专利名称：一种非接触式钢丝绳无线检测系统和方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种非接触式钢丝绳无线检测系统和方法。
背景技术：
世界各地的高层建筑越来越多，高空玻璃幕墙擦洗设备越来越受到人们的关注， 擦窗机也就应运而生。擦窗机属于高空悬挂作业机械，擦窗机的吊船与悬挂机构的主要连接方式是通过钢丝绳。钢丝绳作为擦窗机的核心构件和高危构件，其安全性备受关注。为了确保擦窗机安全可靠的运行，对钢丝绳安全情况的检测尤为重要。然而到目前为止，对钢丝绳的检测都是通过实验人员定期带仪器设备到工作环境复杂的大型机械上进行检测，测试人员的工作危险而且繁琐，并且得到的数据只是我们所选取的时间点的状况，并不能完全说明整台机械设备长期以来的工作状态。而且无法长期检测机械结构点的故障状态，无法在结构可能处于危险工作状态的第一时间提醒工作人员进行维护。
发明内容
为了克服对钢丝绳的检测困难，本发明提供了一种能长期稳定实时在线检测钢丝绳“健康状态”的节点，特别涉及一种非接触式无线检测系统和方法。本发明公开了一种非接触式钢丝绳无线检测系统，包括传感器检测处理单元、无线射频收发单元、电源管理模块、阻抗匹配电路和SMA天线；所述传感器检测处理单元对钢丝绳进行实时检测，对检测到的信号进行采集和处理，处理后的数据传送到无线射频收发单元，通过和SMA天线相匹配的阻抗电路，再传递到SMA天线，进行无线发送。电源管理模块为各用电单元进行供电。进一步，所述的传感器检测处理单元采用非接触式磁电检测传感器，该磁电检测传感器固定于可靠设备上，钢丝绳非接触式从传感器中间穿过。进一步，所述的磁电检测传感器通过永久磁钢轴深度磁化钢丝绳达到饱和，根据漏磁场和磁通变化来检测钢丝绳的断丝和磨损。进一步，包括根据钢丝绳漏磁场和磁通变化，向空间扩散的磁信号集聚后，由阵列广角霍尔元件组转换成电压变化值，再经过A/D接口，进行模数转换，最后将数字信号传输给无线射频收发单元。进一步，所述的无线射频收发单元选择按照IEEE802. 15. 4的传输协议，将数据打包，采用ZigBee技术组网，以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线收发模块传到另一个无线收发模块，最终将数据传到现场基站。进一步，所述无线射频收发单元主芯片采用芯片CC2530 ；芯片CC2530的工作时钟可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、内部时钟电源等方式。进一步，芯片CC2530的工作时钟采用两个外部晶振32MHz晶振作为系统时钟，为了提供芯片射频收发器本振信号和MCU本振信号；32. 768KHz晶振作为实时时钟，提供休眠模式定时器本振信号。进一步，所述的电源管理模块由供电模块以及与供电模块连接的电源稳压芯片组成，用于无线射频收发单元、传感器检测处理单元等供电使用。进一步，所述的电源管理模块由5V供电模块经过芯片SE1117降压输出3. 3V的稳定直流电压供使用。本发明还公开一种非接触式钢丝绳无线检测方法，传感器检测处理单元对钢丝绳进行实时检测，对检测到的信号进行采集和处理，处理后的数据传送到无线射频收发单元， 通过和SMA天线相匹配的阻抗电路，再传递到SMA天线，进行无线发送。电源管理模块用于为各用电单元进行供电。进一步，所述传感器检测处理单元采用非接触式磁电检测传感器进行检测，所述的磁电检测传感器通过永久磁钢轴深度磁化钢丝绳达到饱和，根据漏磁场和磁通变化来检测钢丝绳的断丝和磨损。进一步，包括根据钢丝绳漏磁场和磁通变化，向空间扩散的磁信号集聚后，由阵列广角霍尔元件组转换成电压变化值，再经过A/D接口，进行模数转换，最后将数字信号传输给无线射频收发单元。进一步，所述的无线射频收发单元选择按照IEEE802. 15. 4的传输协议，将数据打包，采用ZigBee技术组网，以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线收发模块传到另一个无线收发模块，最终将数据传到现场基站。