无线同步采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种线同步采集系统，包括中心节点和至少一个节点，中心节点包括PC主机与无线收发器，无线采集器作为节点；PC主机通过USB接口将发出的命令送无线收发器，无线收发器将命令转换成调频载波发射出去，无线收发器接收的调频信号被解调为串行码后又通过USB口送回PC主机；各个无线采集器接收到无线收发器发出的同步触发命令，同时开始采集布置在桥梁上各个传感器数据，处理数据并存储数据，接到中心节点数据召唤命令后，再进行数据传输。无线控制、无线实时传输；采集精度高，避免实时采集传输因干扰造成的误差，克服铺设大量电缆工作量大等缺点，可以选用内电源和外电源两种电源供电，便于野外操作；是一理想的无线测量工具。
【专利说明】无线同步采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土木工程结构监测技术，特别涉及一种无线同步采集系统。
【背景技术】
[0002]在桥梁健康监测中，动态监测需要几十个节点，各个节点不可能几种在一起，具有一定的分散性。在多点、远距离监测中，常见的有线监测需要铺设大量电缆，操作复杂，占用大量的人力物力，并且需要考虑各个节点的同步采集性，即各个节点采集时刻的相位关系。而无线实时测量易受外部和内部各种条件的干扰，使得采集的数据不准。
【发明内容】
[0003]本发明是针对动态远距离监测数据采集存在的问题，提出了一种无线同步采集系统，避免实时采集传输因干扰造成的误差，克服铺设大量电缆工作量大等缺点。
[0004]本发明的技术方案为:一种无线同步采集系统，包括中心节点和至少一个节点，中心节点包括PC主机与无线收发器，无线采集器作为节点；
PC主机通过USB接口将发出的命令送无线收发器，无线收发器将命令转换成调频载波发射出去，无线收发器接收的调频信号被解调为串行码后又通过USB 口送回PC主机；各个无线采集器接收到无线收发器发出的同步触发命令，同时开始采集布置在桥梁上各个传感器数据，处理数据并存储数据，无线采集器接到中心节点数据召唤命令后，进行数据传输。
[0005]所述每个无线采集器包括微控制器、电源处理模块和无线收发模块，外接传感器的电压信号进入微控制器，经过低通滤波、放大器、A/D转换器到CPU控制单元，CPU控制单元与无线收发模块交换数据信息；电源处理模块包括了高容量锂电池、DC/DC电源转换、电量检测三个模块，高容量锂电池输出经过DC/DC电源转换后给微控制器提供电源，电量检测模块实时测量锂电池的电量。
[0006]所述无线采集器接收到同步触发命令后，开始采集数据，CPU控制单元内缓冲区等间隔时间存放采集的电压值，接收中心节点发送的数据召唤命令后，等到无线采集器缓冲区数据还有3-4个时间间隔就即将存满时，将缓冲区的所有数据全部发送到中心节点，中心节点获取所有无线采集器的电压序列值后，按照时间顺序重新排列。
[0007]本发明的有益效果在于:本发明无线同步采集系统，无线控制、无线实时传输；采集精度高，避免实时采集传输因干扰造成的误差，克服铺设大量电缆工作量大等缺点，可以选用内电源和外电源两种电源供电，便于野外操作；是一理想的无线测量工具。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明无线同步采集系统结构示意图；
图2为本发明测点位置示意图；
图3为本发明有线传感器和无线传感器的加速度示意图； 图4为本发明有线传感器的功率谱图；
图5为本发明无线传感器的功率谱图。
【具体实施方式】
[0009]如图1所示无线同步采集系统结构示意图，PC主机通过USB接口将发出的命令传输到无线收发器，无线收发器将命令转换成调频载波发射出去，无线采集器接收到无线收发器发出的同步触发命令后，开始采集数据，实现了多个节点采集的同步性。
[0010]无线采集器主要有微处理部分、电源处理部分和无线收发模块组成。微控制器是采集器的核心，担负数据采集、电量检测、无线通讯、数码管显示等工作。外接传感器的电压信号经过低通滤波进行抗干扰处理，再考虑到最小输入电压为HiV级，因此增加精密放大器进行信号放大，然后接24位AD微控制器。AD转换采集部分是同步无线采集系统的核心部分。AD转换采集部分具体包括信号适调放大、高低通滤波、模/数变换以及CPU控制单元等几个部分。根据桥梁振动对采集精度的要求，本采集器选用了德州仪器公司的高精度A/D转换器ADS1251，ADS1251是TI公司生产的高精度，宽动态范围的24位的ΛΣ结构的模数转换器，采用单一的+5V电源供电。ΛΣ结构用在宽动态范围中并保证具有24位无损失码。当数据传输率达到20KHz时，仍能得到19位的有效分辨率。
[0011]电源处理部分包括了高容量锂电池、DC/DC电源转换、电量检测三个模块，为微控制器提供电源，同时做到实时电量的测量。
[0012]无线同步数据采集系统中，无线传输部分是连接PC主机和数据采集器之间的桥梁，通过它把PC上位机的控制命令传输给无线采集器，并且把采集到的数据传递给PC机。数据传输时采用CRC检验，以验出传输中的误码，保证了数据传输的准确无误。无线同步数据采集系统的传输频段为2.4Ghz，并且可以通过PC机设置系统的传输频段，信号之间的传输波特率为57600bps。
