā)送的控制信號后,將控制信號及時反饋給微處理電路,微處理電路向各個外接傳感器和其他分支電路傳送采集運轉指令。
[0058]各外接傳感器接收到采集指令后,開始對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集,隨后依次回傳當前時刻采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)給微處理電路,微處理電路將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理電路對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行信號調(diào)理,存儲器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行的存儲,同時GPS開啟定位和同步時鐘功能、時鐘電路開啟實時時鐘功能。將分析處理好的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送電路回傳給控制中心。
[0059]控制中心接收到節(jié)點回傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)后通過PCI或USB串口一并傳回給計算機進行顯示和進一步分析。
[0060]針對傳統(tǒng)無線傳感器系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)類型單一,不能同時對多種傳感器監(jiān)測的物理量信息進行采集,且傳輸距離有限、數(shù)據(jù)存儲容量較小的不足,提出本實用新型一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,該節(jié)點具有模擬信號接口電路2和數(shù)字信號接口電路3,且模擬信號接口電路2和數(shù)字信號接口電路3均具有多個接口,可滿足一個節(jié)點監(jiān)測多種不同物理量的需求,其體積小、易布設、易拆裝、功耗低、可靠性高。同時,通過微處理芯片控制,支持信號實時采集及后處理分析兩種工作狀態(tài),具有豐富的多種參數(shù)設置功能,可以進行時域、頻域內(nèi)的多種數(shù)據(jù)分析處理。
[0061 ] 在另外一些實施例中,其余技術特征相同,不同之處在于,無線傳感節(jié)點還包括過濾放大電路,過濾放大電路的輸入端與外接傳感器連接,過濾放大電路的輸出端與傳感器接口電路的接口輸入端連接。各個外接傳感器間存在著或多或少的信號影響,為了獲得準確的監(jiān)測數(shù)據(jù),傳感器接口電路的接口與外接傳感器間通過過濾放大電路相連接,過濾放大電路可以有效放大該接口所連接的外接傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù),同時將其他接口上的外接傳感器的干擾信號過濾。通過過濾放大電路,可以得到更準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0062]新型的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本領域的普通技術人員來說,在不脫離本實用新型創(chuàng)造構思的前提下,還可以做出若干變形和改進,這些都屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,包括傳感器接口電路、無線通信電路、微處理電路和電源管理電路,所述傳感器接口電路包括至少兩個接口,所述接口的輸入端與外接傳感器相連接,用于接收外接傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù),所述微處理電路分別與所述傳感器接口電路和所述無線通信電路相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述微處理電路包括:微處理芯片、調(diào)理電路、時鐘電路和存儲器,所述微處理芯片分別與調(diào)理電路、時鐘電路和存儲器相連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述傳感器接口電路包括: 模擬信號接口電路,所述模擬信號接口電路的輸入端與模擬外接傳感器連接,用于接收模擬監(jiān)測數(shù)據(jù); 數(shù)字信號接口電路,所述數(shù)字信號接口電路的輸入端與數(shù)字外接傳感器連接,用于接收數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述模擬信號接口電路包括模數(shù)轉換器,用于將模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)從模擬量轉為數(shù)字量。
5.根據(jù)權利要求3所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述調(diào)理電路包括: 模擬信號調(diào)理電路,所述模擬信號調(diào)理電路與所述模擬信號接口電路的輸出端連接; 數(shù)字信號調(diào)理電路,所述數(shù)字信號調(diào)理電路與所述數(shù)字信號接口電路的輸出端連接。
6.根據(jù)權利要求2所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述微處理電路還包括GPS電路,所述GPS電路與所述微處理芯片相連接。
7.根據(jù)權利要求4飛任一項所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述無線傳感節(jié)點還包括過濾放大電路,所述過濾放大電路的輸入端與外接傳感器連接,所述過濾放大電路的輸出端與傳感器接口電路的接口輸入端連接。
8.根據(jù)權利要求4飛任一項所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述無線通信電路采用ZigBee協(xié)議2.4GHz的載波頻段傳輸數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權利要求4飛任一項所述的用于土木結構健康監(jiān)測的無線傳感節(jié)點,其特征在于,所述電源管理電路對電壓采用兩級變換結構,第一級采用直流電壓轉換芯片實現(xiàn)+24V到±15V的轉變,第二級采用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片實現(xiàn)±15V到±12V的轉變。
【文檔編號】G08C17/02GK204155436SQ201420664729
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權日:2014年11月7日
【發(fā)明者】歐進萍, 喻言, 白石 申請人:智性科技南通有限公司