进一步，所述无线射频收发单元主芯片采用芯片CC2530 ；芯片CC2530的工作时钟可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、内部时钟电源等方式。所用的无线射频收发单元即CC2530是与ZigBee/IEEE802. 15. 4兼容的无线射频收发芯片，集成了 51单片机内核，其工作在2. 4GHz ISM频段，拥有104dB的链路预算，-IOldB的接收灵敏度和4. 5dBm的传输功率，从而减少了网络中所需节点设备数，很大程度上降低了 802. 15. 4系统组网的成本。进一步，芯片CC2530的工作时钟采用两个外部晶振32MHz晶振作为系统时钟，为了提供芯片射频收发器本振信号和MCU本振信号；32. 768KHz晶振作为实时时钟，提供休眠模式定时器本振信号。进一步，所述的电源管理模块由供电模块以及与供电模块连接的电源稳压芯片组成，用于无线射频收发单元、传感器检测处理单元等供电使用。所用电源管理模块设计合理且性能可靠，采用开关电源进行供电，由于开关电源内部关键元件工作在高频开关状态，本身消耗的能量比较低，开关电源效率很高；并且采用电池和适配器供电方式，安全可靠且实用效果好。进一步，所述的电源管理模块由5V供电模块经过芯片SE1117降压输出3. 3V的稳定直流电压供使用。本发明的有益效果本发明所公开的一种非接触式钢丝绳无线检测系统和方法， 通过无线网络实时检测钢丝绳的“健康状态”，采用这样的形式方便检测人员在主控制室的主控机上直接得到机械结构工作状态的详细数据，随时掌握机械的工作状态。本发明电路设计合理，接线简单、体积小、重量轻、安装方便且各部件性能优良、使用效果好、实用价值高、能够结合实际解决问题。
下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。图1为本发明非接触式钢丝绳无线检测系统的结构框图。1-传感器检测处理单元 2-无线射频收发单元 3-电源管理模块4-阻抗匹配电路5-SMA天线
具体实施例方式图1为本发明非接触式钢丝绳无线检测系统的结构框图，如图1所示，本发明包含对钢丝绳进行实时检测的磁电式传感器组成的传感器检测处理单元1，传感器检测处理单元1中也对采集到的信号进行处理，处理后的数字信号传输到无限射频收发单元2中，无线射频收发单元2对接收到的信号进行打包，通过和SMA天线5相匹配的阻抗电路4，再传递到SMA天线5，进行无线发送。以及为各用电单元供电的电源管理模块3。所述传感器检测处理单元1采用非接触式磁电检测传感器，该磁电检测传感器固定于可靠设备上，钢丝绳从传感器中间穿过，但不接触。所述磁电检测传感器通过永久磁钢轴将钢丝绳进行深度磁化达到饱和，钢丝绳的断丝、磨损等缺陷同步产生漏磁场和磁通变化，向空间扩散的磁信号集聚后，由阵列广角霍尔元件组转换成电压变化值，再经过A/D接口，进行模数转换，最后将数字信号传输给无线射频收发单元2。所述的无线射频收发单元2按照IEEE802. 15. 4的传输协议，将数据打包，采用 ZigBee技术组网，以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线收发模块传到另一个无线收发模块，最终将数据传到现场基站。ZigBee是基于IEEE802. 15. 4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。ZigBee 的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择，广泛用于物联网，自动控制和监视等诸多领域。其中，以美国Ti公司CC2430/CC2530芯片为代表的Zigbee SOC解决方案相比于众多的Zigbee芯片被广泛应用。CC2530是与ZigBee/IEEE802. 15. 4兼容的无线射频收发芯片，集成了 51单片机内核，其工作在2. 4GHz ISM频段，拥有104dB的链路预算，-IOldB 的接收灵敏度和4. 5dBm的传输功率，从而减少了网络中所需节点设备数，很大程度上降低了 802. 15. 4系统组网的成本。本发明所述无线射频收发单元2主芯片采用CC2530，结合外接电路2. 