[0013]PC主机由USB 口发出的命令经过无线收发器转换成调频载波发射出去，而由无线收发器接收的调频信号被解调为串行码后又通过USB 口送回主机。无线收发器主要包括了无线收发模块和USB通讯控制器，无线收发器中内置嵌入式无线通信模块，集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。内部无线通信模块数据接口采用TTL电平收发接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，在整个无线同步系统中是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能。
[0014]考虑无线采集器以后的扩充以及在整个系统中可能增加更多的无线设备，本无线采集器采用的国际标准的Modbus协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，无线采集器相互之间、无线采集器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个无线采集器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了无线采集器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个无线采集器须要知道它们的设备地址，识别从设备地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，无线采集器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
[0015]同步采集时，首先发送命令使需要同步的节点处于等待采集状态，中心节点)发送同步采集触发命令，所有节点同步从同一时刻开始等间隔采集，要缩小同步节点的相位差，首先要提高节点中无线采集器晶振的精度和减小晶振温漂，其次是尽量提高单片机速度，因为在无线采集器运行中仅只能有一个线程，需要同时兼顾采集、通信、电量检测、数码管显示等工作，只有提高单片机运行速度，这种多个任务之间的影响才能对同步性减小到最少。
[0016]无线采集器接收到同步触发命令后，开始采集数据，在无线采集器内部开辟一个较大的缓冲区等间隔时间存放采集的电压值，中心节点之后发送数据召唤命令，等到无线采集器缓冲区数据还有3-4个时间间隔就即将存满时，将缓冲区的所有数据全部发送到中心节点，中心节点获取所有无线采集器的电压序列值后，按照时间顺序重新排列。这样就实现了多个节点采集的同步性。
[0017]实验测试的人行桥是一座四跨连续的钢桥(12.82 m+14.81 m+14.81 m+8.41 m)。图2为无线和有线测点位置示意图，图中圆圈代表无线传感器布置位置，方形代表有线传感器布置位置，数字代表传感器编号。
[0018]对人行桥进行了随机振动测试，同时执行有线动态信号采集分析系统和无线同步数据采集系统，通过秒表计算系统执行的时间，然后人在桥上来回跑和起步走，对人行桥激励，有线系统和无线系统的采集频率都是20 Hz,以对比无线和有线的数据吻合程度。
[0019]图3为有线传感器和无线传感器的加速度示意图，从图3可以看出无线传感器测得的信号大致与有线传感器测得的信号一致。
[0020]通过计算各响应点的自功率谱函数，并根据波峰分布情况判别模式真伪。从图4和5有线和无线传感器的功率谱图可以看出，无线传感器与有线传感器的频率基本一致，并且无线传感器的功率谱和有线传感器的功率谱在形状方面基本一致。
【权利要求】
1.一种无线同步采集系统，其特征在于，包括中心节点和至少一个节点，中心节点包括PC主机与无线收发器，无线采集器作为节点； PC主机通过USB接口将发出的命令送无线收发器，无线收发器将命令转换成调频载波发射出去，无线收发器接收的调频信号被解调为串行码后又通过USB 口送回PC主机； 各个无线采集器接收到无线收发器发出的同步触发命令，同时开始采集布置在桥梁上各个传感器数据，处理数据并存储数据，无线采集器接到中心节点数据召唤命令后，进行数据传输。
2.根据权利要求1所述无线同步采集系统，其特征在于，所述每个无线采集器包括微控制器、电源处理模块和无线收发模块，外接传感器的电压信号进入微控制器，经过低通滤波、放大器、A/D转换器到CPU控制单元，CPU控制单元与无线收发模块交换数据信息；电源处理模块包括了高容量锂电池、DC/DC电源转换、电量检测三个模块，高容量锂电池输出经过DC/DC电源转换后给微控制器提供电源，电量检测模块实时测量锂电池的电量。
3.根据权利要求2所述无线同步采集系统，其特征在于，所述无线采集器接收到同步触发命令后，开始采集数据，CPU控制单元内缓冲区等间隔时间存放采集的电压值，接收中心节点发送的数据召唤命令后，等到无线采集器缓冲区数据还有3-4个时间间隔就即将存满时，将缓冲区的所有数据全部发送到中心节点，中心节点获取所有无线采集器的电压序列值后，按照时间顺序重新排列。
【文档编号】G08C17/02GK104267634SQ201410453925
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】郭智刚, 孙智 申请人:上海应用技术学院