一种实现多测点同步采集的无线传感风荷载监测系统的制作方法

本发明涉及一种无线传感风荷载监测系统，尤其涉及一种实现多测点同步采集的无线传感风荷载监测系统。

背景技术：

健康监测在当代大型复杂结构的建造运营中起到越来越重要的作用，而风荷载作为大型复杂结构最主要的荷载之一，其动态监测的必要性不言而喻。以风荷载动态监测为代表的动态健康监测通常还包括应力应变动态监测、加速度动态监测、位移动态监测以及温度动态监测。这些动态监测系统的要求均较为相似：所需的采样频率较高且采样过程中不同测点应同步采集。如果测点的时间同步性不能保证，监测数据的质量将大幅降低。

现有的无线传感监测的同步方法大致有两类：第一种是通过采集仪发送无线信号，所有测点收到信号后作出相应反应，这种方法最大的问题是无线信号难以大规模覆盖，如通过中继节点进行转发，则势必导致转发的信号与之前的信号不再同步；第二种是通过gps的信号进行时钟校准，但这种方法的问题在于，当测点处于gps信号相对较弱的位置，比如屋盖下表面和室内，此时该方法的成功率将降低，从而无法有效的校准测点的时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提提供一种实现多测点同步采集的无线传感风荷载监测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种实现多测点同步采集的无线传感风荷载监测系统，该监测系统由多个独立的风荷载传感测点构成，每个测点由低功耗中央控制模块、无线传感模块、时钟模块以及fm同步模块组成；低功耗中央控制模块和无线传感模块组成测点的基本功能模块，负责基本的数据采集、数据传输以及数据存储；时钟模块和fm同步模块并不依赖基本模块，可独立运行。

所述低功耗中央控制模块接收定时采集指令后，等待时钟模块的触发信号；在接收到触发信号后激活无线传感模块采集风荷载数据。

所述fm同步模块侦听民用fm信号，通过识别fm信号的整点报时音，在整点时发出报时电平信号给低功耗中央控制模块，低功耗中央控制模块接收fm同步模块发送的报时电平信号后，将时钟模块的时间校准为整点时间；

所述时钟模块接收低功耗中央控制模块的定时指定，在到达定时指定的定时时间时，给低功耗中央控制模块发送触发信号。

进一步地，所有的测点依次接收定时采集指令，通过各自校准后的时钟模块的触发信号，实现多测点风荷载同步定时自动采集。

进一步地，每个测点的低功耗中央控制模块内部存储该测点所在地区的可用民用fm信号的频率和报时声音信息，并可以驱动fm同步模块在不同的频道上进行侦听。

进一步地，所述fm同步模块既可以每隔一段时间自动侦听民用fm信号，也可以通过人工发送指令侦听民用fm信号。

本发明的有益效果是：通过在测点内部加入时钟模块，可以让多测点通过定时的方式同步采集，通过引入fm同步模块，可在指定时间对测点内部的时钟模块进行校准，保证所有测点时钟均为同步状态，在大范围大规模的动态无线传感风荷载监测下能够实现精确地同步采集。

附图说明

图1为本发明中测点内部模块组成示意图；

图2为本发明中测点收到定时采集指令后的工作流程；

图3为本发明中测点采集数据的具体时间戳的计算方法；

图4为本发明中多测点时钟同步校准过程示意图。

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。

本实施例的无线传感风荷载监测系统由多个独立的风荷载传感测点构成，每个测点均由低功耗中央控制模块、无线传感模块、时钟模块以及fm同步模块组成，中央控制模块和无线传感模块为测点的基本模块，中央控制模块可驱动无线传感模块进行数据采集、无线回传以及存储等一系列工作，这两个模块由主电源模块进行供电。时钟模块和fm同步模块可独立于基本模块运行，其作用主要为提供采样时间、设置定时器以及时钟同步功能。各个模块的组成关系如图1所示。

