本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其運行方法。

背景技術(shù)：

應(yīng)力應(yīng)變是反映結(jié)構(gòu)受力情況的重要指標(biāo)，若要掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況必須進行應(yīng)力應(yīng)變測量，應(yīng)力應(yīng)變測量是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要組成部分。

大型結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，若要全面掌握結(jié)構(gòu)的受力情況，需要對結(jié)構(gòu)不同組成構(gòu)件的不同位置進行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，這將使得應(yīng)力應(yīng)變測點位置分布零散且數(shù)量龐大?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基本上都采用有線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)傳輸。有線數(shù)據(jù)傳輸方式雖然具有傳輸效率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠和技術(shù)成熟等優(yōu)點，但是在系統(tǒng)安裝過程中需要布設(shè)大量線纜，這會帶來一系列的問題：(1)有些結(jié)構(gòu)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，布線困難或會影響結(jié)構(gòu)的美觀；(2)在有些情況下，對測量的時機要求嚴(yán)格，需要快速測量，有線系統(tǒng)難以滿足這類場合的要求，例如荷載試驗；(3)基于有線數(shù)據(jù)傳輸方式的系統(tǒng)安裝時間長，所需要的人力和物力多，必然會導(dǎo)致成本的增加；(4)線纜容易損壞，保護很困難，這也給有線健康監(jiān)測系統(tǒng)的管理和維護帶來了不少問題。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,wsn)是由監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式，組成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中感知對象的信息，并通過無線通信的方式發(fā)送給觀察者。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在的布線量大、安裝和維護費用高、在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中布線困難等問題，針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中大量使用的應(yīng)變傳感器，提供了一種基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其運行方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括如下部件：

振弦式傳感器1；

無線傳感單元2；

zigbee-usb設(shè)備3；

計算機4；

所述振弦式傳感器1與無線傳感單元2相連接；

所述zigbee-usb設(shè)備3通過usb接口與計算機4連接；

所述振弦式傳感器1和無線傳感單元2共同組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

所述無線傳感單元2包括如下部件：

數(shù)據(jù)采集模塊7；

數(shù)據(jù)處理與控制模塊8；

第一無線收發(fā)模塊9；

能量供應(yīng)模塊10；

所述數(shù)據(jù)采集模塊7與振弦式傳感器1相連；

所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊8分別與數(shù)據(jù)采集模塊7和第一無線收發(fā)模塊9相連；

所述能量供應(yīng)模塊10為數(shù)據(jù)采集模塊7、數(shù)據(jù)處理與控制模塊8以及第一無線收發(fā)模塊9的工作提供能量。

所述數(shù)據(jù)采集模塊7包括如下部件：

低壓掃頻激振電路；

拾振電路；

所述低壓掃頻激振電路以低壓掃頻的方式對振弦式傳感器1的鋼弦進行激勵，使其起振；

所述拾振電路用于對振弦式傳感器1的輸出信號進行放大、濾波和整形處理；

所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊8采用stm32f103rbt6芯片。

所述第一無線收發(fā)模塊9采用cc2530芯片。

所述能量供應(yīng)模塊10為電池組(采用六節(jié)電池串聯(lián))。

所述zigbee-usb設(shè)備3包括如下部件：

第二無線收發(fā)模塊11；

usb電平轉(zhuǎn)換電路12；

所述第二無線收發(fā)模塊11通過usb電平轉(zhuǎn)換電路12與計算機4連接。

所述第二無線收發(fā)模塊11采用帶usb接口的cc2531芯片。

本發(fā)明基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行方法，包括如下步驟：

步驟一：計算機(4)通過搜索設(shè)備來與附近的無線傳感單元(2)建立連接；

步驟二：計算機(4)通過指定的串口發(fā)送指令到zigbee-usb設(shè)備(3)，zigbee-usb設(shè)備(3)把信息轉(zhuǎn)換成zigbee通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送到指定無線傳感單元(2)；

步驟三：無線傳感單元(2)中的第一無線收發(fā)模塊(9)收到數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議解釋數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)里的指令明確是一個采集信號，然后由第一無線收發(fā)模塊(9)的控制電路喚醒數(shù)據(jù)處理與控制模塊(8)；

步驟四：數(shù)據(jù)處理與控制模塊(8)通過控制數(shù)據(jù)采集模塊(7)進行低壓掃頻采集一次數(shù)據(jù)，采集到值后傳輸?shù)降谝粺o線收發(fā)模塊(9)，數(shù)據(jù)處理與控制模塊(8)進入休眠模式等待下一次喚醒；

步驟五：第一無線收發(fā)模塊(9)收到采集結(jié)果，按照通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳送給zigbee-usb設(shè)備(3)，zigbee-usb設(shè)備(3)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成usb串口格式，發(fā)送到計算機(4)軟件端的串口；

