一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括位移信號采集單元、振動信號采集單元和載荷信號采集單元，上述各個采集單元分別通過Zigbee模塊與路由節(jié)點無線相連，路由節(jié)點與Zigbee協(xié)調(diào)器無線相連，Zigbee協(xié)調(diào)器與主控計算機相連，主控計算機與安監(jiān)部門相連；以上信號采集單元內(nèi)還包括一個作為可調(diào)電阻使用的可編程數(shù)字電位器，以實現(xiàn)所述比較器的滿擺幅輸出。該種基于Zigbee模塊的智能橋梁健康監(jiān)測儀能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測的智能化，并且能夠存儲數(shù)據(jù)，多臺組網(wǎng)后能夠?qū)崿F(xiàn)對整座大橋的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大減少了布線的工作量；大橋上的監(jiān)測節(jié)點采用太陽能電池板供電，既方便又節(jié)能。
【專利說明】—種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及橋梁安全監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代高架鐵路和公路的高速度、高密度連續(xù)運營等特點對安全工作提出了更嚴(yán)格的要求，高速行駛的車輛對橋梁的動力作用遠(yuǎn)大于普通車輛，因此對行車安全提出了更高的要求。車輛高速通過時對橋梁支點的擠壓和振動而產(chǎn)生橋梁的變形和吊空，或者橋梁和橋墩之間相對位移(如地表沉降)造成的橋梁變形和吊空，會影響車輛行駛的穩(wěn)定性，更會危害橋梁安全，因此需對橋梁及其支點進行長期動態(tài)監(jiān)測，以做到提前預(yù)警，防止事故發(fā)生。
[0003]橋梁變形監(jiān)測主要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計要求和用途以及處于施工期監(jiān)測還是運營期長期監(jiān)測來確定監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測精度和監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的變形和位移監(jiān)測方法可采用GPS、極坐標(biāo)、精密量距、導(dǎo)線測量、前方交會、正垂線、電垂直梁、水準(zhǔn)測量等。由于鐵路、公路橋梁的建設(shè)普遍遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，傳統(tǒng)監(jiān)測方法供電方面難度很大，加上綿延數(shù)百公里的高鐵線路需要數(shù)量巨大的監(jiān)測傳感器且形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此目前對超長距離如高鐵橋梁位移的監(jiān)測尚無成功的應(yīng)用案例。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于光柵傳感器的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該種基于Zigbee模塊的智能橋梁健康監(jiān)測儀能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測的智能化，并且能夠存儲數(shù)據(jù)，多臺組網(wǎng)后能夠?qū)崿F(xiàn)對整座大橋的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大減少了布線的工作量；大橋上的監(jiān)測節(jié)點采用太陽能電池板供電，既方便又節(jié)能。
[0005]本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括位移信號采集單元、振動信號采集單元和載荷信號采集單元，上述各個采集單元分別通過Zigbee模塊與路由節(jié)點無線相連,所述路由節(jié)點與Zigbee協(xié)調(diào)器無線相連，所述Zigbee協(xié)調(diào)器與主控計算機相連，所述主控計算機與安監(jiān)部門相連。
[0006]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元、振動信號采集單元和載荷信號采集單元內(nèi)還包括一個作為可調(diào)電阻使用的可編程數(shù)字電位器，將此電位器作為所述單元內(nèi)對應(yīng)比較器的前置電路，以實現(xiàn)所述比較器的滿擺幅輸出；所述可編程數(shù)字電位器采用CAT5111集成電路塊，所述比較器選用MAX9021集成電路塊。
[0007]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元內(nèi)的位移傳感器采用QH-800光柵線位移傳感器，所述振動信號采集單元內(nèi)的振動傳感器采用RP670B低頻振動傳感器，所述載荷信號采集單元內(nèi)的載荷傳感器采用Interfacell01-2 型傳感器。
[0008]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元、振動信號采集單元和載荷信號采集單元采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和微處理器分析處理后，通過Zigbee模塊和GPRS模塊將信號無線發(fā)送到路由節(jié)點。
[0009]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述Zigbee協(xié)調(diào)器通過電平轉(zhuǎn)換模塊與主控計算機相連。
[0010]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述電平轉(zhuǎn)換模塊采用FT232RL作為主控芯片。
[0011]上述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述各個信號采集單元采用太陽能電池板供電。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有一下優(yōu)點:
[0013]1、本實用新型為了獲取有效、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本監(jiān)測儀采用由PIC微控制器構(gòu)成的超低功耗的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)和由ZigBee無線模塊構(gòu)成超低功耗無線傳輸模塊還有由超大存儲器構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲器，這些用以保障數(shù)據(jù)采集、傳輸過程的長期穩(wěn)定可靠運行。
[0014]2、ZigBee模塊采用IEEE802.15.4協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的無線通信模塊，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，比較適合整個橋梁的多點監(jiān)控。
