一种基于射频能量收集的结构健康监测系统

1.一种基于射频能量收集的结构健康监测系统，其特征在于：该系统包括多个监测节点、一个汇聚节点、一个射频源和PC端上位机；监测节点部署在结构内部，通过温度传感器、位移传感器、应力传感器检测结构的健康状况；射频源可放置在被检测结构的外侧，监测节点收集射频源发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点部署在结构外侧并与PC端通过USB串口相连，汇聚节点通过无线接收监测节点发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至PC端；PC端上位机接收数据后，对数据进行显示、处理和存储，并向用户提供可视化的操作界面；
所述监测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成；其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器分别与微处理器相连；能量收集天线采用中心频率为915MHz的Patch天线，接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由P2110B能量转换芯片及其外围电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中；稳压模块将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；
温度传感器、应力传感器、位移传感器感知结构内部的健康信息；监测节点的微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，微处理器内嵌一个8051的内核；微处理器接收传感器的测量数据并处理；ZigBee通信模块将处理后的数据通过天线发送至汇聚节点；
所述汇聚节点由ZigBee通信模块、LED指示灯、微处理器、USB串口和电平转换模块组成；其中，LED指示灯、电平转换模块和ZigBee通信模块均与微处理器相连，USB串口与电平转换模块相连；ZigBee通信模块通过天线接收监测节点发送的结构健康信息数据；LED指示灯指示是否接收到正确的数据包；汇聚节点的微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，微处理器对数据包进行分析，提取有效的传感器数据并处理；USB串口将汇聚节点与PC端连接，用于数据传输和供电；USB串口和电平转换模块用于上传汇聚节点的代码，同时用于汇聚节点向PC端上位机传输数据；
所述PC端上位机工作过程如下：
(1)读取串口数据：LabVIEW上位机调用VISA的I/O串口采集函数采集汇聚节点发送的串口数据，以获得结构健康监测区域的监测数据；
(2)解析数据包：当串口接收到数据时，对该数据包进行分析，若数据格式符合要求且数据包的标志位返回正确值，则对该数据包进行解析，获得监测节点的传感器信息；
(3)实时显示：调用波形图控件，将结构健康状况实时显示在波形图和列表中；
(4)数据存储：调用电子表格写入函数，将结构健康数据按照指定的格式存储到文件当中；
(5)操作界面：操作界面包含完整拖放式的输入控件，用户可根据需求随意控制各个功能模块，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。

一种基于射频能量收集的结构健康监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无线传感器技术，尤其涉及一种基于射频能量收集的结构健康监测系统。\n背景技术\n[0002] 土木工程结构在长期使用过程中会因各种自然及人为因素的左右而不可避免地发生损伤，如结构在刚度、强度、边界以及连接条件等方面的蜕变或下降，从而影响结构体系未来的使用性能。近年来，我国土木事故频繁发生，如桥梁的断裂、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失。\n[0003] 目前，结构监测系统部署在结构表面，利用传输线将传感器信号传到中心存储单元，这种无损检测方式分析包括结构响应在内的结构系统特性，达到检测结构损伤或退化的一些变化。而有线的连接方式安装成本高，检测设备容易受到损坏。结构检测也分为局部检测和整体检测，在整体检测方法当中，需要检测结构体内部的结构参数，而传统的检测方式只能检测结构外部的参数。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于射频能量收集的结构健康监测系统。\n[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种基于射频能量收集的结构健康监测系统，包括多个监测节点、一个汇聚节点、一个射频源和PC端上位机；监测节点部署在结构内部，通过温度传感器、位移传感器、应力传感器检测结构的健康状况；射频源可放置在被检测结构的外侧，监测节点收集射频源发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点部署在结构外侧并与PC端通过USB串口相连，汇聚节点通过无线接收监测节点发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至PC端；PC端上位机接收数据后，对数据进行显示、处理和存储，并向用户提供可视化的操作界面。