步驟六：計算機(4)收到信號后，分析通信協(xié)議格式得出頻率、溫度和電壓等數(shù)值，并計算出應(yīng)變，然后把值推送到主窗體進行顯示和記錄。

本發(fā)明基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行方法，包括如下步驟：

振弦式傳感器(1)運行步驟：

振弦式傳感器內(nèi)部是一根兩端固結(jié)并且張緊的均勻鋼弦(5)，當(dāng)在振弦式傳感器的線圈(6)中加入激勵信號后，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，鋼弦(5)會受到磁場對它的作用，于是鋼弦(5)開始起振；

當(dāng)停止向線圈(6)中加入激勵信號時，鋼弦(5)開始進行有阻尼的振蕩，鋼弦(5)在振蕩時，會對磁場中的磁感線進行切割，使通過線圈的磁通量發(fā)生變化，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，線圈中將會產(chǎn)生可測量的交變感應(yīng)電動勢，所測的感應(yīng)電動勢的頻率即為鋼弦(5)的振動頻率；

只要測出鋼弦(5)的振動頻率，就能通過鋼弦(5)的頻率與應(yīng)變的關(guān)系得到應(yīng)變，頻率與應(yīng)變的關(guān)系如下：

式中，f為鋼弦振動頻率，l為鋼弦長度，t為鋼弦張力，ρ為鋼弦線密度，s為鋼弦橫截面積，σ為鋼弦應(yīng)力，ρv為鋼弦的體密度(ρv＝ρ/s)，e為鋼弦的彈性模量，ε為鋼弦的應(yīng)變；

無線傳感單元(2)運行步驟：

無線傳感單元(2)通過第一無線收發(fā)模塊(9)接收計算機(4)的指令，單片機輸出(頻率按一定規(guī)律變化的)電流方波信號；

方波信號首先由光電隔離電路隔離干擾信號，然后通過基本功率放大電路進行放大，最后作為激勵信號加載到振弦式傳感器(1)的線圈(6)上；

線圈(6)中的電流會產(chǎn)生相應(yīng)頻率的周期性變化的磁場，由于鋼弦(5)位于磁場中，它將會受到交變力的作用，當(dāng)信號的頻率和鋼弦(5)的固有頻率相近時，鋼弦(5)能迅速達到共振狀態(tài)，從而可靠起振并輸出電壓信號，其在線圈(6)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率即是鋼弦(5)的固有頻率，其輸出信號的頻率由振弦式傳感器(1)應(yīng)力大小決定；

拾振電路對振弦式傳感器(1)的輸出信號進行放大、濾波和整形處理，得到某個頻率的方波信號，單片機內(nèi)置的定時器采集方波信號，從而計算出頻率值。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明用無線通信代替線纜傳輸，首先免去了布線的麻煩，其次現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠進行快速的搭建，提高了效率，降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本。通過無線協(xié)議來定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后通過軟件來控制傳感器節(jié)點的添加與刪除，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展和維護簡單了許多。無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸無線化，能夠使結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測免受現(xiàn)場環(huán)境的限制，并提高現(xiàn)場測量的效率。

本發(fā)明采用市售的標(biāo)準(zhǔn)振弦式應(yīng)變傳感器，沒有改變傳感器的構(gòu)造，從源頭上保證了傳感測試精度；通過無線傳感單元，可避免對國外產(chǎn)品的過分依賴，同時可根據(jù)研發(fā)和使用需求對無線傳感單元的功能和性能作深度定制；無線傳感單元能進行工程類的數(shù)據(jù)分析處理，減少原始數(shù)據(jù)傳輸量，以降低系統(tǒng)功耗；無線傳感單元之間能夠?qū)崿F(xiàn)自動組網(wǎng)，對工程現(xiàn)場的復(fù)雜條件具有更好的適用性，為降低結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和維護成本作出貢獻。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明振弦式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明無線傳感單元的結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖4為本發(fā)明低壓掃頻激振電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明拾振電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明zigbee-usb設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

如圖1；本發(fā)明公開了一種基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，包括振弦式傳感器1、無線傳感單元2、zigbee-usb設(shè)備3和計算機4；所述振弦式傳感器1與無線傳感單元2相連接，所述zigbee-usb設(shè)備3通過usb接口與計算機4連接；所述振弦式傳感器1和無線傳感單元2共同組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

