一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于：包括位移信号采集单元、振动信号采集单元和载荷信号采集单元，上述各个采集单元分别通过Zigbee模块与路由节点无线相连，路由节点与Zigbee协调器无线相连，Zigbee协调器与主控计算机相连，主控计算机与安监部门相连；以上信号采集单元内还包括一个作为可调电阻使用的可编程数字电位器，以实现所述比较器的满摆幅输出。该种基于Zigbee模块的智能桥梁健康监测仪能够实现监测的智能化，并且能够存储数据，多台组网后能够实现对整座大桥的无线远程监控，大大减少了布线的工作量；大桥上的监测节点采用太阳能电池板供电，既方便又节能。
【专利说明】—种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及桥梁安全监测【技术领域】，尤其是涉及一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统。
【背景技术】
[0002]现代高架铁路和公路的高速度、高密度连续运营等特点对安全工作提出了更严格的要求，高速行驶的车辆对桥梁的动力作用远大于普通车辆，因此对行车安全提出了更高的要求。车辆高速通过时对桥梁支点的挤压和振动而产生桥梁的变形和吊空，或者桥梁和桥墩之间相对位移(如地表沉降)造成的桥梁变形和吊空，会影响车辆行驶的稳定性，更会危害桥梁安全，因此需对桥梁及其支点进行长期动态监测，以做到提前预警，防止事故发生。
[0003]桥梁变形监测主要根据桥梁结构类型、设计要求和用途以及处于施工期监测还是运营期长期监测来确定监测内容、监测精度和监测方法。传统的变形和位移监测方法可采用GPS、极坐标、精密量距、导线测量、前方交会、正垂线、电垂直梁、水准测量等。由于铁路、公路桥梁的建设普遍远离城镇，传统监测方法供电方面难度很大，加上绵延数百公里的高铁线路需要数量巨大的监测传感器且形成传感器网络，因此目前对超长距离如高铁桥梁位移的监测尚无成功的应用案例。
【发明内容】
[0004]本实用新型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光栅传感器的桥梁远程监测系统，该种基于Zigbee模块的智能桥梁健康监测仪能够实现监测的智能化，并且能够存储数据，多台组网后能够实现对整座大桥的无线远程监控，大大减少了布线的工作量；大桥上的监测节点采用太阳能电池板供电，既方便又节能。
[0005]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:包括位移信号采集单元、振动信号采集单元和载荷信号采集单元，上述各个采集单元分别通过Zigbee模块与路由节点无线相连,所述路由节点与Zigbee协调器无线相连，所述Zigbee协调器与主控计算机相连，所述主控计算机与安监部门相连。
[0006]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元、振动信号采集单元和载荷信号采集单元内还包括一个作为可调电阻使用的可编程数字电位器，将此电位器作为所述单元内对应比较器的前置电路，以实现所述比较器的满摆幅输出；所述可编程数字电位器采用CAT5111集成电路块，所述比较器选用MAX9021集成电路块。
[0007]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元内的位移传感器采用QH-800光栅线位移传感器，所述振动信号采集单元内的振动传感器采用RP670B低频振动传感器，所述载荷信号采集单元内的载荷传感器采用Interfacell01-2 型传感器。
[0008]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元、振动信号采集单元和载荷信号采集单元采集的信号经过A/D转换和微处理器分析处理后，通过Zigbee模块和GPRS模块将信号无线发送到路由节点。
[0009]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述Zigbee协调器通过电平转换模块与主控计算机相连。
[0010]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述电平转换模块采用FT232RL作为主控芯片。
[0011]上述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述各个信号采集单元采用太阳能电池板供电。
[0012]与现有技术相比，本实用新型有一下优点:
[0013]1、本实用新型为了获取有效、可靠的监测数据，本监测仪采用由PIC微控制器构成的超低功耗的数据采集模块结和由ZigBee无线模块构成超低功耗无线传输模块还有由超大存储器构成的数据存储器，这些用以保障数据采集、传输过程的长期稳定可靠运行。
[0014]2、ZigBee模块采用IEEE802.15.4协议，它是一种短距离、低功耗的无线通信模块，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，比较适合整个桥梁的多点监控。
