一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，该系统由应变采集模块、挠度采集模块、加速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，具有传感器数据采集、处理、无线传输以及传感器节点的控制管理和采集数据的上位机显示、分析与评价等功能。能够对目前广泛使用的各种形式结构的桥梁性能进行全面地检测和综合评价，用于检验新建桥梁的施工质量，评定既有桥梁的承载能力和验证发展桥梁的结构设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种桥梁荷载检测系统，特别涉及一种基于无线传感网络的 桥梁荷载检测系统。
技术介绍
在目前的桥梁荷载检测中，对于检测数据的传输均是采用有线的方式完 成。由于桥梁结构具有自身结构复杂、跨度较大、所处地理环境恶劣等诸多 特点，这就给桥梁荷载检测带来了许多不可避免的弊端如接线工作量大、 容易引入干扰信号、各种线缆不易区分、不便于携带和运输、成本较高等。随着交通事业的迅猛发展，桥梁荷载检测数据有线传输的弊端变得更加 尖锐，而一种基于无线传感网络的检测系统渐渐地走进了人们的视线。美国、 意大利等发达国家先后对信息的无线传输方式做出了很多的研究并且日趋成 熟。但是国外的检测设备的价格往往比较昂贵，例如美国桥梁诊断公司推出 的一款无线传感器节点的报价高达6万元人民币，整套设备的价格更是不菲， 这明显不适合我国的国情与国民的消费水平。对于国内的一些大学喝研究机 构也在从事这方面的研究工作。但是，迄今为止，国内还没有出现一款完整 的、成型的由无线传感网络实现的桥梁荷载检测设备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于无线传感网 络的桥梁荷载检测系统，能够实现桥梁静载动载检测数据的采集、自动处理、 无线传输和分析评价等功能。本专利技术的技术方案是这样实现的由应变采集模块、挠度采集模块、加 速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，应变采集模块、挠度采 集模块和加速度采集模块分别与数据处理模块的模数转化端口相连；数据处 理模块与无线收发模块通过SPI总线进行通信；数据处理模块与辅助存储器 模块也是基于SPI总线通信的；无线收发模块汇节点SINK它与上位机的数 据传输通过串行通信，应变采集模块的供电模块分别给应变采集模块和加速 采集模块的偏置加法模块供电，数据处理及无线收发模块的供电模块给数据 处理模块ATMegal28L和无线收发模块CC2420供电。采集到的数据通过无线的方式进行传输。应变采集模块的供电模块为+5V供电模块，数据处理收发模块的供电模 块为+3.3￥供电模块。应变采集模块由1K的应变片、精密微调电位器、仪表放大器AD620AN、 偏置模块和应变采集供电模块等组成，两个1K的应变片和两个精密微调的 电位器构成一个测量电桥，电桥的每半个桥臂由一个应变片和一个精密微调 电位器串联构成，在两个电位器的非接地端，引出两根信号线作为放大模块 的差分输入信号。所述的偏置模块是一个分压器，由一个1K的电阻和一个2K的精密微 调电位器串联组成，并在其两端加入+5V的电压，然后从电阻和电位器的连 接点引出一条信号线接入仪表放大器AD620AN的5管脚，用以将负电压变 为正电压。挠度采集模块由仪表电池9V和LVDT位移传感器组成，将仪表电池的 正负极分别接到LVDT位移传感器的两根电源线上，将位移传感器的两根信 号线分别接入数据处理模块的模数转化端口，其中任意一个和GND接地管 脚上。加速度采集模块由+5V供电模块、加速度传感器YE5932A、偏置加法模 块组成，该模块的偏置加法模块由芯片LM324、 1个10K的电阻、1个20K的精密微调电位器和一个4.7uF的电解电容构成，将加速度传感器采集到的 信号送入4.7uF电解电容的负极性端，将10K的电阻和20K的精密微调电位 器串联，并在其两端加入+3V的电压，将电解电容的正极性端与电阻和电位 器的连接点相连，并从此点引出信号线至LM324的3端口，同时将LM324 的4端口接入+5V电压，11端口接地，1和2端口相互连接，将经过加法后 的信号LM324的1端口送入模数转化ADC端口，其中任意一个，以便数据， 处理模块进行数据的处理。