一种提高采样频率的大型建筑结构无线传感监测网络系统的制作方法

本发明涉及一种大型建筑结构的无线传感监测网络系统，尤其涉及一种提高采样频率的大型建筑结构无线传感监测网络系统。

背景技术：

无线传感系统通过将传感技术和无线传输技术相结合，将分散在结构各部分的传感器组合为一个传感网络，在实际使用中只需经过少数的信号中转即可实现建筑结构内部或表面的无线信号全覆盖，从而可以不受限制的布置监测测点，继而可以得到更加全面完整地健康监测信息。然而，当无线传感系统应用到大型建筑结构的健康监测领域中，由于监测测点的类型和数量都很多，且测点之间的距离通常相当远，必须使用特定的适应性强的无线组网系统才能实现大型建筑结构无线健康监测的信号全覆盖。

在现有的无线传感系统中，通常使用低功耗单片机作为中央处理器，而单片机由于性能不足通常只能进行单线程操作，因此，采集数据和回传数据通常无法独立运行。与此同时，由于无线传感系统传输的数据较为简单且系统对功耗的要求非常严格，因此现有的无线传感系统通常采用自定义无线通讯协议，而小功率自定义通讯协议最大的弊端就是在传输过程中同一时刻只能接收或发送一条指令，否则会导致指令之间相互冲突。因此，现有的无线传感系统只能通过遍历通讯的方式进行数据通讯，对于小规模的结构健康监测，这种数据通讯模式还可以勉强适用，如果健康监测的对象是大型建筑结构，系统中可能会有成百上千个不同类型的测点，此时再使用这种通讯模式则单个测点的采样频率将会大幅度降低。此时不仅所有测点采集数据的同步性不能得到有效的保证，单个测点若想实现高频率的动态监测也不再可能。

技术实现要素：

本发明的目的是通过在无线传感健康监测系统中引入通讯地址id机制以及rom存储模块，实现了可高频采集的大型建筑结构无线传感健康监测网络系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高采样频率的大型建筑结构无线传感监测网络系统，该系统由若干独立的监测测点、若干用于通讯的路由节点和采集终端通过无线网络组成，所述监测测点由动态传感采集模块、低功耗中央控制模块、无线通讯模块以及动态存储模块组成；所述路由节点仅由低功耗中央控制模块和无线通讯模块组成。

为了保证无线传感网络在复杂的网络形式下能够正常有效的通讯，无线传感网络中每个监测测点和路由节点均被赋予一个独立的本机id和唯一的上级设备id，路由节点还拥有多个子路由id，通过在指令中添加相应的id信息可对任意监测测点或路由节点进行操作而不影响其他测点或路由节点。

所述采集终端发送无线采集指令，监测测点和路由节点均通过判断无线采集指令中的id信息和指令编号来确定对指令的响应方式，监测测点只能响应来自上级id的指令，路由节点既可以转发来自上级id的指令给下级子路由和监测测点，又可以转发来自监测测点和下级子路由的回传数据；监测测点根据无线采集指令实现多次自动采集，且采集数据后可直接将数据保存至动态存储模块中而不进行数据回传，从而可以实现高频率的多次自动采集且无需进行大量无线通讯操作，存储结束后可立即进行下一次采集操作而无需等待下一次采集指令。所述动态存储模块内部建立相应的存储索引，监测测点可根据所需采样精度和采集数据类型进行智能数据压缩，并对错误值和异常值进行智能剔除，当进行数据压缩、数据剔除、数据覆盖时，存储索引将自动更新。当需要读取监测测点内动态存储模块中的数据时，测点的中央控制模块根据存储索引将数据进行分割处理，逐个数据包回传给采集终端，大幅降低了无线通讯次数，降低了测点功耗。

进一步地，所述动态存储模块由多个rom存储芯片组合而成。

进一步地，为了保证动态采集的数据可以高效有序的进行存储和读取，测点内的低功耗中央控制模块采用智能存储算法。具体操作为：测点收到自动采集并存储的命令后，中央控制模块首先根据采集次数计算出所需的存储空间，并将存储空间的索引地址保存至测点内存中；其次，中央控制模块将每次采集的原始数据直接记录在存储中，待到采集完毕后中央控制模块根据所采集数据特征对原始数据进行智能识别，对于错误值或明显偏离正常范围的数据进行剔除；接着，中央控制模块根据采集数据的类型和所需精度对原始数据进行智能数据压缩并保存，并将改变后的存储索引进行更新；最后，测点在收到取回数据命令后按照相应的索引进行数据返回操作。智能数据压缩算法可根据所需精度和采集数据类型进行数据压缩，采集前通过设置合理的精度可以保证既能够满足监测的要求又能够节省大量的存储空间；此外，通过对于不同类型的监测数据在不同的时间范围内进行平均，将波动的原始数据分解为平均值和脉动值进行存储亦可以节约存储空间。

进一步地，当多次自动采集结束之后，需要采集终端发送具体的取回数据命令，中央控制模块从动态存储模块中读取出所需数据的首末地址，将首末地址之间的存储数据取出并打包成固定大小的数据包，将数据包依次通过无线通讯模块回传给采集终端。

进一步地，当存储空间被完全占满后，中央控制模块将会自动把最先一次的存储空间进行释放，清除相应的存储索引值，重新建立新的索引值并将数据存储到清空的区域中，如若单块索引区域空间不足，则自动删除多段索引区域空间。

