一種基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器技術，尤其涉及一種基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]土木工程結構在長期使用過程中會因各種自然及人為因素的左右而不可避免地發(fā)生損傷，如結構在剛度、強度、邊界以及連接條件等方面的蛻變或下降，從而影響結構體系未來的使用性能。近年來，我國土木事故頻繁發(fā)生，如橋梁的斷裂、建筑驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。
[0003]目前，結構監(jiān)測系統(tǒng)部署在結構表面，利用傳輸線將傳感器信號傳到中心存儲單元，這種無損檢測方式分析包括結構響應在內(nèi)的結構系統(tǒng)特性，達到檢測結構損傷或退化的一些變化。而有線的連接方式安裝成本高，檢測設備容易受到損壞。結構檢測也分為局部檢測和整體檢測，在整體檢測方法當中，需要檢測結構體內(nèi)部的結構參數(shù)，而傳統(tǒng)的檢測方式只能檢測結構外部的參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:本發(fā)明涉及一種基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個監(jiān)測節(jié)點、一個匯聚節(jié)點、一個射頻源和PC端上位機；監(jiān)測節(jié)點部署在結構內(nèi)部，通過溫度傳感器、位移傳感器、應力傳感器檢測結構的健康狀況；射頻源可放置在被檢測結構的外側，監(jiān)測節(jié)點收集射頻源發(fā)送的射頻能量從而為節(jié)點自身供電；匯聚節(jié)點部署在結構外側并與PC端通過USB串口相連，匯聚節(jié)點通過無線接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的應力檢測數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至PC端；PC端上位機接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行顯示、處理和存儲，并向用戶提供可視化的操作界面。
[0006]進一步地，所述監(jiān)測節(jié)點由能量收集天線、能量轉換模塊、穩(wěn)壓模塊、超級電容、溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、微處理器和ZigBee通信模塊構成。其中，能量收集天線與能量轉換模塊經(jīng)過阻抗匹配后相連，能量轉換模塊分別與穩(wěn)壓模塊和超級電容相連，溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、微處理器和ZigBee通信模塊與穩(wěn)壓模塊相連，溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器分別與微處理器相連。能量收集天線采用中心頻率為915MHz的Patch天線，接收射頻源發(fā)射的電磁波并將其轉換為高頻直流電；能量轉換模塊由美國Powercast公司的P2110B能量轉換芯片及其外圍電路構成，將天線所產(chǎn)生的高頻直流電轉換為低頻直流電并存儲在超級電容當中，其中超級電容選用的是AVX Bestcap系列超級電容；穩(wěn)壓芯片選用安森美半導體公司的新型低壓差線性穩(wěn)壓芯片NCP698SQ30T1G，用于將能量轉換模塊的輸出轉換為穩(wěn)定的3V直流電壓，并為整個傳感器節(jié)點供電；溫度傳感器采用美信半導體公司新推出的高精度低功耗溫度傳感器MAX6613，應力傳感器采用KFG系列混凝土應變片，位移傳感器采用GEFRAN系列位移傳感器，這三個傳感器用于感知結構內(nèi)部的健康信息；微處理器和ZigBee通信模塊采用CC2530芯片，這款微處理器內(nèi)嵌一個8051的內(nèi)核，同時結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，將傳感器采集的數(shù)據(jù)處理后通過天線發(fā)送至匯聚節(jié)點。
[0007]微處理器的工作過程如下:微處理器上電后，先完成系統(tǒng)及各個模塊的初始化工作。利用內(nèi)部ADC讀取傳感器輸出的模擬電壓值，多次采樣求得平均值，并轉換為溫度、應力和位移相對應的物理量數(shù)據(jù)。監(jiān)測節(jié)點的無線收發(fā)模塊搜索匯聚節(jié)點廣播的信道信標，如果發(fā)現(xiàn)該信標，則監(jiān)聽匯聚節(jié)點的信標幀，向匯聚節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求，若請求成功，則向匯聚節(jié)點傳輸傳感器數(shù)據(jù)包。
[0008]進一步地，所述匯聚節(jié)點由ZigBee通信模塊，LED指示燈、微處理器、USB串口和電平轉換模塊；其中，LED指示燈、電平轉換模塊和ZigBee通信模塊與微處理器相連，微處理器通過電源供電，串口與電平轉換模塊相連。ZigBee通信模塊通過天線接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的結構健康信息數(shù)據(jù)。LED指示燈指示是否接收到正確的數(shù)據(jù)包；微處理器和ZigBee通信模塊采用TI公司CC2530芯片，微處理器對數(shù)據(jù)包進行分析，提取有效的傳感器數(shù)據(jù)并處理；USB串口將匯聚節(jié)點與PC端連接，用于數(shù)據(jù)傳輸和供電；串口和電平轉換模塊用于上傳匯聚節(jié)點的代碼，同時用于匯聚節(jié)點向PC端上位機傳輸數(shù)據(jù)。
