本發(fā)明涉及地震模擬檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于Zigbee的地震模擬振動臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

地震是重大自然災(zāi)害之一，地震發(fā)生時會使大量的建筑物、設(shè)備造成損壞甚至倒塌，甚至發(fā)生山體滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失。因此提高建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備等的抗震能力是減小地震損害的主要途徑。由于地震模擬振動臺可以在實(shí)驗(yàn)室很好地再現(xiàn)地震作用的動力過程，是研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法，是研究建筑物等抗震能力的有效方法。地震模擬臺試驗(yàn)通常是將建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備同等或縮比模型放置在震動臺上模擬地震振動觀測其響應(yīng)。在地震模擬臺上可以進(jìn)行如下各種試驗(yàn)：①進(jìn)行各類建筑物模型的動力特性試驗(yàn)；②進(jìn)行各類建筑物模型在地震作用下的破壞機(jī)理的研究；③進(jìn)行各類建筑物模型的抗震措施的研究；④進(jìn)行各種機(jī)電設(shè)備和設(shè)施的耐震試驗(yàn)研究；⑤進(jìn)行各類機(jī)電產(chǎn)品的振動例行試驗(yàn)。

地震模擬臺測控系統(tǒng)由控制部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，在控制部分中，地震模擬臺根據(jù)輸入波形產(chǎn)生震動，輸入的地震振動波可以根據(jù)研究需要選用不同地域的地震波形，地震振動頻譜范圍分布在0.2-20Hz之間，能量峰值在1Hz附近，震動幅度可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集部分中，在建筑模型或設(shè)備模型各個測試位置布置傳感器，測量建筑物模型的動力特性參數(shù)，主要測量的響應(yīng)參數(shù)是各個測試位置的應(yīng)變、位移和加速度等。

目前地震模擬臺測控系統(tǒng)一般是由一臺計(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、傳感器信號變送柜、計(jì)算機(jī)采集卡及計(jì)算機(jī)等部分。通常一個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脩?yīng)變傳感器數(shù)量達(dá)幾十個，位移傳感器、加速傳感器也有十幾個。應(yīng)變傳感器、位移傳感器、加速傳感器接入到變送器柜變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，再接入到臺式計(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、加速度信號轉(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，用于以后的分析和應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)也可以以靜態(tài)曲線形式在屏幕上顯示出來用于觀測數(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價格高、體積重量大，尤其是變送器柜價格貴，體積和重量較大；②在地震模擬臺建筑物模型或設(shè)備上放置的各種傳感器一般情況多達(dá)幾十個，布線和接線都需耗費(fèi)很多人力物力；③信號有線傳輸會帶來共模和差模干擾，影響到信號的傳輸質(zhì)量和信號的采集精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于地震模擬振動臺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?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的地震模擬振動臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳒y試位置的應(yīng)變、位移、加速度等參數(shù)的采集、傳輸和存儲。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于Zigbee的地震模擬振動臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，包括多臺數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、一臺協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，采集還包括一臺計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過無線連接，所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USB與計(jì)算機(jī)連接，所述數(shù)據(jù)采集節(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USB接口提供的電源。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)、位移采集節(jié)點(diǎn)和加速度采集節(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)位移檢測采用的是拉繩位移傳感器，所述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，所述加速度采集節(jié)點(diǎn)加速度檢測采用動圈式電磁感應(yīng)加速度傳感器。

進(jìn)一步的，所述應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)變檢測采用單電源專用集成儀用放大器AD623作為變換電路，所述位移采集節(jié)點(diǎn)位移檢測采用由單電源運(yùn)放LM358組成的R-U變換電路，所述加速度采集節(jié)點(diǎn)加速度檢測采用單電源專用的集成儀用放大器AD623作為變換電路，輸入端增加了工作點(diǎn)偏移電路。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集和控制的核心元件微處理器采用的是ZigBee的專用控制芯片CC2530。

