用于结构监测的无线通信系统、监测系统的制作方法

本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种用于结构监测的无线通信系统、监测系统。

背景技术：

结构监测主要针对工程结构实施损伤检测和识别。结构监测具体关注的内容包括：材料特性改变、结构体系的几何特性改变，以及边界条件和体系的连续性。结构监测通过分析定期采集的布置在相应被监测结构区域的传感器阵列的动态响应数据来观察体系随时间推移产生的变化、损伤敏感特征值的提取等，并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，则通过数据定向更新来估计结构老化和恶劣工作环境对工程结构的影响，及其是否有能力继续实现设计功能。

结构监测过程中，在使用大量专业高精度的传感器获取需要监测的数据后，需要将监测数据及时有效地传输到控制后台。现有技术中，一种应用于结构监测的数据传输方案是利用ZigBee或Wi-Fi无线通信技术来进行数据传输。ZigBee或Wi-Fi无线通信技术的通信带宽窄，容易受室内复杂电磁环境及多径效应的干扰，从而影响到数据传输质量。

在实现本实用新型过程中，实用新型人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有技术中用于结构监测的无线通信方式带宽窄，易受干扰，导致数据传输质量差。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种用于结构监测的无线通信系统、监测系统，用以解决现有技术中用于结构监测的无线通信方式带宽窄，易受干扰，导致数据传输质量差的问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种用于结构监测的无线通信系统，所述系统包括汇聚节点和至少一个普通节点；

所述汇聚节点包括控制器、超宽带通信芯片、电源，所述控制器和所述超宽带通信芯片相连，所述电源分别与所述控制器和所述超宽带通信芯片相连，所述汇聚节点还包括串行通信接口和/或远距离无线通信接口；

所述普通节点包括控制器、超宽带通信芯片、电源，所述控制器和所述超宽带通信芯片相连，所述电源分别与所述控制器和所述超宽带通信芯片相连。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制器为单片机，所述单片机设置有数字输入输出接口和模数转换电路。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述超宽带通信芯片包括串联的超宽带通信电路、功率放大电路和天线。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制器和所述超宽带通信芯片通过串行外设接口SPI相连。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述串行通信接口为RS232接口。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述汇聚节点与所述普通节点的组织结构为星型网络拓扑结构。

第二方面，本实用新型实施例提供一种自适应无线通信方法，基于第一方面所述的用于结构监测的无线通信系统，所述方法包括：

响应于满足告警条件，发出警告信息；

统计发出警告信息的次数；

在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，调整无线信道的信道参数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，调整无线信道的信道参数，包括：

在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，更改无线信道的中心频率和带宽。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述告警条件为所述无线通信系统中的汇聚节点或普通节点的数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值大于第二阈值。

第三方面，本实用新型实施例提供一种监测系统，包括传感器和第一方面所述的无线通信系统，所述传感器与所述无线通信系统中的汇聚节点和普通节点相连。

本实用新型实施例具有以下有益效果：

本实用新型实施例采用超宽带通信技术进行数据传输，通信带宽很宽，并且能够根据通信状况实时且自动地切换无线通信信道，实现自适应通信，避免因受到干扰而无法工作，具有极强的适应性和动态抗干扰能力。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的用于结构监测的无线通信系统的第一结构示例图。

图2为本实用新型实施例提供的用于结构监测的无线通信系统的第二结构示例图。

图3为本实用新型实施例提供的自适应无线通信方法的流程示例图。

图4为汇聚节点所执行的信道切换流程示例图。

图5为普通节点所执行的信道切换流程示例图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

实施例一

本实用新型实施例提供一种用于结构监测的无线通信系统。

图1为本实用新型实施例提供的用于结构监测的无线通信系统的第一结构示例图。如图1所示，本实施例中，用于结构监测的无线通信系统包括汇聚节点110和普通节点120。

其中，汇聚节点110包括控制器、超宽带通信芯片、电源，其中，控制器和超宽带通信芯片相连，电源分别与控制器和超宽带通信芯片相连。汇聚节点110还包括串行通信接口和/或远距离无线通信接口。

