一种结合绝压传感模块的新型无线风压监测设备

本发明属于风压采集设备，尤其涉及一种结合绝压传感模块的新型无线风压监测设备。

背景技术：

1、风荷载是大跨度复杂结构的控制荷载之一，屋面风荷载的研究手段多停留在数值模拟和实验室风洞中，现场实测是研究风荷载的有效手段。受限于现有风压实测设备安装困难、工作条件复杂、耐久性差，针对大跨度结构表面的风荷载实测工作进展缓慢，作为风压监测系统的核心设备，一种适用于大面域屋面的风压监测设备对于屋面风压实测至关重要。

2、目前在结构风压实测应用中，为获得建筑表面气压，室外无线风压监测设备往往采用差压或表压传感器，使用时需将所有传感器的参考压力端通过管路连接起来，并通过一根通气管连接到受风影响较小的室内空间。大跨度空间结构屋面外形复杂、面域大，连接大量风压测点需要铺设数千米的管路，这些管路制约了风压实测技术在更大面域屋盖上的应用。此外，由于管路系统受供气压力、温度、湿度以及气管尺寸的影响，在长期使用过程中传感器管路中将积有一定量水汽，当外部环境温度低于空气中的饱和温度时，管路表面附近空气中的水汽将会凝聚成水滴，且由于管路系统内部相对密闭，使得水分不能有效排出，积攒于管路中。同时，传统风压监测设备中央控制、通讯、电源模块的落后亦无法满足大跨度空间结构风压监测需求。因此，亟需一种无需外界参考压力、无管路连接且具有新型中央控制、通讯、电源模块的新型风压监测设备。

技术实现思路

1、针对现有风压监测设备存在的上述不足，本发明基于绝压传感技术革新传感器采集模块、采用太阳能充电系统完善电源模块、结合防水透气机械装置改善设备雨雪防护能力，提供一种结合绝压传感模块的新型无线风压监测设备，解决了传统风压监测设备在大面域屋面铺设管路等问题，实现无管路采集高频风压数据，满足了大面域覆盖、高采样率、多测点同步采集等风荷载实测。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种结合绝压传感模块的新型无线风压监测设备，其特征在于，包括传感器采集模块、中央控制模块、无线通讯模块以及电源模块，电源模块包括内部电源模块和太阳能板，太阳能板设置在防水透气机械装置顶部；传感器采集模块、中央控制模块、无线通讯模块以及内部电源模块分别安装在防水透气机械装置的内部，防水透气机械装置被安放在屋面风压测点处；各个模块的具体构成是：

4、所述传感器采集模块包括绝压传感器和a/d转换器，绝压传感器设置在所述防水透气机械装置上的挡水透气入风口，绝压传感器经过a/d转换器与中央控制模块连接；绝压传感器接收来自中央控制模块传输的数据采集命令，采集经过防水透气机械装置过滤的高频风压数据；所述a/d转换器将绝压传感器采集的高频风压数据转换模拟量为数字量，并通过spi协议将数据存于中央控制模块的闪存中；与直接测量室内外相对压力的差压传感器不同，绝压传感器避免了在屋面上安装管路，因此需要在屋面内部受风影响较小的部位安装绝压传感器作为参考压力，两者的差值可以被认为是空气运动引起的风压；建筑物表面上的风致压力被定义为屋面上的风压传感器记录的总动态压力减去室内传感器测量的环境动态压力，表示为：

5、pi(t)＝δpout,i(t)-δpref,j(t)    (1-1)

6、其中pi(t)为t时刻第i测点的瞬时风压，δpout,i(t)是屋面处第i测点的风压传感器在大风来临前后的压差，δpref,j(t)是室内参考点处第j测点的风压传感器在大风来临前后的压差；同一测点的压差，由无风状态时的大气压与大风测量时的大气压前后两次测量值确定，即：