进一步地，当监测测点进入休眠掉电状态后，动态存储模块中的数据仍然不会丢失，采集终端如果需要再次取回数据只需在唤醒监测测点后再次发送取回数据指令即可。

本发明的有益效果是：为了保证无线传感网络在大型建筑结构健康监测的复杂环境中仍能正常通讯，每个测点和路由节点均被设置了独立的id信息，无线通讯指令中包含了相关的id信息和指令编号，路由节点和监测测点可通过识别相应信息进行操作。为了提高测点采样频率，每个监测测点可单独进行多次自动采集，且采集数据直接存储至动态存储模块中而不通过无线通讯进行数据回传，每个测点可以独立采集并存储数据而无需遍历传输数据，因此测点的采样频率可以大幅提高。采集结束后，测点可对采集的原始数据进行智能管理操作，通过建立相应的索引保证数据可以被高效的读写，通过智能数据压缩和识别技术减少了所需的存储空间。保存在动态存储模块中的数据可以通过分割打包的方式，逐个回传给采集终端，大幅减少了无线通讯的次数，降低了测点功耗。本发明通过引入动态存储模块，可以让原本需要实时无线传输数据的数据采集变为可实时存储的高频自动采集，数据在采集完毕后再依次取回数据，不仅大幅减少了无线通讯的次数，降低了系统功耗，在监测测点较多的情况下还可以保证系统仍能进行高频率采集，从而得到实用价值更高的监测数据。

附图说明

图1为本发明中无线传感健康监测系统示意图；

图2(a)为本发明中路由节点对指令信息的判断逻辑示意图；

图2(b)为本发明中监测测点对指令信息的判断逻辑示意图；

图3为本发明中监测测点的组成模块相互关系示意图；

图4为本发明中不同采集模式的判断流程框架图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

完整的健康监测系统由采集终端、路由节点以及监测测点组成，不同点之间均可通过自定义无线通讯协议进行数据通讯，采集终端收到的数据通过internet发送至监测数据云中。系统示意图如图1所示。

采集终端通常距离传感测点距离较远，无线信号难以直接传达，因此需要使用带有命令转发功能的路由节点。在这种情况下，为了避免网络中出现多重信号干扰，系统中每一个监测测点或路由节点都拥有一个本机id和上级设备id，路由节点还可以保存多个下级路由节点的id。每个id包含设备类型和设备的具体编号。无线通讯模块之间传递指令的标准格式包括发送指令的源设备id、下发指令最末端的路由节点的id、最终指向的目标的id以及指令携带的附加参数。

当采集终端发送目标为监测测点的指令后，指令应逐级向下级发送至监测测点，路由节点将对指令内的id信息进行判断，并决定如何对信息进行转发。此时属于数据下发指令过程，路由节点判断步骤将如图2(a)中虚线框内所示。当监测测点接收到指令时，测点亦将根据命令中的id信息进行判断，对无关的指令将不做响应，具体判断过程如图2(b)所示。当监测测点任务执行完毕需要返回数据时，测点将发送标准格式的指令，指令应逐级上传至采集终端，因此路由节点将对指令的id信息进行判断，并决定该如何处理指令。此时属于回传数据过程，路由节点判断步骤将如图2(a)中实线框内所示。

每个监测测点均由动态传感采集模块、低功耗中央控制模块、无线通讯模块以及动态存储模块组成。低功耗中央控制模块主要由单片机构成，它作为整个测点的核心部件，起到与其他模块通讯和数据处理的作用；动态传感采集模块包含传感器以及数字转换模块，传感器将各种物理量转化为模拟信号或数字信号，而数字转换模块则将采集到的信号转化为系统所需的数字信号；无线通讯模块负责发送与接收数据，采用自定义通讯协议进行通讯；动态存储模块采用低功耗存储芯片，可通过串联多个芯片的方式组合成大容量存储芯片，存储数据断电情况下仍可以保留。四个主要模块的相互关系如图3所示。

当需要进行数据采集时，监测测点可以通过识别指令信息来决定不同的采集模式，单次采集情况下，中央控制模块驱动传感模块采集并传回数据，随后中央控制模块按照指令要求传输或存储数据，单次采集操作至此完成。自动采集模式下，中央控制模块启动循环采集模式，即每隔一段时间执行一次单次采集操作，具体内容与单次采集操作完全相同，间隔时间由指令控制，当自动采集到达指令规定的采集次数后自动采集随即结束。具体采集模式如图4所示。

当采用自动采集模式并使用动态存储模块进行数据存储时，中央控制模块首先根据采集次数计算出所需的存储空间，并将存储空间的起止索引地址保存至测点内存中；之后中央控制模块将每次采集的原始数据直接记录在存储中，在采集过程中中央控制模块将不会响应除了停止采集之外的指令，从而保证传感监测测点能够稳定高速的进行采集，待到采集完毕后中央控制模块根据所采集数据特征对原始数据数据进行智能识别，对于错误值或明显偏离正常范围的数据进行剔除；接着中央控制模块将根据采集数据的类型和所需精度对原始数据进行智能数据压缩并保存，并将改变后的存储索引进行更新；采集过程结束后，当监测测点接收到数据取回指令时，中央控制模块将根据之前记录的首末存储地址索引，将存储的数据分割为多个数据包，并将数据包按照标准指令格式通过无线通讯模块传输给采集终端。