[0009]微處理器的工作過程如下:接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進行分析，判斷數(shù)據(jù)包的來源和內(nèi)容，并將分析結果上傳至PC端上位機。
[0010]進一步地，PC端上位機工作過程如下:
[0011](1)讀取串口數(shù)據(jù):LabVIEW上位機調(diào)用VISA的I/O串口采集函數(shù)采集匯聚節(jié)點發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，以獲得結構健康監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)；
[0012](2)解析數(shù)據(jù)包:當串口接收到數(shù)據(jù)時，對該數(shù)據(jù)包進行分析，若數(shù)據(jù)格式符合要求且數(shù)據(jù)包的標志位返回正確值，則對該數(shù)據(jù)包進行解析，獲得監(jiān)測節(jié)點的傳感器信息；
[0013](3)實時顯示:調(diào)用波形圖控件，將結構健康狀況實時顯示在波形圖和列表中。
[0014](4)數(shù)據(jù)存儲:調(diào)用電子表格寫入函數(shù)，將結構健康數(shù)據(jù)按照指定的格式存儲到文件當中。
[0015](5)操作界面:操作界面包含完整拖放式的輸入控件，用戶可根據(jù)需求隨意控制各個功能模塊，而且在滿足基本功能的需求上，盡量美化了自定義的用戶界面，以達到最完美的人機交互效果。
[0016]本發(fā)明具有的有益效果是:基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測節(jié)點能夠部署在結構內(nèi)部，自主收集射頻源發(fā)射的射頻能量并為自身供電，不需要使用額外電池，大大延長了傳感器節(jié)點的生命周期；使用成熟的ZigBee無線通信協(xié)議，支持限時入網(wǎng)、入網(wǎng)加密、數(shù)據(jù)加密等高級安全策略；應力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器能夠有效的檢測結構健康狀況，且可支持其他類型的傳感器；簡單直觀的上位機界面可方便用戶進行操作；系統(tǒng)可應用在多種多樣的結構體，譬如道路、橋梁、建筑物等，具有很好的實用性和可移植性；系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可用于判斷結構的健康變化趨勢，提前預警，降低經(jīng)濟損失和人員傷亡。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的整體結構框圖；
[0018]圖2是監(jiān)測節(jié)點的結構圖；
[0019]圖3是匯聚節(jié)點的結構圖；
[0020]圖4是ZigBee通彳目的程序流程圖；
[0021 ] 圖5是PC端上位機的程序流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]如圖1所示，基于射頻能量收集的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)包括多個監(jiān)測節(jié)點、一個匯聚節(jié)點、一個射頻源和PC端上位機；監(jiān)測節(jié)點部署在結構內(nèi)部，通過溫度傳感器、位移傳感器、應力傳感器檢測結構的健康狀況；射頻源可放置在被檢測結構的外側，監(jiān)測節(jié)點收集射頻源發(fā)送的射頻能量從而為節(jié)點自身供電；匯聚節(jié)點部署在結構外側并與PC端通過USB串口相連，匯聚節(jié)點通過無線接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的應力檢測數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至PC端；PC端上位機接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行顯示、處理和存儲，并向用戶提供可視化的操作界面。
[0024]如圖2所示，監(jiān)測節(jié)點由能量收集天線、能量轉換模塊、穩(wěn)壓模塊、超級電容、溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、微處理器和ZigBee通信模塊構成。其中，能量收集天線與能量轉換模塊經(jīng)過阻抗匹配后相連，能量轉換模塊分別與穩(wěn)壓模塊和超級電容相連，溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、微處理器和ZigBee通信模塊與穩(wěn)壓模塊相連，溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器分別與微處理器相連。能量收集天線采用中心頻率為915MHz的Patch天線，接收射頻源發(fā)射的電磁波并將其轉換為高頻直流電；能量轉換模塊由美國Powercast公司的P2110B能量轉換芯片及其外圍電路構成，將天線所產(chǎn)生的高頻直流電轉