[0015]3、利用多种传感器无线节点组成的ZigBee无线网络，实现桥梁的振动、位移、数据的自动采集和传输，本监测系统在设计时充分考虑了桥梁监测的特殊情况，具有抗振动，防尘埃，抗电磁辐射干扰能力强，不会受外界电子设备的电磁干扰而产生异常动作，保障了系统的高可靠性，可以实用于各种恶劣的工业环境。
[0016]4、大桥上的监测节点采用太阳能电池板供电，由于大桥上不便架设市电，且监测系统耗电不是很大，故采用太阳能电池板供电，既方便又节能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1本实用新型的桥梁远程监测系统架构示意图；
[0018]图2本实用新型的桥梁远程监测系统监测节点电气原理图；
[0019]图3本实用新型的桥梁远程监测系统Zigbee模块通用原理图；
[0020]图4本实用新型的桥梁远程监测系统电平转换电路图；
[0021]图5本实用新型的桥梁远程监测系统监测布置示意图。
[0022]标记说明:
[0023]1、信号采集单元；2、振动信号采集单元；3、载荷信号采集单元；
[0024]4、太阳能电池板；6、路由节点；7、Zigbee协调器；
[0025]8、主控计算机；9、安监部门。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步详细描述本实用新型的【具体实施方式】:
[0027]如图1所示，一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:包括位移信号采集单元1、振动信号采集单元2和载荷信号采集单元3，上述各个采集单元分别通过Zigbee模块与路由节点6无线相连，所述路由节点6与Zigbee协调器7无线相连，所述Zigbee协调器7与主控计算机8相连，所述主控计算机8与安监部门9相连。
[0028]本实施例中，所述位移信号采集单元1、振动信号采集单元2和载荷信号采集单元3内还包括一个作为可调电阻使用的可编程数字电位器，将此电位器作为所述单元内对应比较器的前置电路，以实现所述比较器的满摆幅输出；所述可编程数字电位器采用CAT5111集成电路块，所述比较器选用MAX9021集成电路块。
[0029]本实施例中，所述位移信号采集单元I内的位移传感器采用QH-800光栅线位移传感器，所述振动信号采集单元2内的振动传感器采用RP670B低频振动传感器，所述载荷信号采集单元3内的载荷传感器采用Interfacell01-2型传感器。
[0030]本实施例中，所述位移信号采集单元1、振动信号采集单元2和载荷信号采集单元3采集的信号经过A/D转换和微处理器分析处理后，通过Zigbee模块和GPRS模块将信号无线发送到路由节点6。
[0031]本实施例中，所述Zigbee协调器7通过电平转换模块与主控计算机8相连。由于系统网络终端节点均采用Zigbee模块CC2430芯片作为硬件基础，其通用应用电路如图3所示，协调器节点和路由节点设计差别不大，其主要功能是连接无线网络硬件系统与上位机的接口，不同点在于终端节点需要添加传感器以及数据转换电路
[0032]本实施例中，所述电平转换模块采用FT232RL作为主控芯片。这是由于CC2430芯片的电平与上位机串口电平不相匹配导致的，这里采用FT232RL实现串口电平转换，并通过USB接口完成与上位机之间的串口通信。接入的两个LED灯通过闪烁来提示当前存在信号的输入输出，电路如图4所不。
[0033]如图5所示，本实施例中，所述各个信号采集单元采用太阳能电池板4供电。由于大桥上不便架设市电，且监测系统耗电不是很大，故采用太阳能电池板4供电，既方便又节倉泛。
[0034]下面结合图2和图3，给出对具体实施例的说明:如图所示，微控制器stcl2c5a60s2是双串口、单时钟/机器周期的单片机，转换速度可达250K/S。数据存储模块由USB接口模块和数据存储器构成，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出功能。微控制器MCU通过USB接口模块和数据存储器进行数据交换。数据存储器把位移、振动、载荷等数据实时记录下来，供日后分析使用。MCU可以自由读写CH375存储设备中的数据，也可以自由定义其数据结构。
[0035]收发模块由Zigbee模块和GPRS模块构成。当多个桥梁健康监测仪对桥梁进行整体健康监测时，作为协调器使用的监测仪接有Zigbee模块和GPRS模块，作为路由器使用的监测仪只接有Zigbee模块，不用接GPRS模块。基于CC2430的ZigBee无线网络节点如图3。该模块主要包括2.0 V -3.6 V电源滤波电路、芯片晶振电路、巴伦电路和复位电路。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，这里由内部电路提供，需外加晶体振荡器和2个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。Rl和R2为偏置电阻，电阻Rl主要用来为32 MHz的晶振提供合适的工作电流。