其中，普通节点120包括控制器、超宽带通信芯片、电源，控制器和超宽带通信芯片相连，电源分别与控制器和超宽带通信芯片相连。

可见，汇聚节点110和普通节点120的部分结构是相同的，即都包括控制器、超宽带通信芯片、电源。不同的是，汇聚节点110中还包括串行通信接口。

其中，汇聚节点110主要用于轮询的接收与之组网连接的普通节点120 发送的各自节点位置的监测数据，并与普通节点120进行控制信息的交互。汇聚节点110也可以收集自身位置及自身各型传感器所监测的数据。同时，汇聚节点110可以通过串行通信接口(例如RS232接口)直接与PC(Personal Computer，个人计算机)进行数据传输，也可以使用远距离无线通信接口进行远程数据传输。

其中，普通节点120主要用于各型传感器所监测数据的收集，以及向汇聚节点110传输监测数据和与汇聚节点110之间进行控制信息的交互。

汇聚节点110与多个普通节点120之间的通信可以采用是轮询方式，即汇聚节点与各个普通节点逐个进行信息交互。

当整个无线通信系统工作正常且持续稳定时，系统内汇聚节点与所有的普通节点工作在相同的信道、相同的数据速率、相同的脉冲重复频率下。并且汇聚节点以及与其组网连接的普通节点通过轮询的方式进行数据传输和控制命令的交互。但是，当由于外界环境变化或其他无线信号的干扰使得系统不能正常并且持续稳定工作时，系统切换到其他通信信道工作。切换通信信道的具体过程请参见后续实施例二中的相关说明。

本实施例提供的用于结构监测的无线通信系统使用了超宽带无线通信技术，能够很好地适应室内复杂环境下的无线数据传输过程。

需要说明的是，虽然图1中仅有一个普通节点，但这仅是示例性的。在其他实施例中，用于结构监测的无线通信系统中也可以包括两个或多个普通节点，如图2所示。

在一个具体的实现过程中，控制器可以为单片机，该单片机设置有数字输入输出接口和模数转换电路。

单片机具有超低功耗的优点，可以降低整个无线通信系统的功耗，从而可以延长整个系统的工作时间。这非常符合结构监测的应用场景对于长时间工作的需求。此外，在结构监测过程中，由于监测对象的不同、传感器的类型不同，导致了传感器的输出类型存在模拟输出和数字输出两种情况，使用具有模数转换电路(也即AD转换电路)以及数字输入输出接口的超低功耗单片机能够兼顾这两种情况，避免了再使用外接模数转换芯片的麻烦，在一定程度上减小了控制程序编写的难度，同时也降低了整个无线通信系统的功耗。

在一个具体的实现过程中，超宽带通信芯片可以包括串联的超宽带通信电路、功率放大电路和天线。

其中，超宽带通信芯片可以使用DW1000超宽带模块。DW1000支持 IEEE 802.15.4—2011UWB标准，中心频率位于3.5G～6.5GHz的频谱之间，被分为6个信道，信道带宽分别包括：499.2MHz、1331.2MHz、1081.6MHz，数据传输速率为110kbps、850kbps、6.8Mbps，三者可选，延伸通信范围高达290m，具有极强的抗多径衰落能力，且使用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口，很容易使用单片机进行控制，除此之外，还具有发射功率可编程、低功耗的特点。

在一个具体的实现过程中，控制器和超宽带通信芯片可以通过串行外设接口SPI相连。

在一个具体的实现过程中，串行通信接口可以为RS232接口。

在一个具体的实现过程中，汇聚节点与普通节点的组织结构可以为星型网络拓扑结构。

本实用新型实施例提供的用于结构监测的无线通信系统，采用超宽带通信技术进行数据传输，通信带宽很宽，并且能够根据通信状况实时且自动地切换无线通信信道，实现自适应通信，避免因受到干扰而无法工作，具有极强的适应性和动态抗干扰能力。