所述振弦式傳感器1可以設(shè)置在結(jié)構(gòu)物表面，其采用jmzx-212at型振弦式應(yīng)變計，工作原理如圖2所示。

從圖2可以看出，振弦式傳感器內(nèi)部是一根兩端固結(jié)并且張緊的均勻鋼弦5，當(dāng)在振弦式傳感器的線圈6中加入激勵信號后，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，鋼弦5會受到磁場對它的作用，于是鋼弦5開始起振；當(dāng)停止向線圈6中加入激勵信號時，鋼弦5開始進行有阻尼的振蕩，鋼弦5在振蕩時，會對磁場中的磁感線進行切割，使通過線圈的磁通量發(fā)生變化，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，線圈中將會產(chǎn)生可測量的交變感應(yīng)電動勢，所測的感應(yīng)電動勢的頻率即為鋼弦5的振動頻率。只要測出鋼弦5的振動頻率，就能通過鋼弦5的頻率與應(yīng)變的關(guān)系得到應(yīng)變，頻率與應(yīng)變的關(guān)系如下：

式中，f為鋼弦振動頻率，l為鋼弦長度，t為鋼弦張力，ρ為鋼弦線密度，s為鋼弦橫截面積，σ為鋼弦應(yīng)力，ρv為鋼弦的體密度(ρv＝ρ/s)，e為鋼弦的彈性模量，ε為鋼弦的應(yīng)變。

所述無線傳感單元2用于完成振弦式傳感器1的頻率測量，每個無線傳感單元2如圖3所示。

從圖3可以看出，其包括數(shù)據(jù)采集模塊7、數(shù)據(jù)處理與控制模塊8、第一無線收發(fā)模塊9以及能量供應(yīng)模塊10，其中數(shù)據(jù)采集模塊7包括低壓掃頻激振電路和拾振電路，所述低壓掃頻激振電路和拾振電路分別與振弦式傳感器1連接，數(shù)據(jù)處理與控制模塊8采用st(意法半導(dǎo)體公司)的stm32f103rbt6單片機芯片，分別與低壓掃頻激振電路、拾振電路和第一無線收發(fā)模塊9連接，能量供應(yīng)模塊10采用6節(jié)5號干電池，用于為數(shù)據(jù)采集模塊7、數(shù)據(jù)處理與控制模塊8以及第一無線收發(fā)模塊9提供能量；

無線傳感單元2的工作原理具體為：無線傳感單元2通過第一無線收發(fā)模塊9接收計算機4的指令，單片機stm32f103rbt6輸出頻率按一定規(guī)律變化的電流方波信號，信號首先由光電隔離電路隔離干擾信號，然后通過基本功率放大電路進行放大，最后作為激勵信號加載到振弦式傳感器線圈6上(如圖4所示)，線圈6中的電流會產(chǎn)生相應(yīng)頻率的周期性變化的磁場，由于鋼弦5位于磁場中，它將會受到交變力的作用，當(dāng)信號的頻率和鋼弦5的固有頻率相近時，鋼弦5能迅速達到共振狀態(tài)，從而可靠起振并輸出電壓信號，其在線圈6中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率即是鋼弦5的固有頻率，其輸出信號的頻率由振弦式傳感器1應(yīng)力大小決定；

拾振電路(如圖5所示)對振弦式傳感器1的輸出信號進行放大、濾波和整形處理，得到某個頻率的方波信號，單片機stm32f103rbt6內(nèi)置的定時器采集方波信號，從而計算出頻率值。

如圖6所示，所述zigbee-usb設(shè)備3包括第二無線收發(fā)模塊11和usb電平轉(zhuǎn)換電路12，第二無線收發(fā)模塊11通過usb電平轉(zhuǎn)換電路12與計算機4連接，與計算機4進行串口通信。

所述第一無線收發(fā)模塊9采用cc2530芯片，所述第二無線收發(fā)模塊11采用帶usb接口的cc2531芯片。

本發(fā)明基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行方法，可通過以下步驟實現(xiàn)：

(1)計算機4通過搜索設(shè)備來與附近的無線傳感單元2建立連接；

(2)計算機4通過指定的串口發(fā)送指令到zigbee-usb設(shè)備3，zigbee-usb設(shè)備3把信息轉(zhuǎn)換成zigbee通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送到指定無線傳感單元2；

(3)無線傳感單元2中的第一無線收發(fā)模塊9收到數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議解釋數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)里的指令明確是一個采集信號，然后由第一無線收發(fā)模塊9的控制電路喚醒數(shù)據(jù)處理與控制模塊8；

(4)數(shù)據(jù)處理與控制模塊8通過控制數(shù)據(jù)采集模塊7進行低壓掃頻采集一次數(shù)據(jù)，采集到值后傳輸?shù)降谝粺o線收發(fā)模塊9，數(shù)據(jù)處理與控制模塊8進入休眠模式等待下一次喚醒；

(5)第一無線收發(fā)模塊9收到采集結(jié)果，按照通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳送給zigbee-usb設(shè)備3，zigbee-usb設(shè)備3把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成usb串口格式，發(fā)送到計算機4軟件端的串口；

(6)計算機4收到信號后，分析通信協(xié)議格式得出頻率、溫度和電壓等數(shù)值，并計算出應(yīng)變，然后把值推送到主窗體進行顯示和記錄。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。