[0015]3、利用多種傳感器無線節(jié)點組成的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)橋梁的振動、位移、數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸，本監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了橋梁監(jiān)測的特殊情況，具有抗振動，防塵埃，抗電磁輻射干擾能力強，不會受外界電子設(shè)備的電磁干擾而產(chǎn)生異常動作，保障了系統(tǒng)的高可靠性，可以實用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。
[0016]4、大橋上的監(jiān)測節(jié)點采用太陽能電池板供電，由于大橋上不便架設(shè)市電，且監(jiān)測系統(tǒng)耗電不是很大，故采用太陽能電池板供電，既方便又節(jié)能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1本實用新型的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0018]圖2本實用新型的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點電氣原理圖；
[0019]圖3本實用新型的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)Zigbee模塊通用原理圖；
[0020]圖4本實用新型的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路圖；
[0021]圖5本實用新型的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測布置示意圖。
[0022]標(biāo)記說明:
[0023]1、信號采集單元；2、振動信號采集單元；3、載荷信號采集單元；
[0024]4、太陽能電池板；6、路由節(jié)點；7、Zigbee協(xié)調(diào)器；
[0025]8、主控計算機；9、安監(jiān)部門。

【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖進一步詳細(xì)描述本實用新型的【具體實施方式】:
[0027]如圖1所示，一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括位移信號采集單元1、振動信號采集單元2和載荷信號采集單元3，上述各個采集單元分別通過Zigbee模塊與路由節(jié)點6無線相連，所述路由節(jié)點6與Zigbee協(xié)調(diào)器7無線相連，所述Zigbee協(xié)調(diào)器7與主控計算機8相連，所述主控計算機8與安監(jiān)部門9相連。
[0028]本實施例中，所述位移信號采集單元1、振動信號采集單元2和載荷信號采集單元3內(nèi)還包括一個作為可調(diào)電阻使用的可編程數(shù)字電位器，將此電位器作為所述單元內(nèi)對應(yīng)比較器的前置電路，以實現(xiàn)所述比較器的滿擺幅輸出；所述可編程數(shù)字電位器采用CAT5111集成電路塊，所述比較器選用MAX9021集成電路塊。
[0029]本實施例中，所述位移信號采集單元I內(nèi)的位移傳感器采用QH-800光柵線位移傳感器，所述振動信號采集單元2內(nèi)的振動傳感器采用RP670B低頻振動傳感器，所述載荷信號采集單元3內(nèi)的載荷傳感器采用Interfacell01-2型傳感器。
[0030]本實施例中，所述位移信號采集單元1、振動信號采集單元2和載荷信號采集單元3采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和微處理器分析處理后，通過Zigbee模塊和GPRS模塊將信號無線發(fā)送到路由節(jié)點6。
[0031]本實施例中，所述Zigbee協(xié)調(diào)器7通過電平轉(zhuǎn)換模塊與主控計算機8相連。由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點均采用Zigbee模塊CC2430芯片作為硬件基礎(chǔ)，其通用應(yīng)用電路如圖3所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點設(shè)計差別不大，其主要功能是連接無線網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)與上位機的接口，不同點在于終端節(jié)點需要添加傳感器以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路
[0032]本實施例中，所述電平轉(zhuǎn)換模塊采用FT232RL作為主控芯片。這是由于CC2430芯片的電平與上位機串口電平不相匹配導(dǎo)致的，這里采用FT232RL實現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換，并通過USB接口完成與上位機之間的串口通信。接入的兩個LED燈通過閃爍來提示當(dāng)前存在信號的輸入輸出，電路如圖4所不。
[0033]如圖5所示，本實施例中，所述各個信號采集單元采用太陽能電池板4供電。由于大橋上不便架設(shè)市電，且監(jiān)測系統(tǒng)耗電不是很大，故采用太陽能電池板4供電，既方便又節(jié)倉泛。
[0034]下面結(jié)合圖2和圖3，給出對具體實施例的說明:如圖所示，微控制器stcl2c5a60s2是雙串口、單時鐘/機器周期的單片機，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S。數(shù)據(jù)存儲模塊由USB接口模塊和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出功能。微控制器MCU通過USB接口模塊和數(shù)據(jù)存儲器進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)存儲器把位移、振動、載荷等數(shù)據(jù)實時記錄下來，供日后分析使用。MCU可以自由讀寫CH375存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)，也可以自由定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
