一種超低功耗無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于射頻能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，高層建筑、大跨橋梁、高速公路等各種重大土木工程結(jié)構(gòu)日漸增多，這些重大結(jié)構(gòu)在遭受自然或人為災(zāi)害時(shí)健康狀況引起人們關(guān)注，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)監(jiān)測并預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)性能及安全狀況對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)也成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。近年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)引用了一些先進(jìn)傳感技術(shù)，如光纖光柵傳感技術(shù)、GPS位移監(jiān)測技術(shù)、疲勞應(yīng)變計(jì)、磁通量傳感器、聲發(fā)射技術(shù)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)。
[0003]以上監(jiān)測系統(tǒng)均存在一定缺陷，例如，光纖光柵傳感器雖然可以不受電磁干擾、耐腐蝕、具有較好的復(fù)用能力，但成本較高，布置起來比較麻煩。
[0004]GPS位移監(jiān)測技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域雖然取得一些進(jìn)展，但是GPS測量質(zhì)量有賴于衛(wèi)星能見距離、信號(hào)傳輸質(zhì)量、通信延遲等因素，同時(shí)在城市間使用時(shí)需要考慮衛(wèi)星信號(hào)的多徑效應(yīng)，GPS精度也不是很理想，這些因素限制了 GPS位移監(jiān)測技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0005]基于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、測量精度高的特點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)體積大且攜帶電池壽命有限，后期需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，十分不便。
[0006]基于射頻能量采集的無源傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得利用無源的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)信息成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超低功耗無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種超低功耗的無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:多個(gè)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)、RFID閱讀器、無線路由器和控制中心，所述無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)以無線通信方式與RFID閱讀器通訊，RFID閱讀器和控制中心均與無線路由器相連。
[0009]所述無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)包括射頻前端、能量管理模塊、超低功耗MCU及傳感器模塊，其中射頻前端包括偶極子天線、整流倍壓穩(wěn)壓模塊、解調(diào)模塊與發(fā)射模塊，能量管理模塊包括依次相連的DC - DC轉(zhuǎn)換模塊、Buck降壓模塊和儲(chǔ)能電容，傳感器模塊包括電壓檢測模塊、應(yīng)變檢測模塊、溫度檢測模塊及加速度檢測模塊；所述偶極子天線分別與整流倍壓穩(wěn)壓模塊、解調(diào)模塊和發(fā)射模塊相連，整流倍壓穩(wěn)壓模塊與能量管理模塊相連，能量管理模塊分別與超低功耗MCU、電壓檢測模塊、應(yīng)變檢測模塊、溫度檢測模塊和加速度檢測模塊相連，電壓檢測模塊、應(yīng)變檢測模塊、溫度檢測模塊、電壓檢測模塊、解調(diào)模塊和發(fā)射模塊均與超低功耗MCU相連。
[0010]進(jìn)一步地，所述能量管理模塊將整流倍壓模塊輸出的直流電儲(chǔ)存到超級(jí)電容中，并穩(wěn)壓輸出3V。當(dāng)能量管理模塊測量超級(jí)電容的能量充足時(shí)，能量管理模塊自動(dòng)喚醒超低功耗MCU，并使能應(yīng)變檢測電路，超低功耗MCU完成應(yīng)變電路輸出的采樣后重新進(jìn)入休眠模式，當(dāng)能量管理模塊測量超級(jí)電容的能量不足時(shí)，關(guān)閉應(yīng)變檢測電路電源并使超低功耗MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。所述能量管理模塊以電源管理集成芯片BQ25570為核心，具有升壓充電和降壓轉(zhuǎn)換功能，在lOOmV?5V輸入電壓下能提供穩(wěn)定的電壓輸出，輸出電壓值由外部可編程電阻陣列決定，同時(shí)可外接超級(jí)電容儲(chǔ)存富余能量。能量管理模塊通過監(jiān)測儲(chǔ)能電容兩端的電壓值來控制負(fù)載電路的工作與否，當(dāng)儲(chǔ)能電容兩端電壓高于設(shè)定閾值或者負(fù)載電路工作閾值，則使能負(fù)載電路工作，否則負(fù)載電路不工作。