\n[0006] 进一步地，所述监测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成。其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器分别与微处理器相连。能量收集天线采用中心频率为915MHz的Patch天线，接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由美国Powercast公司的P2110B能量转换芯片及其外围电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中，其中超级电容选用的是AVX Bestcap系列超级电容；稳压芯片选用安森美半导体公司的新型低压差线性稳压芯片NCP698SQ30T1G，用于将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器采用美信半导体公司新推出的高精度低功耗温度传感器MAX6613，应力传感器采用KFG系列混凝土应变片，位移传感器采用GEFRAN系列位移传感器，这三个传感器用于感知结构内部的健康信息；微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，这款微处理器内嵌一个8051的内核，同时结合了领先的RF收发器的优良性能，将传感器采集的数据处理后通过天线发送至汇聚节点。\n[0007] 微处理器的工作过程如下：微处理器上电后，先完成系统及各个模块的初始化工作。利用内部ADC读取传感器输出的模拟电压值，多次采样求得平均值，并转换为温度、应力和位移相对应的物理量数据。监测节点的无线收发模块搜索汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求，若请求成功，则向汇聚节点传输传感器数据包。\n[0008] 进一步地，所述汇聚节点由ZigBee通信模块，LED指示灯、微处理器、USB串口和电平转换模块；其中，LED指示灯、电平转换模块和ZigBee通信模块与微处理器相连，微处理器通过电源供电，串口与电平转换模块相连。ZigBee通信模块通过天线接收监测节点发送的结构健康信息数据。LED指示灯指示是否接收到正确的数据包；微处理器和ZigBee通信模块采用TI公司CC2530芯片，微处理器对数据包进行分析，提取有效的传感器数据并处理；USB串口将汇聚节点与PC端连接，用于数据传输和供电；串口和电平转换模块用于上传汇聚节点的代码，同时用于汇聚节点向PC端上位机传输数据。\n[0009] 微处理器的工作过程如下：接收监测节点发来的数据包，对数据包进行分析，判断数据包的来源和内容，并将分析结果上传至PC端上位机。\n[0010] 进一步地，PC端上位机工作过程如下：\n[0011] (1)读取串口数据：LabVIEW上位机调用VISA的I/O串口采集函数采集汇聚节点发送的串口数据，以获得结构健康监测区域的监测数据；\n[0012] (2)解析数据包：当串口接收到数据时，对该数据包进行分析，若数据格式符合要求且数据包的标志位返回正确值，则对该数据包进行解析，获得监测节点的传感器信息；\n[0013] (3)实时显示：调用波形图控件，将结构健康状况实时显示在波形图和列表中。\n[0014] (4)数据存储：调用电子表格写入函数，将结构健康数据按照指定的格式存储到文件当中。\n[0015] (5)操作界面：操作界面包含完整拖放式的输入控件，用户可根据需求随意控制各个功能模块，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。\n[0016] 本发明具有的有益效果是：基于射频能量收集的结构健康监测系统，监测节点能够部署在结构内部，自主收集射频源发射的射频能量并为自身供电，不需要使用额外电池，大大延长了传感器节点的生命周期；使用成熟的ZigBee无线通信协议，支持限时入网、入网加密、数据加密等高级安全策略；应力传感器、温度传感器、位移传感器能够有效的检测结构健康状况，且可支持其他类型的传感器；简单直观的上位机界面可方便用户进行操作；系统可应用在多种多样的结构体，譬如道路、桥梁、建筑物等，具有很好的实用性和可移植性；\n系统实时监测的数据可用于判断结构的健康变化趋势，提前预警，降低经济损失和人员伤亡。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明的整体结构框图；\n[0018] 图2是监测节点的结构图；\n[0019] 图3是汇聚节点的结构图；\n[0020] 图4是ZigBee通信的程序流程图；\n[0021] 图5是PC端上位机的程序流程图。