[0035]收發(fā)模塊由Zigbee模塊和GPRS模塊構(gòu)成。當(dāng)多個橋梁健康監(jiān)測儀對橋梁進行整體健康監(jiān)測時，作為協(xié)調(diào)器使用的監(jiān)測儀接有Zigbee模塊和GPRS模塊，作為路由器使用的監(jiān)測儀只接有Zigbee模塊，不用接GPRS模塊?；贑C2430的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如圖3。該模塊主要包括2.0 V -3.6 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復(fù)位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，這里由內(nèi)部電路提供，需外加晶體振蕩器和2個負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。Rl和R2為偏置電阻，電阻Rl主要用來為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用I個32 MHz的石英諧振器Xl和2只電容Cl和C2構(gòu)成I個32 MHz的晶振電路。用I個32.768kHz的石英諧振器X2和2個電容C5和C6構(gòu)成I個32.768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+jl80 Ω，阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)該數(shù)值進行調(diào)整。具體實現(xiàn)時可以采用50 Ω單極子天線，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路用做平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路，完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。作為協(xié)調(diào)器使用的監(jiān)測儀通過無線網(wǎng)絡(luò)接收作為路由器使用的監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)并通過GPRS發(fā)送給上位機。在這里把橋梁健康參數(shù)分為健康、亞健康、病態(tài)三個級別，數(shù)據(jù)電位器的電壓大小對應(yīng)于橋梁健康參數(shù)的電信號電壓，平時MUC、Zigee模塊、GPRS模塊處于休眠狀態(tài)，用以節(jié)電，只有傳感器和比較器工作，傳感器采集的電信號達(dá)到比較器，與數(shù)據(jù)電位器的電壓進行比較，如果小于數(shù)據(jù)電位器的電壓，認(rèn)為橋梁健康狀況良好，不用觸發(fā)MCU，如果大于數(shù)據(jù)電位器的電壓，認(rèn)為橋梁健康有問題，比較器觸發(fā)MCU進行數(shù)據(jù)采集分析，并把采集是數(shù)據(jù)進行存儲。如果橋梁健康參數(shù)達(dá)到病態(tài)級別，MCU則啟動Zigbee無線模塊，把數(shù)據(jù)發(fā)送給作為協(xié)調(diào)器使用的監(jiān)測儀，作為協(xié)調(diào)器使用的監(jiān)測儀啟動GPRS模塊，把報警數(shù)據(jù)通過主控計算機發(fā)送給監(jiān)控人員。
[0036]綜上所述，本種智能橋梁健康監(jiān)測儀是通過高精度傳感器測量橋梁的環(huán)境參數(shù)和自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)來監(jiān)測橋梁的健康狀態(tài)，通過對采集的參數(shù)進行分析，可以用于檢測橋梁設(shè)計是否合理，檢測橋梁是否存在健康隱患，為進行橋梁方面的科學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)支持。為了獲取有效、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本監(jiān)測儀采用由PIC微控制器構(gòu)成的超低功耗的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)和由ZigBee無線模塊構(gòu)成超低功耗無線傳輸模塊還有由超大存儲器構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲器，這些用以保障數(shù)據(jù)采集、傳輸過程的長期穩(wěn)定可靠運行。ZigBee模塊采用IEEE802.15.4協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的無線通信模塊，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。比較適合整個橋梁的多點監(jiān)控。利用多種傳感器無線節(jié)點組成的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)橋梁的振動、位移、數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸，本監(jiān)測儀在設(shè)計時充分考慮了橋梁監(jiān)測的特殊情況，具有抗振動，防塵埃，抗電磁輻射干擾能力強，不會受外界電子設(shè)備的電磁干擾而產(chǎn)生異常動作，保障了系統(tǒng)的高可靠性，可以實用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。
[0037]本實用新型不局限于上述具體的實施方式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從上述構(gòu)思出發(fā)，不經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括位移信號采集單元(I)、振動信號采集單元(2)和載荷信號采集單元(3)，上述各個采集單元分別通過Zigbee模塊與路由節(jié)點(6)無線相連，所述路由節(jié)點(6)與Zigbee協(xié)調(diào)器(7)無線相連，所述Zigbee協(xié)調(diào)器(7)與主控計算機(8)相連，所述主控計算機(8)與安監(jiān)部門(9)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元(I)、振動信號采集單元(2)和載荷信號采集單元(3)內(nèi)還包括一個作為可調(diào)電阻使用的可編程數(shù)字電位器，將此電位器作為所述單元內(nèi)對應(yīng)比較器的前置電路，以實現(xiàn)所述比較器的滿擺幅輸出；所述可編程數(shù)字電位器采用CAT5111集成電路塊，所述比較器選用MAX9021集成電路塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元(I)內(nèi)的位移傳感器采用QH-800光柵線位移傳感器，所述振動信號采集單元(2)內(nèi)的振動傳感器采用RP670B低頻振動傳感器，所述載荷信號采集單元(3)內(nèi)的載荷傳感器采用Interfacel 101-2型傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述位移信號采集單元(I)、振動信號采集單元(2)和載荷信號采集單元(3)采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和微處理器分析處理后，通過Zigbee模塊和GPRS模塊將信號無線發(fā)送到路由節(jié)點(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述Zigbee協(xié)調(diào)器(7)通過電平轉(zhuǎn)換模塊與主控計算機(8)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述電平轉(zhuǎn)換模塊采用FT232RL作為主控芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述各個信號采集單元采用太陽能電池板(4)供電。
【文檔編號】G05B19/418GK204009523SQ201420300798
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】侯文瑞, 蘇毅 申請人:寧夏眾誠科創(chuàng)信息科技有限公司, 侯文瑞, 蘇毅