進(jìn)一步的，所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)核心元件微處理器采用的是ZigBee的專用控制芯片CC2531，其內(nèi)部在CC2530基礎(chǔ)上增加了一個USB專用控制器，通過USB接口電路與計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)可通過USB接口接收采集的應(yīng)變、位移和加速度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示和記錄。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用無線通訊方式，不需要現(xiàn)場布置信號線，大大的減少了工作強(qiáng)度和工作量。

(2)本發(fā)明采用無線通訊方式，消除了傳輸線的共模和差模干擾，提高了信號的傳輸質(zhì)量。

(3)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)體積小、重量輕，各節(jié)點(diǎn)布置方便。

(4)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由電池供電，不需要AC220V電源。

(5)Zigbee的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)造價低廉，并且傳感器的變送電路集成在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)，取消了外加變送器，降低了整個系統(tǒng)的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的組成框圖。

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

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

圖4為本發(fā)明的加速度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成框圖。

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

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

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

圖8為本發(fā)明的加速度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路圖。

圖9為本發(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)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，基于Zigbee的地震模擬振動臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，包括多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)還包括一臺計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過無線連接，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USB與計(jì)算機(jī)連接。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)采用低功耗設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由電池供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由計(jì)算機(jī)通過USB接口提供電源。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)、位移采集節(jié)點(diǎn)和加速度采集節(jié)點(diǎn)。

如圖2所示，應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)由三組應(yīng)變片電橋、三路應(yīng)變變換電路、LCD顯示單元、按鍵電路、微處理器CC2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲電路、天線匹配電路、電源電路、外接電池組成；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，再由CC2530內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過處理保存在數(shù)據(jù)存儲電路；應(yīng)變采集值可在LCD顯示單元上顯示，并可以通過無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；應(yīng)變采集模塊設(shè)計(jì)有功能按鍵，通過按鍵還可以設(shè)置傳感器的量程等參數(shù)。

如圖3所示，位移采集節(jié)點(diǎn)由兩個位移傳感器、兩路位移變換電路、LCD顯示單元、按鍵電路、微處理器CC2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲電路、天線匹配電路、電源電路、外接電池組成，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，再由CC2530內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過處理保存在數(shù)據(jù)存儲電路；位移采集值可在LCD顯示單元上顯示，并可以通過無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；位移采集模塊設(shè)計(jì)有功能按鍵，通過按鍵還可以設(shè)置傳感器的量程等參數(shù)。

如圖4所示，加速度采集節(jié)點(diǎn)由一個加速度傳感器、一路加速度變換電路、LCD顯示單元、按鍵電路、微處理器CC2530及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲電路、天線匹配電路、電源電路、外接電池組成，加速度變換電路將加速度傳感器輸出的電動勢變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，再由CC2530內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量并經(jīng)過處理保存在數(shù)據(jù)存儲電路；加速度采集值可在LCD顯示單元上顯示，并可以通過無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；加速度采集模塊設(shè)計(jì)有功能按鍵，通過按鍵還可以設(shè)置傳感器的量程等參數(shù)。

如圖5所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由微處理器CC2531及輔助電路、數(shù)據(jù)存儲電路、天線匹配電路、USB接口電路、狀態(tài)指示電路、電源電路組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以通過無線傳輸接收各個節(jié)點(diǎn)采集的應(yīng)變、位移和加速度數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)存儲電路，這些數(shù)據(jù)可以通過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)。

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，型號BF1K-3AA，電阻值(R)：1002±0.1Ω；靈敏系數(shù)：2.0±1％。應(yīng)變片全橋電路輸出經(jīng)過節(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,本發(fā)明采用的是單電源專用集成儀用放大器AD623作為變換電路。作為采集和控制的核心元件微處理器采用的是CC2530，CC2530是ZigBee的專用控制芯片，它是一款8位高性能的低功耗微處理器。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，其內(nèi)部集成了超低功耗的SRAM、非易失性程序存儲器。除了保存程序代碼和常量以外，內(nèi)部非易失性存儲器可以存儲應(yīng)用程序所需的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)。CC2530內(nèi)部集成的12位ADC轉(zhuǎn)換精度對于采集節(jié)點(diǎn)的采集精度滿足系統(tǒng)要求。內(nèi)部集成USART0被配置為SPI總線，用于與外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲電路通信。數(shù)據(jù)存儲電路用作數(shù)據(jù)緩存，采用的是1M×8位低功耗SRAM存儲芯片SST25VF010。顯示單元采用3.3V1602LCD顯示電路，具有較低的功耗和較強(qiáng)的字符顯示功能，在沒有背光時耗電電流僅為2.3mA。按鍵用于功能鍵和參數(shù)設(shè)置。由于數(shù)據(jù)采集模塊采用的是低功耗設(shè)計(jì)，因此應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電源電路采用低壓差線性變換電路，將電池電壓變換成+3.3V電壓供數(shù)字電路使用。

