[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510694857.2
• 申請(qǐng)日: 2015-10-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105403421B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳積明;陳碩;史治國(guó)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 杭州鈦比科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01M99/00
• 分類(lèi)號(hào): G01M99/00
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發(fā)明公開(kāi)一種基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、一個(gè)射頻源和PC端上位機(jī)；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)溫度傳感器、位移傳感器、應(yīng)力傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況；射頻源放置在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的外側(cè)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收集射頻源發(fā)送的射頻能量從而為節(jié)點(diǎn)自身供電；匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)與PC端通過(guò)USB串口相連，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至PC端；PC端上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和存儲(chǔ)，并向用戶(hù)提供可視化的操作界面。本發(fā)明通過(guò)無(wú)線可充電傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的健康情況，具有很高的實(shí)用性和可移植性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器技術(shù)，尤其涉及一種基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

土木工程結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)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(jié)構(gòu)在剛度、強(qiáng)度、邊界以及連接條件等方面的蛻變或下降，從而影響結(jié)構(gòu)體系未來(lái)的使用性能。近年來(lái)，我國(guó)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(cái)產(chǎn)損失。

目前，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署在結(jié)構(gòu)表面，利用傳輸線將傳感器信號(hào)傳到中心存儲(chǔ)單元，這種無(wú)損檢測(cè)方式分析包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)備容易受到損壞。結(jié)構(gòu)檢測(cè)也分為局部檢測(cè)和整體檢測(cè)，在整體檢測(cè)方法當(dāng)中，需要檢測(cè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而傳統(tǒng)的檢測(cè)方式只能檢測(cè)結(jié)構(gòu)外部的參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明涉及一種基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、一個(gè)射頻源和PC端上位機(jī)；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)溫度傳感器、位移傳感器、應(yīng)力傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況；射頻源可放置在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的外側(cè)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收集射頻源發(fā)送的射頻能量從而為節(jié)點(diǎn)自身供電；匯聚節(jié)點(diǎn)部署在結(jié)構(gòu)外側(cè)并與PC端通過(guò)USB串口相連，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線接收監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至PC端；PC端上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和存儲(chǔ)，并向用戶(hù)提供可視化的操作界面。

進(jìn)一步地，所述監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由能量收集天線、能量轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓模塊、超級(jí)電容、溫度傳感器、應(yīng)力傳感器、位移傳感器、微處理器和ZigBee通信模塊構(gòu)成。其中，能量收集天線與能量轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)過(guò)阻抗匹配后相連，能量轉(zhuǎn)換模塊分別與穩(wěn)壓模塊和超級(jí)電容相連，溫度傳感器、應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換為高頻直流電；能量轉(zhuǎn)換模塊由美國(guó)Powercast公司的P2110B能量轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路構(gòu)成，將天線所產(chǎn)生的高頻直流電轉(zhuǎn)換為低頻直流電并存儲(chǔ)在超級(jí)電容當(dāng)中，其中超級(jí)電容選用的是AVX Bestcap系列超級(jí)電容；穩(wěn)壓芯片選用安森美半導(dǎo)體公司的新型低壓差線性穩(wěn)壓芯片NCP698SQ30T1G，用于將能量轉(zhuǎn)換模塊的輸出轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3V直流電壓，并為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電；溫度傳感器采用美信半導(dǎo)體公司新推出的高精度低功耗溫度傳感器MAX6613，應(yīng)力傳感器采用KFG系列混凝土應(yīng)變片，位移傳感器采用GEFRAN系列位移傳感器，這三個(gè)傳感器用于感知結(jié)構(gòu)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(gè)8051的內(nèi)核，同時(shí)結(jié)合了領(lǐng)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(guò)天線發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

微處理器的工作過(guò)程如下：微處理器上電后，先完成系統(tǒng)及各個(gè)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(zhuǎn)換為溫度、應(yīng)力和位移相對(duì)應(yīng)的物理量數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)模塊搜索匯聚節(jié)點(diǎn)廣播的信道信標(biāo)，如果發(fā)現(xiàn)該信標(biāo)，則監(jiān)聽(tīng)匯聚節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀，向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，若請(qǐng)求成功，則向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸傳感器數(shù)據(jù)包。