一种基于无线网络传输的振动传感器隧道在线监测系统的制作方法

本发明涉及一种振动监测系统，尤其是涉及一种基于无线网络传输的振动传感器隧道在线监测系统。

背景技术：

地下隧道振动信号是最典型的剧变信号，地铁运营过程中，列车的运行会产生巨大的振动和噪声干扰。上海、杭州、广州等城市属于饱和软粘土地区城市，即使软土地基经过长时间的结固，在不断的接受列车运行荷载之后，都有可能产生一定程度的沉降。长期的列车行车振动会使得软黏土发生微观结构上的破坏，进一步导致地铁轴线变形、轨道地基沉降。列车运行荷载涉及许多因素，包括行车速度、轨道结构、列车轴重等。监测隧道环境的振动状况，可以有效的监测地铁列车经过监测区域时，隧道周围土体的动力响应状况，并进一步预测和分析。

隧道列车荷载对周围地表建筑物的影响。传统有线连接的机械振动监测系统应用广泛，但是这类系统具有布线复杂、部署成本较高、可维护性和扩展性差等缺点，而且难于实现移动、旋转部件的振动监测。随着无线通讯技术及互联网的发展，数据采集设备和无线通信技术的结合，使得针对地下隧道无线监测成为了可能，简化布线工作，易于部署与维护，增强隧道安全性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于无线网络传输的振动传感器隧道在线监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无线网络传输的振动传感器隧道在线监测系统，该系统应用于密实混凝土隧道内高频振动信号检测，包括监控系统上位机、至少四组无线振动传感器、移动设备终端，所述的监控系统上位机分别与无线振动传感器和移动设备终端相连接；所述的无线振动传感器分别安装到隧道墙壁和枕轨路基上，安装在隧道墙壁上的无线振动传感器实时测量隧道壁内侧水平方向的振动信号，安装在枕轨路基上的无线振动传感器实时测量竖直方向的振动信号，通过耦合两方向上的振动信号得到隧道地质现实振动情况；

所述的无线振动传感器实时记录着被测量物体的实际工况数据，通过无线网络将数据发送到监控系统上位机，监控系统上位机存储并显示振动信号的实际工程数据，并根据采集数据做出振动系统实时折线图，所采集的监测数据可利用无线网络通过移动设备终端远程访问监控系统上位机读取。

所述的无线振动传感器分别实时测量竖直和隧道壁内侧水平方向的振动信号，根据香农采样定理设置采集模块采集频率，采集地铁隧道内200Hz以下振动数据。

所述的监控系统上位机包括网关和工控机，工控机内存储数据，移动设备终端利用无线网络访问工控机，工控机输入端通过数据线连接网关，网关输入端无线连接无线振动传感器。

所述的无线振动传感器包括外壳和设置在外壳内的底板，所述的底板上设置有主控模块和与主控模块连接的加速度传感测量模块，模数转换模块，无线通讯模块，电源模块，所述的无线通讯模块通过无线网络与网关相连。

所述系统电源模块上加入稳压电容，消除因供电电流引起的高斯白噪声干扰信号。

所述的主控模块包括核心处理单元、以及分别与核心处理单元相连的网络处理单元、内存单元、电源管理单元、晶振及外围连接单元，所述的电源管理单元与电源模块连接。

所述的加速度传感测量模块使用电容式微机械加速度传感器。

所述的无线通讯模块包括一个WIFI模块，所述的网络处理单元与WIFI模块连接，所述WIFI模块可在核心处理单元即主控芯片上裸机驱动，通过SPI接口接入主控芯片。

所述的移动设备包括安卓端手机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用MEMS技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低功耗的无线电射频技术以及传感器技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的无线传感器成为可能；

2)通过耦合两个不同方向的振动信号，能够更加准确地反映隧道内的振动情况；

3)能够准确、稳定地测定固定频率段的振动信号，排除干扰；

4)本发明在以往的有线振动系统中加入WIFI模块，实现了设备的远程下发指令，数据实时上传，方便监控。

5)本发明通过手机实时查看振动传感器数据，使用方便，处理迅速。

6)系统资源占用率低；稳定性好；响应时间快。

附图说明

图1为本发明监控系统结构示意图；

图2为本发明无线振动传感器的硬件框图；

图3为本发明无线振动传感器主程序流程图；

图4为本发明模拟量采集子程序图；

图5为本发明无线振动传感器的节点示意图；

图6为本发明PC端软件系统界面图；

图7为本发明PC端软件系统设置流程图；

图8为本发明手机端系统界面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种基于无线网络传输的振动传感器隧道在线监测系统，包括监控中心上位系统：包括网关5，工控机6；无线振动传感器；PC端接受软件7，手机端接收软件8。无线振动传感器包括第一传感器1，第二传感器2，第三传感器3，第四传感器4。所述的无线振动传感器按空间顺序依次放置到隧道上，所述的无线振动传感器通过WIFI直接与网关5相连接，网关5通过数据线连接至现场工控机系统6，其中网关5与工控机6共同构成监控系统上位机。所述的无线振动传感器实时记录隧道不同位置的实时振动数据，通过无线网络将数据发送至网关5，由网关5传输至现场工控机6中，工控机6存储并显示隧道的实际振动数据，软件可以设置采集振动时长，最高支持时长10分钟200HZ监测，监测数据保存至本地工控机内。PC端与手机端可以通过Internet远程访问监控系统上位机，读取所采集的监测数据。