数据处理及无线收发模块的供电模块即+3.3V供电模块，由两节干电池 和芯片MAX1678构成，将两节干电池的正极输入与它的1、 4、 7端口连接， 5、 6端口跟电池的负极相连，8端口输出3.3V的电压，在1和7端口之间 连入一个47uH的电感，8端口与地之间接一个10uF的电解电容。应变采集模块的供电模块由两节干电池和芯片MAX631构成，用两节干 电池为MAX631芯片提供1.5V 3.0V的输入电压，MAX631的4端口作为 电池电压的输入，1、 3和7端口接地，5端口作为转化电压的输出端口，同 时在4端口和电池正极之间接上一个330mH的电感，在5端口和地之间接 上一个0.1uF的电解电容。 本专利技术具有以下优点-1、 本检测系统采用无线传感网络的技术，数据的传输采用基于 ZigBeX协议的无线传输模式，避免了有线传输模式的大规模的布 线，降低了检测成本，提高了桥梁检测的工作效率；2、 本检测系统具有轻小、便携和低功耗等优点，从传感器模块到数 据处理传输模块都是采用干电池进行供电的，同时传感器模块采 用了高效率低功耗的电压转化芯片，数据处理传输模块也具有休 眠功能，从而有效地节约了能量；3、 本检测系统中无线传输的信号是数字信号，其特点是抗干扰能力比较强，能够提高数据传输的安全性，便于远距离的传输。附图说明图1是无线桥梁荷载检测系统结构框图； 图2是应变采集模块原理框图； 图3是应变采集模块的偏置模块原理框图； 图4是挠度采集模块接口框图； 图5是加速度采集模块接口框图； 图6是加速度采集模块的偏置加法模块原理框图； 图7是应变采集模块的供电框图； 图8是数据处理及无线收发模块的供电框图； 图9是无线桥梁检测系统嵌入式模块功能框图； 图IO是无线桥梁荷载检测系统上位机功能模块框图； 具体实施例方式本专利技术的基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统由应变传感器、位移传感器、加速度传感器、采集放大滤波电路、AVR单片机、射频芯片CC2420、 电源供电模块电路、下载调试器、以及计算机等组成。本专利技术的基于无线传 感网络的桥梁荷载检测系统主要由传感器数据的采集模块、数据的处理模 块、数据的无线传输模块(具有数据发送和接收功能)组成。各个模块之间 是相互独立的，数据处理模块通过ADC(模数转换器)端口与数据采集模块相 连接，数据的无线传输模块通过SPI总线与数据处理模块实现通信，数据传 输模块又通过串口通信实现与上位机的连接。上位机负责监控各下位机模 块，可以向无线传输模块发布路由信息，也可接收处理各模块传来的检测数 据，显示数据信息和波形。各模块执行上位机的指令，向上位机传送检测数 据。UART接口电路负责无线收发模块与上位机间的串行通信。首先利用TinyOS集成开发环境对数据处理和无线传输程序进行编译，通过AVRStudio将编译后的目标文件下载到ATMegal28L中，利用上位机的 应用程序设置串行通信的相关参数，并打开通信端口，同时上位机也可以利 用无线的方式将由路由仿真平台获得的路由信息发送到各个传感器节点。然 后将位移传感器、加速度传感器以及应变信号调理模块的输出信号接入到 ATMegal28L的模数转化(ADC)端口。接着打开各个传感器节点和SINK节点的 开关，以及SINK节点与上位机通信的开关。通过上位机的程序可以看到各 个传感器的数据信息和相关的波形图，在数据采集结束的时候，可以将本次 采集的数据项生成报表，实现现场打印。参本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于无线传感网络的桥梁荷载检测系统，其特征在于，由应变采集模块、挠度采集模块、加速度采集模块、数据处理模块、无线收发模块、应变采集模块的供电模块和数据处理及无线收发模块的供电模块七个模块组成，应变采集模块、挠度采集模块和加速度采集模块分别与数据处理模块的模数转化端口相连；数据处理模块与无线收发模块通过ＳＰＩ总线进行通信；数据处理模块与辅助存储器模块也是基于ＳＰＩ总线通信的；无线收发模块汇节点ＳＩＮＫ它与上位机的数据传输通过串行通信，应变采集模块的供电模块分别给应变采集模块和加速采集模块的偏置加法模块供电，数据处理及无线收发模块的供电模块给数据处理模块ＡＴＭｅｇａ１２８Ｌ和无线收发模块ＣＣ２４２０供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祥模，徐志刚，史昕，邬满，王海彬，杨澜，张楠，韩永军，张立成，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]