本发明属于无线传感器网络通信与测量技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统及方法和装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：在水利工程安全监测系统的特点是传感器分布范围广、环境比较恶劣，传统监测方式是将传感器电缆引出集中到采集装置上，通过采集装置采集数据，再通过通信电缆或其它通信技术，将采集数据传输到控制中心的一种方式。这种方式存在大量信号电缆和通信电缆，需要开挖电缆沟，耗时、费力。在运行过程中易经常遭受雷击，导致设备故障，数据缺失。在实际工程中，存在很多传感器数量少，且传感器安装位置分散，如果采用集中的方式，将这些传感器通过电缆汇集到一个地方集中采集，会导致大量的电缆、电缆沟，电缆过长，更容易引人各种干扰，影响系统测量精度及缩短系统使用寿命。接大量仪器的采集仪，是基于应用大量传感器的采集系统，每台采集仪可以采集十几只甚至上百只传感器，这种采集仪通常将附近几十米到五、六百米内的传感器通过电缆接入采集仪。这种存在大量电缆的系统结构，给项目的建设、运行、维护带来诸多的弊端。由于早期集成电路技术、计算机技术、通信技术等方面的原因，采集仪成本高、体积大、功耗高，如果每个采集仪只采集一只传感器，一个工程将使用几十、上百台采集仪，这将导致整个工程造价及其高昂，这种状况是不现实。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有采集仪的工作方式使用大量，需要开完电缆沟，费时费力，破坏工程的表面形象，施工期长；特别是大量电缆存在各种干扰，易于遭受雷电侵袭，导致系统故障甚至瘫痪。
解决上述技术问题的难度和意义：
解决上述问题，采集仪必须具有低成本、体积小、低功耗、通信组网便捷，可以实现快速安装。这种采集仪的出现，可以为传感器少，且安装位置分散的工程建设提供可行，另外，随着工程管理的精细化，对突发出现的工程异常进行快速监测，及时获得异常状况提供了方便。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统及方法和装置。
本发明是这样实现的，一种基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统，所述基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统包括：
嵌入式处理器模块与传感器激励与测量模块、无线传感器网络模块连接，用于启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据传输给无线传感器网络模块；
传感器激励与测量模块，用于产生激励信号，经过放大、滤波和整形后，进入信号自适应处理；根据信号的频率，舍弃开始阶段的不稳定信号，开始启动测量；
无线传感器网络模块，用于将命令解析传输给嵌入式处理器模块，启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据传输给无线传感器网络模块，将数据通过无线传感器网络发送给上位机存储；
电源模块，用于电源管理。
进一步，所述嵌入式处理器模块包括微处理器、时钟电路、地址编码电路、电源监控电路、存储电路；
时钟电路，用于给采集仪提供独立可靠的时间信息；
地址编码电路，用于给每个采集仪唯一一个地址，控制计算机能对采集仪可靠识别；
电源监控电路，用于保证采集仪可靠复位，同时对电源掉电前发出预警，备份必要的数据；
存储电路，用于存储没有发出的监测数据。
进一步，所述电源模块包括工作电源、传感器的激励电源，以及对采集仪进行功耗管理。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统的基于无线传感器网络的振弦传感器采集方法，所述基于无线传感器网络的振弦传感器采集方法包括：
步骤一，根据指令或设定的时间，启动传感器的激励与测量工作；
步骤二，激励，启动激励电路，从400hz～6000hz的扫频激励，使传感器线圈产生交变磁场，钢弦在交变磁场的作用下进行振动，当钢弦振动达到一定幅度后，撤销激励信号，此时钢弦以自身固有频率振动，而钢弦的振动不断切割磁场，从而在线圈中产生与钢弦频率相同的信号；
步骤三，测量，线圈中产生的信号，经过放大、滤波和整形后，进入信号测量电路；选取信号中间一段相对比较稳定的部分测量信号的频率(该频率是在扫频激励情况下的输出，由于扫频激励，线圈吸收的能力相对较少，钢弦振动的幅度有限，测量出来的频率有偏差)；
步骤四，再激励，根据已测量信号的频率或倍频进行激励，此时激励信号与传感器钢弦的自身频率接近，钢弦短时间内会获得极大的能量，钢弦将获得最优的振动；