4G塑胶棒天线、巴伦电路、10芯下载器等完成无线收发功能。无线射频收发单元2是将传感器检测处理单元1传输过来的数字信号进行打包，再经过无线发送到协调器节点，协调器节点就是无线传输的终点，各个无线传输节点的终端，直接与电脑相连。所述的阻抗匹配电路4是由巴伦电路(BALUN，即平衡馈电转换器或平衡器电路) 实现的，由电容电感相互串联和并联组成。巴伦电路是为了在TX模式下，把两个差分RF弓丨脚的输出结合成一个单端RF信号，传输至SMA天线5，再发送出去；以及在RX模式下把SMA 天线5接收到的单端天线信号分成一个差分RF信号。电源管理模块3为高性能CC2530的供电电源为+3. 3V电源，CC2530的AVDD管脚接+3. 3V电源端，经电容接地。CC2530的工作时钟可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部 RC振荡器，内部时钟电源等方式。本实施实例中，采用两个外部晶振32MHz晶振作为系统时钟，提供芯片射频收发器本振信号和MCU本振信号；32. 768KHz晶振作为实时时钟，提供休眠模式定时器本振信号。其中，32MHz晶振的两个引脚与CC2530的TOSCLQ1、XOSCJ2两个管脚相接，且其两个引脚分别经电容后接地；32. 768KHz晶振的两个引脚分别与CC2530的 X0SC32K_Q1/X0SC32K_Q2两个管脚相接，且两个引脚分别经电容后接地。CC2530的RESET_N 管脚经电阻后接+3. 3V电源，且该管脚经电容后接地。实际使用过程中，采用5V适配器供电时，省略DC/DC转换器，只需要在电源输出端接电容用于+5V输出即可，输入电压5V经过稳压芯片SE1117降压为+3. 3V的直流电压供其他用电设备使用；相应的采用电池供电时，需要使用DC/DC转换器。所用电源管理模块 3设计合理且性能可靠，采用开关电源进行供电，由于开关电源内部关键元件工作在高频开关状态，本身消耗的能量比较低，开关电源效率很高；并且采用电池和适配器供电方式，安全可靠且实用效果好。对电源管理模块3进行实际布线时，根据印制线路板实际的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。同时，应注意将数字地和模拟地的分开，若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使他们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状的大面积地箔。接地线应尽量加粗，若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使得抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线的长度应在2-3mm以上。接地线构成闭环路。只由数字电路构成的印制板，其接地电路布成闭环路大多能提高抗噪声能力。所述CC2530封装形式是采用40引脚，6mmX6mm大小的QFN封装。CC2530集射频收发和MCU控制功能于一体，外围元件包含一颗32MHz的晶振和一颗32. 768KHz的晶振及其他一些阻容器件。采用SMA天线5和巴伦匹配电路设计，在开阔可视情况下，通信距离可达 600m。通过上述实施，可以很清楚了解本发明的技术方案。应该注意，虽然以上是参考具体实施方式
对本发明进行说明的，但这并不意味是对本发明的限制，本发明的保护范围是由所附权利要求而不是具体实施方式
来限定的。
权利要求
1.一种非接触式钢丝绳无线检测系统，包括传感器检测处理单元、无线射频收发单元、 电源管理模块、阻抗匹配电路和SMA天线，其特征在于所述传感器检测处理单元对钢丝绳进行实时检测，对检测到的信号进行采集和处理，处理后的数据传送到无线射频收发单元， 通过和SMA天线相匹配的阻抗电路，再传递到SMA天线，进行无线发送。电源管理模块为各用电单元进行供电。
2.根据权利要求1所述的非接触式钢丝绳无线检测系统，其特征在于所述的传感器检测处理单元采用非接触式磁电检测传感器，该磁电检测传感器固定于可靠设备上，钢丝绳非接触式从传感器中间穿过。
