基于Zigbee的地震模拟振动台数据采集系统的制作方法

本发明涉及地震模拟检测技术领域，尤其是基于Zigbee的地震模拟振动台数据采集系统。

背景技术：

地震是重大自然灾害之一，地震发生时会使大量的建筑物、设备造成损坏甚至倒塌，甚至发生山体滑坡泥石流等地质灾害，给人民的生命和财产造成了严重的损失。因此提高建筑物、构筑物、设备等的抗震能力是减小地震损害的主要途径。由于地震模拟振动台可以在实验室很好地再现地震作用的动力过程，是研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法，是研究建筑物等抗震能力的有效方法。地震模拟台试验通常是将建筑物、构筑物、设备同等或缩比模型放置在震动台上模拟地震振动观测其响应。在地震模拟台上可以进行如下各种试验：①进行各类建筑物模型的动力特性试验；②进行各类建筑物模型在地震作用下的破坏机理的研究；③进行各类建筑物模型的抗震措施的研究；④进行各种机电设备和设施的耐震试验研究；⑤进行各类机电产品的振动例行试验。

地震模拟台测控系统由控制部分和数据采集部分组成，在控制部分中，地震模拟台根据输入波形产生震动，输入的地震振动波可以根据研究需要选用不同地域的地震波形，地震振动频谱范围分布在0.2-20Hz之间，能量峰值在1Hz附近，震动幅度可以根据实验需要进行调节。在数据采集部分中，在建筑模型或设备模型各个测试位置布置传感器，测量建筑物模型的动力特性参数，主要测量的响应参数是各个测试位置的应变、位移和加速度等。

目前地震模拟台测控系统一般是由一台计算机完成，也就是集中式数据采集和控制系统。其中数据采集部分包括传感器、传感器信号变送柜、计算机采集卡及计算机等部分。通常一个实验模型布置应变传感器数量达几十个，位移传感器、加速传感器也有十几个。应变传感器、位移传感器、加速传感器接入到变送器柜变换成标准的电压信号，再接入到台式计算机内部安装数据采集卡。计算机将应变、位移、加速度信号转转成数字量，采集的数据以文件的形式保存下来，用于以后的分析和应用。这些数据也可以以静态曲线形式在屏幕上显示出来用于观测数据采集的结果。

现有集中式数据采集系统的主要缺点：①价格高、体积重量大，尤其是变送器柜价格贵，体积和重量较大；②在地震模拟台建筑物模型或设备上放置的各种传感器一般情况多达几十个，布线和接线都需耗费很多人力物力；③信号有线传输会带来共模和差模干扰，影响到信号的传输质量和信号的采集精度。

技术实现要素：

基于地震模拟振动台实验模型数据采集点多且分散的特点，本发明的目的是提供一种基于Zigbee的地震模拟振动台数据采集系统，实现实验模型各测试位置的应变、位移、加速度等参数的采集、传输和存储。

本发明的技术方案是：基于Zigbee的地震模拟振动台数据采集系统，采集系统Zigbee无线网络采用星形结构，包括多台数据采集节点、一台协调器节点，采集还包括一台计算机，所述数据采集节点与协调器节点通过无线连接，所述协调器节点通过USB与计算机连接，所述数据采集节点和协调器节点采用低功耗设计，所述数据采集节点由电池供电，所述协调器节点是由计算机通过USB接口提供的电源。

进一步的，所述数据采集节点包括应变采集节点、位移采集节点和加速度采集节点。

进一步的，所述应变采集节点应变检测采用电阻应变片传感器。

进一步的，所述位移采集节点位移检测采用的是拉绳位移传感器，所述位移传感器将位移的变化转换成电位器电阻的变化。

进一步的，所述加速度采集节点加速度检测采用动圈式电磁感应加速度传感器。

进一步的，所述应变采集节点应变检测采用单电源专用集成仪用放大器AD623作为变换电路，所述位移采集节点位移检测采用由单电源运放LM358组成的R-U变换电路，所述加速度采集节点加速度检测采用单电源专用的集成仪用放大器AD623作为变换电路，输入端增加了工作点偏移电路。