测点内部的时钟模块采用低功耗时钟芯片，芯片集成在电路板内部，中央控制模块可直接与时钟芯片进行通信，时钟芯片经过初始化后即可正常工作，采用纽扣电池进行供电。该时钟芯片可以实时读取当前时间，精确到10ms，时间信息通过8字节十六进制文本进行回传，十六进制文本直接表示十进制数字。同时该芯片还可以设置最多两个定时器，当时间到达定时器所设定的时间时，该芯片将给中央控制模块发出定时信号。

当需要进行定时采集时，中央控制模块给时钟模块发送定时指令，时钟模块收到指令后立即设置相应的定时器，与此同时中央控制模块进入等待模式，此时中央控制模块将不受外界信号的干扰直至采集结束。当定时器的定时时间到达时，时钟芯片给中央控制模块发送一低电平信号，中央控制模块收到信号后首先向时钟模块发送读取时间指令，并将该时间进行存储，之后立刻驱动无线传感模块开始进行数据采集，采样结束后中央控制模块再次向时钟模块发送读取时间指令，将该时间记录下后完成一次定时采集操作。测点的判断流程如图2所示。读取数据时根据首末时间以及采样次数即可推算出每一次采样的具体时间。具体的操作方式如图3所示：保存时间数据的时间差1和采集保存数据的时间差2是固定的，因此可得到每一次采样的准确时间。

当需要多测点同步采集时，则需要每个测点内的时钟模块保持同步状态。测点设备初始化时，时钟模块将被赋予初始时间，该时间与设备被初始化的时间一致，同时fm同步模块被初始化为每24小时进行一次准点对时，并设置具体对时整点。此后fm同步模块进入休眠模式，直至当时间到达预先设定好的对时整点前，fm同步模块进入工作模式，开始侦听民用的fm频段并等待整点对时信号出现。当对时信号出现并被接收成功后，fm同步模块发送消息给中央控制模块，中央控制模块驱动时钟模块将时间校准为最近一次的整点时刻，校准示意图如图4所示，单次同步校准完成，校准精度可达到1ms。此后fm同步模块进入休眠模式，中央控制模块根据之前工作状态智能决定进入工作模式或休眠模式，直至24小时后进入下一次同步校准程序。如果fm同步模块本次同步失败，则在下一个整点时刻fm同步模块将再次提前唤醒并进入工作状态，继续进行下一次同步校准操作，直至校准操作成功为止。校准操作的间隔时间可修改为每日、每周、每月或每年进行一次同步校准，考虑到时钟模块的个体差异的存在，同步校准必须经常进行。

另外，考虑到有些对同步要求性非常高的采集操作，比如加速度采集操作，可以通过发送指令的方式人工打开fm同步模块，此时fm同步模块进入侦听状态，一旦侦听到整点信号，则自动进行时钟的校准。进一步的，当测点时钟同步之后，要想实现多测点同步采集，只需依次向每个测点发送定时采集指令即可。

本发明系统不仅适用于需要大规模同步采集的风荷载监测系统，还可以适用于类似的需要动态同步监测的健康监测系统中，比如应力应变动态监测、加速度动态监测、位移动态监测以及温度动态监测等。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种实现多测点同步采集的无线传感风荷载监测系统，该系统在测点内部集成了时钟模块和FM同步模块，时钟模块在提供时间信息的同时还可以设置定时器，从而可以让中央控制模块实现定时自动采集数据；FM同步模块通过侦听FM广播的整点报时信号来进行对时，测点内部的中央控制模块在收到FM同步模块发出的信号后自动判断时钟模块所需校准的时间整点，并将时钟模块校准到对应整点时刻处，从而使得在各种环境下多个测点内部的时钟均可以保持高度同步，进而在多个测点的情况下可以通过依次向每个测点发送定时采集指令实现多测点同步采集数据。

技术研发人员：罗尧治;王煜成;刘玄
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.03.28
技术公布日：2017.07.07