步骤五，再测量，重新启动测量电路，此时测量的频率非常稳定可靠；
步骤六，处理器模块将测量获得的频率信息，加入时间和地址信息，组成一帧数据传输给无线传感器网络模块，无线传感器网络模块根据数据传输机制，将数据发送给上位机存储。
微控制器对测量频率信号进行计算和处理，得到相应数值，再通过传感器网络传输给上位计算机存储。
进一步，所述基于无线传感器网络的振弦传感器采集方法包括以下步骤：
步骤一，采集仪启动上电启动，申请加入传感器网络；
步骤二，加入成功后，发出绑定要求，等待邦定成功；
步骤三，绑定成功后，即可进行接收上位机的命令；
步骤四，如果是设定时间命令，则根据上位机发送来的时间信息设定在采集仪中；
步骤五，如果是删除命令，则删除采集仪内保存的测量数据；
步骤六，如果是上传数据，则采集仪将已保存的测量数据通过无线传感器网络发送给上位机；
步骤七，如果是测量命令，则采集启动激励与测量工作。启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据通过无线传感器网络发送给上位机；
步骤八，在5分钟之内没有接收到任何命令信息，采集仪自动进入休眠模式，以降低功耗。
进一步，采集的频率计算压力的公式如下：
p＝g(f2/1000-f02/1000)；
式中，f表示为测量的频率，单位为hz；
g表示仪器系数；
f0表示渗传感器安装埋设的初始频率。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统的基于无线传感器网络的振弦传感器采集装置，所述基于无线传感器网络的振弦式传感器采集装置包括：壳体、四个安装固定孔、导槽、第一盖板螺孔、盖板、电源及传感器接口、鞭状天线出口孔、第二盖板螺孔、线路板等组成。壳体上第一安装固定孔、第二安装固定孔、第三安装固定孔和第四安装固定孔用于采集仪的安装固定；壳体上导槽用于安装线路板；壳体上第一盖板螺孔为螺孔槽用于安装两端盖板；盖板上电源及传感器接口为接线端子孔，用于传感器与电源插座接口；盖板上鞭状天线出口孔为鞭状天线出口孔；第二盖板螺孔用于盖板固定在壳体上的螺孔。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：实现传感器的就近安装，摆脱大量电缆的束缚，消除电缆带来的干扰、信号衰减，降低系统建设成本，减少建设工期，实现了“无缆”系统。采集仪低功耗设计，可以采用电池或太阳能供电，避免交流电供电的限制，没有交流电，消除交流电上的工频干扰和雷电的引入，提高系统的可靠性。仪小巧，金属材质，采用嵌入式的结构，两端通过盖板密封固定，可以安装在任何地方，不需要提供额外的保护。
本发明就近安装于传感器旁、信号电缆一般不超过1m，就近测量，比起传统的几百米电缆来说，线路损耗极低，干扰小，提高测量精度，没有电缆，大大减少感应雷的侵袭，可靠性得到显著提高。本发明之安装，不需要开挖电缆沟，减少工程投入，工期缩短，不会造成工程表面形象的二次破坏。不需要交流供电，对安装位置没有限制，避免了交流电的工频干扰等。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统结构示意图；
图中：1、嵌入式处理器模块；2、传感器激励与测量模块；3、无线传感器网络模块；4、电源模块。
图2是本发明实施例提供的传感器激励与测量模块的原理示意图。
图3本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集仪工作流程图。
图4本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集装置结构示意图；
图中：5、壳体；6、第一安装固定孔；7、第二安装固定孔；8、第三安装固定孔；9、第四安装固定孔；10、导槽；11、第一盖板螺孔；12、盖板；13、电源及传感器接口；14、鞭状天线出口孔；15、第二盖板螺孔。
图5本发明实施例提供的导槽的安装结构示意图；
图6本发明实施例提供的盖板的结构示意图；
图7本发明实施例提供的激励与测量电路图。
图8本发明实施例提供的传感器激励与测量工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的采集仪，每台采集仪只采集一只传感器，将采集仪直接安装在传感器旁边，直接对传感器进行采集，将采集的数据通过无线传感器网络直接发送到控制中心的方式，这种方式实现了无电缆监测系统。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集系统包括：嵌入式处理器模块1、传感器激励与测量模块2、无线传感器网络模块3、电源模块4。
嵌入式处理器模块1，与传感器激励与测量模块2、无线传感器网络模块3连接，用于启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据传输给无线传感器网络模块3。