[0011]進(jìn)一步地，所述應(yīng)變檢測模塊包含由箔式應(yīng)變片組成的橋式電路及儀表放大器組成的電壓放大模塊，應(yīng)力的大小以輸出電壓值來表征；其中，橋式電路由電阻Rbl?Rb4組成；將Rbl?Rb4任意一個(gè)電阻換成阻值相等的箔式應(yīng)變片組成四分之一橋電路、或者將Rbl與Rb3換成兩個(gè)阻值相等的箔式應(yīng)變片組成半橋電路，或者將Rb2與Rb4換成兩個(gè)阻值相等的箔式應(yīng)變片組成半橋電路；電阻Rbl —端接參考電壓Vreg，另一端接電阻Rb2 ;電阻Rb2與Rbl相連后接儀表放大器輸入負(fù)極，電阻Rb2另一端接地；電阻Rb4 —端接參考電壓Vreg,另一端接Rb3 ;電阻Rb3另一端接地；電位計(jì)和電阻Rb5組成校零電路，電位計(jì)引腳1接參考電壓Vreg，引腳3接地，引腳2接電阻Rb5 —端，電阻Rb5另一端接儀表放大器輸入正極；儀表放大器要求低功耗，且能夠在3V電壓供電下穩(wěn)定工作，此實(shí)施例中選擇型號(hào)為Analog Device公司生產(chǎn)的AD8553但不限于此；電阻R1 —端接儀表放大器的第一放大倍數(shù)設(shè)置引腳，另一端接儀表放大器的第二放大倍數(shù)設(shè)置引腳，儀表放大器的正電源引腳接電容C4 一端，電容C4另一端接參考電壓Vreg，儀表放大器的使能引腳接超低功耗MCU的數(shù)字I/O控制引腳，儀表放大器的接地引腳接地，電阻R4—端接參考電平Vreg另一端分別連接電阻R5與電容C1的一端，電阻R5和電容C1并聯(lián)，另一端接地；電阻R2和電容C2并聯(lián)，一端接儀表放大器的偏置電壓引腳，另一端與電阻R3的一端相連后接儀表放大器的輸出引腳，電阻R3另一端分別接電容C3的一端、電阻C5的一端后作為應(yīng)變檢測模塊的輸出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引腳，電容C3的另一端、電阻C5的另一端均接地。
[0012]一種超低功耗的無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，包括以下步驟:
[0013](1)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)部署在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部；
[0014](2)當(dāng)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)接收到RFID閱讀器發(fā)出的指令后依次完成身份認(rèn)證、能量檢測、傳感器信息采集、信息編碼與回復(fù)等一系列操作后將無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)得到的傳感信息返回給RFID閱讀器，RFID閱讀器讀取并解析傳感信息；
[0015](3)RFID閱讀器與控制中心通過無線路由器連接到同一局域網(wǎng)，控制中心可遠(yuǎn)程訪問RFID閱讀器，讀取來自多個(gè)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)的傳感信息；
[0016](4)控制中心實(shí)時(shí)接收被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力信息、溫度信息及加速度信息，分析并顯示結(jié)構(gòu)健康狀況。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟(2)具體包括以下子步驟:
[0018](2.1) RFID閱讀器發(fā)出查詢指令，給無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特定時(shí)隙，當(dāng)時(shí)隙在無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)可以向RFID閱讀器返回?cái)?shù)據(jù)，即完成身份認(rèn)證；
[0019](2.2)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)通過自身偶極子天線接收來自RFID閱讀器的電磁波能量進(jìn)入充電等待狀態(tài)，電壓檢測模塊檢測到節(jié)點(diǎn)自身電壓達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)讀取應(yīng)力傳感器或溫度傳感器數(shù)值，并將傳感器數(shù)值儲(chǔ)存在超低功耗MCU的FRAM中；
[0020](2.3)每讀取一次傳感器數(shù)值，超低功耗MCU內(nèi)部計(jì)數(shù)值加一，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，將所有的傳感器數(shù)值做平均值計(jì)算并進(jìn)行EPC編碼計(jì)算得到01序列，01序列作為發(fā)射模塊的控制信號(hào)控制發(fā)射模塊處于斷開狀態(tài)或閉合狀態(tài)，兩種狀態(tài)下反射給RFID閱讀器的電磁波幅度不同；