3.根据权利要求2所述的非接触式钢丝绳无线检测系统，其特征在于所述的磁电检测传感器通过永久磁钢轴深度磁化钢丝绳达到饱和，根据钢丝绳漏磁场和磁通变化，向空间扩散的磁信号集聚后，由阵列广角霍尔元件组转换成电压变化值，再经过A/D接口，进行模数转换，最后将数字信号传输给无线射频收发单元。
4.根据权利要求1至3之一所述的非接触式钢丝绳无线检测系统，其特征在于所述的无线射频收发单元选择按照IEEE802. 15. 4的传输协议，将数据打包，采用ZigBee技术组网，以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线收发模块传到另一个无线收发模块，最终将数据传到现场基站。
5.根据权利要求4所述的非接触式钢丝绳无线检测系统，其特征在于所述无线射频收发单元主芯片采用芯片CC2530 ；芯片CC2530的工作时钟采用两个外部晶振32MHz晶振作为系统时钟，为了提供芯片射频收发器本振信号和MCU本振信号；32. 768KHz晶振作为实时时钟，提供休眠模式定时器本振信号。
6.根据权利要求1至5之一所述的非接触式钢丝绳无线检测系统，其特征在于所述的电源管理模块由供电模块以及与供电模块连接的电源稳压芯片组成，用于无线射频收发单元、传感器检测处理单元等供电使用；所述的电源管理模块由5V供电模块经过芯片 SE1117降压输出3. 3V的稳定直流电压供使用。
7.一种非接触式钢丝绳无线检测方法，其特征在于利用传感器检测处理单元对钢丝绳进行实时检测，对检测到的信号进行采集和处理，处理后的数据传送到无线射频收发单元，通过和SMA天线相匹配的阻抗电路，再传递到SMA天线，进行无线发送；电源管理模块用于为各用电单元进行供电。
8.根据权利要求7所述的非接触式钢丝绳无线检测方法，其特征在于所述传感器检测处理单元采用非接触式磁电检测传感器进行检测，所述的磁电检测传感器通过永久磁钢轴深度磁化钢丝绳达到饱和，根据钢丝绳漏磁场和磁通变化，向空间扩散的磁信号集聚后， 由阵列广角霍尔元件组转换成电压变化值，再经过A/D接口，进行模数转换，最后将数字信号传输给无线射频收发单元。
9.根据权利要求7或8所述的非接触式钢丝绳无线检测方法，其特征在于所述的无线射频收发单元选择按照IEEE802. 15. 4的传输协议，将数据打包，采用ZigBee技术组网， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线收发模块传到另一个无线收发模块，最终将数据传到现场基站；所述无线射频收发单元主芯片采用芯片CC2530 ；芯片CC2530的工作时钟采用两个外部晶振32MHz晶振作为系统时钟，为了提供芯片射频收发器本振信号和MCU 本振信号；32. 768KHz晶振作为实时时钟，提供休眠模式定时器本振信号。
10.根据权利要求7至9之一所述的非接触式钢丝绳无线检测方法，其特征在于所述的电源管理模块由供电模块以及与供电模块连接的电源稳压芯片组成，用于无线射频收发单元、传感器检测处理单元等供电使用；所述的电源管理模块由5V供电模块经过芯片 SE1117降压输出3. 3V的稳定直流电压供使用。
全文摘要
本发明公开了一种非接触式钢丝绳无线检测系统，包括传感器检测处理单元、无线射频收发单元、电源管理模块、阻抗匹配电路和SMA天线，其特征在于所述传感器检测处理单元对钢丝绳进行实时检测，对检测到的信号进行采集和处理，处理后的数据传送到无线射频收发单元，通过和SMA天线相匹配的阻抗电路，再传递到SMA天线，进行无线发送。电源管理模块为各用电单元进行供电；本发明还公开了一种非接触式钢丝绳无线检测方法；本发明设计合理，接线简单，安装便捷且电路板体积小，重量轻，使用效果好并且实用价值高，无线形式能够减少网络中节点设备的复杂度，所用的电源管理模块设计合理且性能可靠。
文档编号G01N27/83GK102507729SQ20111034483
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者吴杰, 左庆, 焦照玉, 陈士忠 申请人:江苏申锡建筑机械有限公司