该系统采用MEMS工艺，其加工制造过程实际上是工艺方法、结构尺寸、组装、器件性能等的一个在线集成和实现过程。

如图2所示，无线振动传感器包括外壳和设置在外壳内的底板，所述的底板上设置有主控模块，电源模块，振动采集模块，模数转换模块和无线通讯模块。无线通讯模块包括WIFI模块，所述的主控模块分别连接电源模块，模数转换模块与WIFI模块，所述的WIFI模块通过WIFI网络与网关5相连接。所述外壳上有电源模块接口。

主控模块包括核心处理单元STM32和晶振外围电路，主控模块式运行设备的核心硬件架构，用于接受并处理振动数据、传输WIFI数据。核心处理单元为STM32VET6芯片模块。

电源模块包括用于交换式电源5V至3.3V线性稳压器芯片AMS1117及后续7个0.1uF滤波稳压电容，为主控芯片提供3.3V的电压。

振动采集模块包括MMA7361三轴加速度传感器和ADS1115模数转换芯片。加速度传感测量模块使用MMA7361低功耗、小型电容式微机械加速度传感器，MMA7361包括两种精度模式1.5g和6g两种，从工程需要的角度选择1.5g模式，其精度为800mV/g，将g-Select引脚置为低电平，此振动采集模块采集被测物体的0-200Hz的振动信号。模数转换芯片ADS1115是具有16位分辨率，最高可以按860SPS，满足监测物体振动频率在200Hz以下的检测要求，同时可以满足香农采样定律，ADS1115为超小型，低功耗芯片组。MMA7361加速度传感器传输振动信号至模数转换芯片ADS1115，再通过I2C总线连接主控芯片STM32。

所述的无线通讯模块包括一个WM-G-MR-09型号WIFI模块。可在STM32上裸机驱动，通过SPI接口接入STM32。无线通讯模块亦即WIFI模块采用WM-G-MR-09，基于88w8686，支持11b/g、SDIO/SPI接口，支持开放网络连接，可以ping通，有简单web显示，支持STM32平台技术支持。通过SPI接口连接主控模块,主控模块通过WIFI网关5传输振动数据量。

如图3所示，本发明振动传感器系统的主程序流程图如图所示，主程序的启动有两种方式：第一，定时启动，每4个小时启动采集数据；第二，主程序就并未运行，用户点击启动，用户可执行打开程序运行。此处两种启动方式，通过系统配置文件确定，主程序启动的第一步要初始化芯片外围设备，使得各模块正常运行。

本主程序有如下优点：1，系统资源占用率低；2，稳定性好；3，响应时间快。

如图4所示，振动信号模拟量由MMA7361模块监测，同时通过ADS1115转换为数字量以200Hz速率传递给STM32芯片，并由监控系统上位机保存数据。

如图5所示，为无线振动传感器硬件系统配置图，WM-G-MR-09芯片自带简单web界面编写程序，可由Dreamweaver软件编写每个传感器的固定IP与节点工作方式，最多可支持10个无线振动传感器的并行工作。

如图6-图7所示，此为监控系统上位机软件系统界面图及设置流程图，图6为监控系统界面，其软件界面主要包括节点属性设置，节点个数及检测时长，数据存储位置三部分。其中节点属性设置可最多可设置10个节点的属性，其属性包括(1)模式选择：选择传感器三个监测方向轴之一；(2)数据接收区：显示接收过来振动数值；(3)清空与保存：清除界面内的数据显示。节点个数与监测时长其内容是指选择每次开启传感器的个数多少及每次监测隧道振动数据时间长度。存储数据位置是指：数据可以由此设置选择保存本地工工控机的存储位置。

图7为设置软件流程图，每次系统运行时需按此进行设置，其中依次包括(1)选择需要使用的检测传感器节点；(2)选择此传感器需检测方向；(3)选择传感器需要检测的时间长度；(4)定时采样：软件可定时触发传感器工作与时长；(5)保存数据：可手动或定时自动触发软件保存软件界面内数据至本地主机。

如图8所示，为远程手机端监测软件，基于C语言编写可应用于安卓端软件，可以通过手机端远程监测被测量物体的振动信号，做到实时监控的效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。