[0021](2.4)RFID閱讀器識(shí)別反射的不同幅度的電磁波，得到EPC編碼；
[0022](2.5)控制中心通過無線路由器讀取RFID閱讀器得到的EPC編碼，解析后得到節(jié)點(diǎn)采集的應(yīng)力信息或溫度信息并存入數(shù)據(jù)庫，用戶可隨時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫獲得傳感器信息或可根據(jù)需要進(jìn)行顯示。
[0023]進(jìn)一步地，通過多次采樣傳感器數(shù)值并進(jìn)行平均值濾波得到最終的傳感器值以降低測量噪聲，得到更加精確的傳感器測量值。同時(shí)應(yīng)力檢測模塊自帶校零電路及溫度補(bǔ)償，克服溫漂對(duì)傳感器測量的干擾。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明系統(tǒng)可以大規(guī)模的部署在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的特定位置，通過射頻能量采集的方式為自身提供電量進(jìn)行傳感信息采集，充分利用射頻能量，無需攜帶電池。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部運(yùn)行通信協(xié)議，在完成身份認(rèn)證后向RFID閱讀器返回被測點(diǎn)的傳感信息，可一次性讀取多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行傳感器信息采集時(shí)采用多次采樣取平均值、傳感器溫度補(bǔ)償以及自校零電路提高傳感信息的準(zhǔn)確度。節(jié)點(diǎn)體積小，部署方便無需后期維護(hù)，可根據(jù)測量參數(shù)需要靈活修改硬件支持不同的傳感器。RFID閱讀器可固定在巡檢車上，按布設(shè)路線巡檢一次即可得到所有布設(shè)節(jié)點(diǎn)的信息，實(shí)際應(yīng)用十分方便。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖2是無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)的硬件框圖；
[0027]圖3是本發(fā)明能量管理模塊電路圖；
[0028]圖4是無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)工作流程圖；
[0029]圖5是控制中心處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明一種超低功耗的無源結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個(gè)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)、RFID閱讀器、無線路由器和控制中心，所述無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)以無線通信方式與RFID閱讀器相連，RFID閱讀器與無線路由器以有線方式相連，控制中心與無線路由器處于同一局域網(wǎng)。
[0032]其中，無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)部署在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部，測量應(yīng)力、溫度、加速度等參數(shù)，當(dāng)收到RFID閱讀器發(fā)出的特定指令后依次完成身份認(rèn)證、能量檢測、傳感器信息采集、信息編碼與回復(fù)等一系列操作后將無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)得到的傳感信息返回給RFID閱讀器。
[0033]RFID閱讀器讀取并解析來自多個(gè)無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)的傳感信息，通過無線路由器連接到一個(gè)局域網(wǎng)中，通過給路由器設(shè)定權(quán)限，局域網(wǎng)中的任意主機(jī)可訪問RFID閱讀器將讀到的傳感信息顯示在控制中心。
[0034]控制中心可以實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力信息、溫度信息及加速度信息，并將傳感信息寫入數(shù)據(jù)服務(wù)器，記錄歷史數(shù)據(jù)并根據(jù)用戶需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及顯示，并提供用戶網(wǎng)頁訪問服務(wù)。
[0035]如圖2所示，本發(fā)明所述無源結(jié)構(gòu)健康檢測節(jié)點(diǎn)包括射頻前端、能量管理模塊、超低功耗MCU及傳感器模塊，其中射頻前端包括偶極子天線、整流倍壓穩(wěn)壓模塊、解調(diào)模塊與發(fā)射模塊，能量管理模塊包括依次相連的DC - DC轉(zhuǎn)換模塊、Buck降壓模塊和儲(chǔ)能電容，傳感器模塊包括電壓檢測模塊、應(yīng)變檢測模塊、溫度檢測模塊及加速度檢測模塊；所述偶極子天線分別與整流倍壓穩(wěn)壓模塊、解調(diào)模塊和發(fā)射模塊相連，整流倍壓穩(wěn)壓模塊與能量管理模塊相連，能量管理模塊分別與超低功耗MCU、電壓檢測模塊、應(yīng)變檢測模塊、溫度檢測模塊和加速度檢測模塊相連，電壓檢測模塊、應(yīng)變檢