[發明專利]一種基于射頻能量收集的結構健康監測系統

有效

• 申請號: 201510694857.2
• 申請日: 2015-10-21
• 公開（公告）號: CN105403421B
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 陳積明;陳碩;史治國
• 申請（專利權）人: 杭州鈦比科技有限公司
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于射頻能量收集的結構健康監測系統，其特征在于：該系統包括多個監測節點、一個匯聚節點、一個射頻源和PC端上位機；監測節點部署在結構內部，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，監測節點收集射頻源發送的射頻能量從而為節點自身供電；匯聚節點部署在結構外側并與PC端通過USB串口相連，匯聚節點通過無線接收監測節點發送的應力檢測數據，并將該數據進行處理后發送至PC端；PC端上位機接收數據后，對數據進行顯示、處理和存儲，并向用戶提供可視化的操作界面；

所述監測節點由能量收集天線、能量轉換模塊、穩壓模塊、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過阻抗匹配后相連，能量轉換模塊分別與穩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，接收射頻源發射的電磁波并將其轉換為高頻直流電；能量轉換模塊由P2110B能量轉換芯片及其外圍電路構成，將天線所產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；穩壓模塊將能量轉換模塊的輸出轉換為穩定的3V直流電壓，并為整個傳感器節點供電；溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器感知結構內部的健康信息；監測節點的微處理器和ZigBee通信模塊采用CC2530芯片，微處理器內嵌一個8051的內核；微處理器接收傳感器的測量數據并處理；ZigBee通信模塊將處理后的數據通過天線發送至匯聚節點；

所述匯聚節點由ZigBee通信模塊、LED指示燈、微處理器、USB串口和電平轉換模塊組成；其中，LED指示燈、電平轉換模塊和ZigBee通信模塊均與微處理器相連，USB串口與電平轉換模塊相連；ZigBee通信模塊通過天線接收監測節點發送的結構健康信息數據；LED指示燈指示是否接收到正確的數據包；匯聚節點的微處理器和ZigBee通信模塊采用CC2530芯片，微處理器對數據包進行分析，提取有效的傳感器數據并處理；USB串口將匯聚節點與PC端連接，用于數據傳輸和供電；USB串口和電平轉換模塊用于上傳匯聚節點的代碼，同時用于匯聚節點向PC端上位機傳輸數據；

所述PC端上位機工作過程如下：

(1)讀取串口數據：LabVIEW上位機調用VISA的I/O串口采集函數采集匯聚節點發送的串口數據，以獲得結構健康監測區域的監測數據；

(2)解析數據包：當串口接收到數據時，對該數據包進行分析，若數據格式符合要求且數據包的標志位返回正確值，則對該數據包進行解析，獲得監測節點的傳感器信息；

(3)實時顯示：調用波形圖控件，將結構健康狀況實時顯示在波形圖和列表中；

(4)數據存儲：調用電子表格寫入函數，將結構健康數據按照指定的格式存儲到文件當中；

(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。