传感器激励与测量模块2，用于产生激励信号，经过放大、滤波和整形后，进入信号自适应处理；根据信号的频率，舍弃开始阶段的不稳定信号，开始启动测量。
无线传感器网络模块3，用于将命令解析传输给嵌入式处理器模块1，启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据传输给无线传感器网络模块3，将数据通过无线传感器网络发送给上位机存储；
电源模块4，用于电源管理，根据采集仪的工作状态，使采集仪处于工作或待机状态，以降低采集仪的功耗。
在本发明的优选实施例中：
嵌入式处理器模块1包括微处理器、时钟电路、地址编码电路、电源监控电路、存储电路等；负责整个采集仪的工作；时钟电路给采集仪提供独立可靠的时间信息，具有后备电池，掉电不丢失的特性；地址编码电路给每个采集仪唯一一个地址，保证在众多采集仪中唯一性，有效解决采集仪受干扰出现故障的情况下，控制计算机能对采集仪可靠识别，不会出现乱码导致整个监控系统中个别采集仪丢失的问题；电源监控可保证采集仪可靠复位，同时对电源掉电前发出预警，备份必要的数据；存储电路存储没有发出的监测数据。
如图2所示，传感器激励与测量模块2，包括激励与测量两个工作过程；微控制器产生所要求的激励信号，经过对激励信号进行功率驱动，激励钢弦式仪器，激励停止后，钢弦即以自身固定的频率开始震荡，切割线圈磁力线，在线圈中产生与钢弦自振频率相一致的频率信号，该信号经过放大、滤波和整形后，进入信号自适应处理。该部分根据信号的频率，舍弃开始阶段的不稳定信号，开始启动测量。微控制器对采集的信号进行计算和处理，得到相应数值。当激励频率与传感器自振频率一致时了，传感器将会获得最佳激励效果。因振弦式仪器一致性较差，每个传感器要求的最佳激励频率不尽相同，首先采用扫频激励方式，然后大概测量计算出传感器的频率范围，在这个频率范围内再次对传感器激励，传感器会迅速达到共振状态，从而可靠起振，输出最佳信号，这种方式可以准确测量出传感器的频率。可有效测量频率范围为400hz～6000hz之间的振弦式传感器。
无线传感器网络模块3的无线传感器网络传输距离一般只有100米～500米，当上位机距离较远，借助附近模块通过自组织或多跳的方式将信息传输到上位机。
电源模块4包括本采集仪的工作电源、传感器的激励电源，以及对采集仪进行功耗管理。采集仪就近安装在传感器旁边，只能采用电池或太阳能电池供电，采集仪的功耗必须很低，低功耗设计是本采集仪的特色之一，采集仪待机电流在0.5ma以下。
如图3所示，本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集仪工作流程包括以下步骤：
s301：采集仪启动上电启动，申请加入传感器网络；
s302；加入成功后，发出绑定要求，等待邦定成功；
s303；绑定成功后，即可进行接收上位机的命令；
s304：如果是设定时间命令，则根据上位机发送来的时间信息设定在采集仪中；
s305：如果是删除命令，则删除采集仪内保存的测量数据；
s306：如果是上传数据，则采集仪将已保存的测量数据通过无线传感器网络发送给上位机；
s307；如果是测量命令，则采集启动激励与测量工作。启动传感器的激励与测量，测量完成后，将测量数据通过无线传感器网络发送给上位机；
s308：在5分钟之内没有接收到任何命令信息，采集仪自动进入休眠模式，以降低功耗。
如图3所示传感器激励与测量工作过程。
采集的频率计算压力的公式如下：
p＝g(f2/1000-f02/1000)；
式中，f表示为测量的频率(hz)；
g表示仪器系数；
f0表示渗传感器安装埋设的初始频率。
如图4所示，本发明实施例提供的基于无线传感器网络的振弦传感器采集装置具体包括：壳体5、第一安装固定孔6、第二安装固定孔7、第三安装固定孔8、第四安装固定孔9、导槽10、第一盖板螺孔11、盖板12、电源及传感器接口13、鞭状天线出口孔14、第二盖板螺孔15。
壳体5上第一安装固定孔6、第二安装固定孔7、第三安装固定孔8和第四安装固定孔9用于采集仪的安装固定；壳体5上导槽10用于安装线路板；壳体5上第一盖板螺孔11为螺孔槽用于安装两端盖板12；盖板12上电源及传感器接口13为接线端子孔，用于传感器与电源插座接口；盖板12上鞭状天线出口孔14为鞭状天线出口孔；第二盖板螺孔15用于盖板12固定在壳体5上的螺孔。
图7为传感器激励与测量电路图，图中包括振弦式传感器接口电路、双向激励电路、信号整形放大电路和微处理器处理电路。
采集仪实物图，盒体大小为120x93.4x18.3(mm)，表面做拉丝处理，丝印文字。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。