进一步的，所述数据采集节点采集和控制的核心元件微处理器采用的是ZigBee的专用控制芯片CC2530。

进一步的，所述协调器节点核心元件微处理器采用的是ZigBee的专用控制芯片CC2531，其内部在CC2530基础上增加了一个USB专用控制器，通过USB接口电路与计算机连接。

进一步的，所述计算机可通过USB接口接收采集的应变、位移和加速度数据，并实现数据存储、显示和记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用无线通讯方式，不需要现场布置信号线，大大的减少了工作强度和工作量。

(2)本发明采用无线通讯方式，消除了传输线的共模和差模干扰，提高了信号的传输质量。

(3)本发明的数据采集节点体积小、重量轻，各节点布置方便。

(4)本发明的数据采集节点采用低功耗设计，数据采集节点由电池供电，不需要AC220V电源。

(5)Zigbee的特点是节点造价低廉，并且传感器的变送电路集成在数据采集节点内，取消了外加变送器，降低了整个系统的成本。

附图说明

图1为本发明的组成框图。

图2为本发明的应变量数据采集节点组成框图。

图3为本发明的位移数据采集节点组成框图；

图4为本发明的加速度数据采集节点组成框图。

图5为本发明的协调器节点组成框图。

图6为本发明的应变量数据采集节点电路图。

图7为本发明的位移数据采集节点电路图。

图8为本发明的加速度数据采集节点电路图。

图9为本发明的协调器节点电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，基于Zigbee的地震模拟振动台数据采集系统，采集系统Zigbee无线网络采用星形结构，包括多个数据采集节点、一个协调器节点，系统还包括一台计算机，数据采集节点与协调器节点通过无线连接，协调器节点通过USB与计算机连接。数据采集节点和协调器节采用低功耗设计，数据采集节点由电池供电，协调器节点由计算机通过USB接口提供电源。

数据采集节点包括应变采集节点、位移采集节点和加速度采集节点。

如图2所示，应变采集节点由三组应变片电桥、三路应变变换电路、LCD显示单元、按键电路、微处理器CC2530及辅助电路、数据存储电路、天线匹配电路、电源电路、外接电池组成；应变变换电路将电阻应变片电阻的变化变换成标准的电压信号，再由CC2530内部AD转换器变换成数字量并经过处理保存在数据存储电路；应变采集值可在LCD显示单元上显示，并可以通过无线传输到协调器节点；应变采集模块设计有功能按键，通过按键还可以设置传感器的量程等参数。

如图3所示，位移采集节点由两个位移传感器、两路位移变换电路、LCD显示单元、按键电路、微处理器CC2530及辅助电路、数据存储电路、天线匹配电路、电源电路、外接电池组成，位移变换电路将位移传感器电阻的变化变换成标准的电压信号，再由CC2530内部AD转换器变换成数字量并经过处理保存在数据存储电路；位移采集值可在LCD显示单元上显示，并可以通过无线传输到协调器节点；位移采集模块设计有功能按键，通过按键还可以设置传感器的量程等参数。

如图4所示，加速度采集节点由一个加速度传感器、一路加速度变换电路、LCD显示单元、按键电路、微处理器CC2530及辅助电路、数据存储电路、天线匹配电路、电源电路、外接电池组成，加速度变换电路将加速度传感器输出的电动势变换成标准的电压信号，再由CC2530内部AD转换器变换成数字量并经过处理保存在数据存储电路；加速度采集值可在LCD显示单元上显示，并可以通过无线传输到协调器节点；加速度采集模块设计有功能按键，通过按键还可以设置传感器的量程等参数。

如图5所示，协调器节点由微处理器CC2531及辅助电路、数据存储电路、天线匹配电路、USB接口电路、状态指示电路、电源电路组成。协调器节点可以通过无线传输接收各个节点采集的应变、位移和加速度数据并保存到数据存储电路，这些数据可以通过USB接口传输到计算机。状态指示电路指示当前的工作状态。