位移采集節(jié)點(diǎn)位移檢測采用導(dǎo)電塑料電位器自恢復(fù)拉繩位移傳感器，型號WPS-S，量程可根據(jù)測量需要選擇5mm-1000mm，線性精度誤差：≤±0.05％-0.08％FS(精密型)；重復(fù)精度：0.01％FS-0.005％FS；電位器電阻值有5K、10K。位移傳感器輸出的電阻信號經(jīng)過節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位移變換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，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。其他單元與應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)相同。

加速度采集節(jié)點(diǎn)加速度檢測采用無源動圈式電磁感應(yīng)加速度傳感器，型號TL891。該傳感器可根據(jù)選擇開關(guān)測量位移、速度和加速度，本發(fā)明采用的是單電源專用的集成儀用放大器AD623作為變換電路，輸入端增加了工作點(diǎn)偏移電路。其他單元與應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)相同。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2531作為控制核心元件，作為ZigBee的專用控制芯片CC2531與CC2530基本功能相同，只是其內(nèi)部在CC2530基礎(chǔ)上增加了一個USB專用控制器，支持全速操作傳速速率高達(dá)12Mbps，通過USB接口電路可以與計(jì)算機(jī)連接。作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存，采用的是4M×8位低功耗SRAM存儲芯片SST25VF032B。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)。其他單元與應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)相同。

采集節(jié)點(diǎn)按功能分三種工作模式：

①等待模式：處于等待狀態(tài)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸。開始上電和復(fù)位之后處于此狀態(tài)，此時主要用于調(diào)整位移傳感器的位置，以及其它傳感器的工作狀態(tài)；

②參數(shù)設(shè)置模式：通過功能鍵進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面(模式)，修改傳感器的量程參數(shù)，使其與實(shí)際選用的傳感器量程一致，在退出此模式時保存相應(yīng)的參數(shù)。

③數(shù)據(jù)采集模式：通過功能鍵進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式，首先進(jìn)行采集量的零點(diǎn)自動校準(zhǔn)，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并將采集的數(shù)據(jù)在LCD上顯示。如果計(jì)算機(jī)進(jìn)入采集和傳輸確定狀態(tài)，即發(fā)送數(shù)據(jù)采集和傳輸命令，采集的數(shù)據(jù)即可連續(xù)上傳到計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件由C++編制，主要功能是控制數(shù)據(jù)傳輸，接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳的應(yīng)變、位移和加速度數(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。

主要具有以下幾種功能：

①控制數(shù)據(jù)傳輸功能：

計(jì)算機(jī)進(jìn)入傳輸確定狀態(tài)，也就是發(fā)送傳輸命令，各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并通過USB接口上傳到計(jì)算機(jī)，這些數(shù)據(jù)以文件的形式保存起來。

②回放記錄數(shù)據(jù)功能：

首先選擇數(shù)據(jù)文件，然后開始回放。選擇文件后，在空閑狀態(tài)下可以開始回放數(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?，并從當(dāng)前位置繼續(xù)回放。停止按鈕停止回放。

③快速繪圖功能：

首先選擇數(shù)據(jù)文件，打開數(shù)據(jù)可以曲線的形式在屏幕上顯示出來，通常有時間曲線也就是示波曲線，連續(xù)FFT曲線、或沖擊響應(yīng)頻譜曲線。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(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明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。