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0023] 如图1所示，基于射频能量收集的结构健康监测系统包括多个监测节点、一个汇聚节点、一个射频源和PC端上位机；监测节点部署在结构内部，通过温度传感器、位移传感器、应力传感器检测结构的健康状况；射频源可放置在被检测结构的外侧，监测节点收集射频源发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点部署在结构外侧并与PC端通过USB串口相连，汇聚节点通过无线接收监测节点发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至PC端；PC端上位机接收数据后，对数据进行显示、处理和存储，并向用户提供可视化的操作界面。\n[0024] 如图2所示，监测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成。其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器分别与微处理器相连。能量收集天线采用中心频率为915MHz的Patch天线，接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由美国Powercast公司的P2110B能量转换芯片及其外围电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中，其中超级电容选用的是AVX Bestcap系列超级电容；稳压芯片选用安森美半导体公司的新型低压差线性稳压芯片NCP698SQ30T1G，用于将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器采用美信半导体公司新推出的高精度低功耗温度传感器MAX6613，应力传感器采用KFG系列混凝土应变片，位移传感器采用GEFRAN系列位移传感器，这三个传感器用于感知结构内部的健康信息；微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，这款微处理器内嵌一个8051的内核，同时结合了领先的RF收发器的优良性能，将传感器采集的数据处理后通过天线发送至汇聚节点。\n[0025] 微处理器的工作过程如下：微处理器上电后，先完成系统及各个模块的初始化工作。利用内部ADC读取传感器输出的模拟电压值，多次采样求得平均值，并转换为温度、应力和位移相对应的物理量数据。监测节点的无线收发模块搜索汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求，若请求成功，则向汇聚节点传输传感器数据包。\n[0026] 如图3所示，汇聚节点由ZigBee通信模块，LED指示灯、微处理器、USB串口和电平转换模块；其中，LED指示灯、电平转换模块和ZigBee通信模块与微处理器相连，微处理器通过电源供电，串口与电平转换模块相连。ZigBee通信模块通过天线接收监测节点发送的结构健康信息数据。LED指示灯指示是否接收到正确的数据包；微处理器和ZigBee通信模块采用TI公司CC2530芯片，微处理器对数据包进行分析，提取有效的传感器数据并处理；USB串口将汇聚节点与PC端连接，用于数据传输和供电；串口和电平转换模块用于上传汇聚节点的代码，同时用于汇聚节点向PC端上位机传输数据。\n[0027] 微处理器的工作过程如下：接收监测节点发来的数据包，对数据包进行分析，判断数据包的来源和内容，并将分析结果上传至PC端上位机。\n[0028] 如图4所示，ZigBee通信程序流程图，其中(a)、(b)分别为汇聚节点和监测节点的ZigBee通信程序流程图。汇聚节点负责建立通信网络，在上电初始化完成后，对信道扫描，若未搜索到其它协调器信标，则在该信道上组建网络。若信道已被其他协调器占用，则立即切换值其他信道，继续扫描知道发现新的空闲信道。在网络都建立完毕之后，进入监听模式，通过任务轮询来响应监测节点信息。\n[0029] 终端节点上电初始化完成后开始主动扫描，搜寻汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求。在进入网络后，将进行节点的匹配绑定工作，在回复汇聚集节点的查询信息后，入网确认。确认成功后，向汇聚节点发送传感器数据包。\n[0030] 如图5所示，PC端上位机工作过程如下：\n[0031] (1)读取串口数据：LabVIEW上位机调用VISA的I/O串口采集函数采集汇聚节点发送的串口数据，以获得结构健康监测区域的监测数据；\n[0032] (2)解析数据包：当串口接收到数据时，对该数据包进行分析，若数据格式符合要求且数据包的标志位返回正确值，则对该数据包进行解析，获得监测节点的传感器信息；\n[0033] (3)实时显示：调用波形图控件，将结构健康状况实时显示在波形图和列表中。\n[0034] (4)数据存储：调用电子表格写入函数，将结构健康数据按照指定的格式存储到文件当中。\n[0035] (5)操作界面：操作界面包含完整拖放式的输入控件，用户可根据需求随意控制各个功能模块，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。