应变采集节点应变传感器选用电阻式应变片，为了提高其稳定性和输出灵敏度以及减小功耗，常选用高电阻应变片，型号BF1K-3AA，电阻值(R)：1002±0.1Ω；灵敏系数：2.0±1％。应变片全桥电路输出经过节点内部应变变换电路变换成标准的电压信号,本发明采用的是单电源专用集成仪用放大器AD623作为变换电路。作为采集和控制的核心元件微处理器采用的是CC2530，CC2530是ZigBee的专用控制芯片，它是一款8位高性能的低功耗微处理器。CC2530具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC，具有支持多种串行通信协议的强大USART，其内部集成了超低功耗的SRAM、非易失性程序存储器。除了保存程序代码和常量以外，内部非易失性存储器可以存储应用程序所需的系统设置参数。CC2530内部集成的12位ADC转换精度对于采集节点的采集精度满足系统要求。内部集成USART0被配置为SPI总线，用于与外部扩展数据存储电路通信。数据存储电路用作数据缓存，采用的是1M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF010。显示单元采用3.3V1602LCD显示电路，具有较低的功耗和较强的字符显示功能，在没有背光时耗电电流仅为2.3mA。按键用于功能键和参数设置。由于数据采集模块采用的是低功耗设计，因此应变采集节点采用电池供电，节点内部电源电路采用低压差线性变换电路，将电池电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。

位移采集节点位移检测采用导电塑料电位器自恢复拉绳位移传感器，型号WPS-S，量程可根据测量需要选择5mm-1000mm，线性精度误差：≤±0.05％-0.08％FS(精密型)；重复精度：0.01％FS-0.005％FS；电位器电阻值有5K、10K。位移传感器输出的电阻信号经过节点内部位移变换电路转换为电压信号，本发明采用的是由单电源运放LM358组成的R-U变换电路。其他单元与应变采集节点相同。

加速度采集节点加速度检测采用无源动圈式电磁感应加速度传感器，型号TL891。该传感器可根据选择开关测量位移、速度和加速度，本发明采用的是单电源专用的集成仪用放大器AD623作为变换电路，输入端增加了工作点偏移电路。其他单元与应变采集节点相同。

协调器节点采用CC2531作为控制核心元件，作为ZigBee的专用控制芯片CC2531与CC2530基本功能相同，只是其内部在CC2530基础上增加了一个USB专用控制器，支持全速操作传速速率高达12Mbps，通过USB接口电路可以与计算机连接。作为协调器节点数据缓存，采用的是4M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF032B。由于协调器节点采用的是低功耗设计，因此协调器节点供电由USB接口提供，简化了电源的设计。USB供电电压+5V，内部电源电路采用低压差线性变换电路，将+5V电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。状态指示电路指示当前的工作状态。其他单元与应变采集节点相同。

采集节点按功能分三种工作模式：

①等待模式：处于等待状态不进行数据采集，也不进行数据处理和传输。开始上电和复位之后处于此状态，此时主要用于调整位移传感器的位置，以及其它传感器的工作状态；

②参数设置模式：通过功能键进入参数设置界面(模式)，修改传感器的量程参数，使其与实际选用的传感器量程一致，在退出此模式时保存相应的参数。

③数据采集模式：通过功能键进入数据采集模式，首先进行采集量的零点自动校准，然后进入数据采集状态，并将采集的数据在LCD上显示。如果计算机进入采集和传输确定状态，即发送数据采集和传输命令，采集的数据即可连续上传到计算机。

计算机应用软件由C++编制，主要功能是控制数据传输，接收协调器节点上传的应变、位移和加速度数据，上传的数据以文件的形式保存，并且可以调取这些数据进行分析处理。

主要具有以下几种功能：

①控制数据传输功能：

计算机进入传输确定状态，也就是发送传输命令，各个数据采集节点将采集的数据上传到协调器节点并通过USB接口上传到计算机，这些数据以文件的形式保存起来。

②回放记录数据功能：

首先选择数据文件，然后开始回放。选择文件后，在空闲状态下可以开始回放数据，控制按钮包括暂停、停止、快退、后退、前进、快进。暂停按钮可以暂停回放，并从当前位置继续回放。停止按钮停止回放。

③快速绘图功能：

首先选择数据文件，打开数据可以曲线的形式在屏幕上显示出来，通常有时间曲线也就是示波曲线，连续FFT曲线、或冲击响应频谱曲线。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。