用I个32 MHz的石英谐振器Xl和2只电容Cl和C2构成I个32 MHz的晶振电路。用I个32.768kHz的石英谐振器X2和2个电容C5和C6构成I个32.768 kHz的晶振电路。CC2430射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+jl80 Ω，阻抗匹配电路应根据该数值进行调整。具体实现时可以采用50 Ω单极子天线，由于CC2430的差分射频端口具有两个端口，而天线是单端口，因此需采用巴伦电路用做平衡/非平衡转换电路，完成双端口到单端口的转换。作为协调器使用的监测仪通过无线网络接收作为路由器使用的监测仪采集的数据并通过GPRS发送给上位机。在这里把桥梁健康参数分为健康、亚健康、病态三个级别，数据电位器的电压大小对应于桥梁健康参数的电信号电压，平时MUC、Zigee模块、GPRS模块处于休眠状态，用以节电，只有传感器和比较器工作，传感器采集的电信号达到比较器，与数据电位器的电压进行比较，如果小于数据电位器的电压，认为桥梁健康状况良好，不用触发MCU，如果大于数据电位器的电压，认为桥梁健康有问题，比较器触发MCU进行数据采集分析，并把采集是数据进行存储。如果桥梁健康参数达到病态级别，MCU则启动Zigbee无线模块，把数据发送给作为协调器使用的监测仪，作为协调器使用的监测仪启动GPRS模块，把报警数据通过主控计算机发送给监控人员。
[0036]综上所述，本种智能桥梁健康监测仪是通过高精度传感器测量桥梁的环境参数和自身的结构参数来监测桥梁的健康状态，通过对采集的参数进行分析，可以用于检测桥梁设计是否合理，检测桥梁是否存在健康隐患，为进行桥梁方面的科学研究提供重要数据支持。为了获取有效、可靠的监测数据，本监测仪采用由PIC微控制器构成的超低功耗的数据采集模块结和由ZigBee无线模块构成超低功耗无线传输模块还有由超大存储器构成的数据存储器，这些用以保障数据采集、传输过程的长期稳定可靠运行。ZigBee模块采用IEEE802.15.4协议，它是一种短距离、低功耗的无线通信模块，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。比较适合整个桥梁的多点监控。利用多种传感器无线节点组成的ZigBee无线网络，实现桥梁的振动、位移、数据的自动采集和传输，本监测仪在设计时充分考虑了桥梁监测的特殊情况，具有抗振动，防尘埃，抗电磁辐射干扰能力强，不会受外界电子设备的电磁干扰而产生异常动作，保障了系统的高可靠性，可以实用于各种恶劣的工业环境。
[0037]本实用新型不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:包括位移信号采集单元(I)、振动信号采集单元(2)和载荷信号采集单元(3)，上述各个采集单元分别通过Zigbee模块与路由节点(6)无线相连，所述路由节点(6)与Zigbee协调器(7)无线相连，所述Zigbee协调器(7)与主控计算机(8)相连，所述主控计算机(8)与安监部门(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元(I)、振动信号采集单元(2)和载荷信号采集单元(3)内还包括一个作为可调电阻使用的可编程数字电位器，将此电位器作为所述单元内对应比较器的前置电路，以实现所述比较器的满摆幅输出；所述可编程数字电位器采用CAT5111集成电路块，所述比较器选用MAX9021集成电路块。
3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元(I)内的位移传感器采用QH-800光栅线位移传感器，所述振动信号采集单元(2)内的振动传感器采用RP670B低频振动传感器，所述载荷信号采集单元(3)内的载荷传感器采用Interfacel 101-2型传感器。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述位移信号采集单元(I)、振动信号采集单元(2)和载荷信号采集单元(3)采集的信号经过A/D转换和微处理器分析处理后，通过Zigbee模块和GPRS模块将信号无线发送到路由节点(6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述Zigbee协调器(7)通过电平转换模块与主控计算机(8)相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述电平转换模块采用FT232RL作为主控芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的桥梁远程监测系统，其特征在于:所述各个信号采集单元采用太阳能电池板(4)供电。
【文档编号】G05B19/418GK204009523SQ201420300798
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】侯文瑞, 苏毅 申请人:宁夏众诚科创信息科技有限公司, 侯文瑞, 苏毅