实施例二

在实施例一所述的用于结构监测的无线通信系统的基础上，本实施例提供了一种基于该用于结构监测的无线通信系统的自适应无线通信方法。

图3为本实用新型实施例提供的自适应无线通信方法的流程示例图。参见图3，本实施例中，自适应无线通信方法包括：

S301，响应于满足告警条件，发出警告信息；

S302，统计发出警告信息的次数；

S303，在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，调整无线信道的信道参数。

在一个具体的实现过程中，在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，调整无线信道的信道参数，可以包括：在统计到的发出警告信息的次数大于第一阈值时，更改无线信道的中心频率和带宽。

在一个具体的实现过程中，告警条件为无线通信系统中的汇聚节点或普通节点的数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值大于第二阈值。

下面通过示例对调整无线信道的信道参数的过程进行说明。

图4为汇聚节点所执行的信道切换流程示例图。参见图4，汇聚节点所执行的信道切换流程包括：

S401，配置信道参数；

S402，设置数据传输失败次数和数据传输成功次数的初始值；

S403，设置第二阈值，第二阈值为数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值的阈值；

S404，设置警告次数(也即发出警告信息的次数)的初始值和第一阈值，第一阈值也即警告次数的阈值(也即发出警告信息的次数的阈值)；

S405，执行发送或接收过程；

S406，判断发送或接收过程是否正确完成，如果正确完成则执行S408，否则执行S407；

S407，数据传输失败次数加1，返回S405；

S408，数据传输成功次数加1；

S409，判断数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值是否大于第二阈值，如果大于第二阈值则执行S410，否则返回S405；

S410，发送警告信息；

S411，警告次数加1；

S412，判断警告次数是否大于第一阈值，如果大于第一阈值则执行S414，否则执行S413；

S413，对数据传输失败次数和数据传输成功次数清零，返回S405；

S414，延时；

S415，向普通节点发送切换信道请求；

S416，判断所有普通节点是否全部响应，如果全部响应则执行S417，否则返回S415；

S417，向普通节点发送切换信道请求；

S418，判断所有普通节点是否全部响应，如果全部响应则执行S419，否则返回S417；

S419，修改自身信道参数；

S420，延时，返回S402。

图5为普通节点所执行的信道切换流程示例图。参见图5，普通节点所执行的信道切换流程包括：

S501，配置信道参数；

S502，设置数据传输失败次数和数据传输成功次数的初始值；

S503，设置第二阈值，第二阈值为数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值的阈值；

S504，设置警告次数(也即发出警告信息的次数)的初始值和第一阈值，第一阈值也即警告次数的阈值(也即发出警告信息的次数的阈值)；

S505，执行发送或接收过程；

S506，判断发送或接收过程是否正确完成，如果正确完成则执行S508，否则执行S507；

S507，数据传输失败次数加1，返回S505；

S508，数据传输成功次数加1；

S509，判断数据传输失败次数与数据传输成功次数的差值是否大于第二阈值，如果大于第二阈值则执行S510，否则返回S505；

S510，发送警告信息；

S511，警告次数加1；

S512，判断警告次数是否大于第一阈值，如果大于第一阈值则执行S514，否则执行S513；

S513，对数据传输失败次数和数据传输成功次数清零，返回S505；

S514，进入接收状态；

S515，判断是否收到来自汇聚节点的切换信道请求，如果收到则执行 S516，否则重复S515；

S516，向汇聚节点发送反馈信息；

S517，进入接收状态；

S518，判断是否收到来自汇聚节点的切换信道请求，如果收到则执行 S519，否则重复S518；

S519，修改自身信道参数；

S520，延时，返回S502。

本实用新型实施例提供的自适应无线通信方法，能够根据通信状况实时且自动地切换无线通信信道，实现了自适应通信，避免系统因受到干扰而无法工作，提高了适应能力和抗干扰能力。

实施例三

本实用新型实施例提供一种监测系统，该监测系统包括传感器和前述实施例一提供的无线通信系统，其中，传感器与无线通信系统中的汇聚节点和普通节点相连。

由于本实用新型实施例的监测系统包括前述实施例一提供的无线通信系统，因此具有很强的适应能力和抗干扰能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。