7、

8、其中δpi(t)为t时刻屋面处第i测点的风压传感器在大风来临前后的压差，pi,abs(t)为大风时测量的t时刻第i测点的绝对大气压力，是无风状态时该传感器测量的一段初始大气压力值的平均值，作为该测点本次测量的初始大气压值；当强风来临时，室内外气压均会变化，而室内外测点两者的差压变化值就可认为是风场引起的屋面风压；将式(1-2)代入到式(1-1)中，可以得到由绝压传感器获得的测点风压：

9、

10、所述中央控制模块负责管理各个模块并向各个模块下达任务执行命令；中央控制模块根据上级或者终端base的指令驱动传感器采集模块进行数据采集，并采用智能存储算法临时存储采集的数据，同时控制无线通讯模块回传数据和指令；

11、所述无线通讯模块，负责与上下级设备通信，接收由中央控制模块生成的测点风压数据包并向中央控制模块传递上级指令以及将测点风压数据包上传至上级，由后台系统分析数据并下达进一步指令；

12、所述电源模块，向各个模块提供实时供电，以实现风压数据的实时采集；内部电源模块包括锂电池和充放电保护子模块，所述太阳能板通过导线与内部的充放电保护子模块连接，所述太阳能板通过充放电保护子模块判断电源剩余容量并调节供电，实现无线风压监测设备多模块可持续供电；所述充放电保护子模块用于判断电源剩余容量，以防止过度充电造成电源损伤；所述锂电池对中央控制模块、无线通讯模块以及传感器采集模块供电。

13、进一步的，所述中央控制模块根据能耗的高低分为三种运行模式：工作模式、待机模式和休眠模式。中央控制模块根据上级指令采用智能存储算法实现对动态采集数据快速高效地存储和读取；控制传感器采集模块执行数据采集任务；控制无线通讯模块回传数据与指令；并通过电源模块内锂电池供电。

14、所述无线通讯模块具有组网、定点发射、加密通讯等功能，负责与上下级设备通讯，采用扩频通讯技术提升了信号传输的抗干扰能力，相比于之前风压监测设备使用的无线通讯芯片，其具有更远通讯距离、较低使用功耗和更高空中传输速率的优势。

15、所述传感器采集模块主要负责传感器的开关以及数据的采集，当接收到中央控制器的电信号后，传感器开始测量数据，通过spi协议将数据存于中央控制模块的闪存中，完成采集任务后，传感器采集模块将切断传感器的电源，以降低整个设备的能耗。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

17、1.相较于传统的风压监测传感器，本发明提出的一种结合绝压传感模块的新型无线风压监测设备采用新型绝压传感器代替差压传感器或表压传感器，解决了风压传感器在大面域屋面铺设管路带来的测点布设困难、管路水汽结露、成本高等问题，实现了无管路采集高频风压数据，提高测点布设灵活性，大大降低了测点布设成本，保证了风压数据采集精度；

18、2.本发明采用锂电池、充放电保护子模块和太阳能板组成新型电源系统，锂电池直接向各个模块供电，太阳能板在充放电模块的控制下向锂电池供电，通过充放电保护子模块保证在补充电池能耗的同时防止过度充电损伤电池，与一般的电源模块相比具有续航能力强、不易损坏等优势；

19、3.本发明采用新型无线风压监测设备的防水透气机械装置，能够阻隔雨雪入侵损坏设备，通过大孔透气的方式防止风压信号畸变，满足了风压传感器高频采样的要求，大大提高了数据的准确性；

20、4.本发明采用绝压传感器实现了无管路采样，采用锂电池、充放电保护子模块及太阳能板组成的新型电源系统延长了设备运行周期，采用防水透气机械装置延长了设备使用寿命，三者结合可大大提高设备对复杂环境的适应能力，实现风压测点的灵活布设。

21、5.本发明综合绝压传感器及太能充电系统等多项先进技术，摆脱了传统风压监测传感器对管路的依赖，实现了风压采集设备的灵活布设，解决了无线风压监测设备的能源保障问题，完善了中央控制模块及无线通讯模块的有关功能，最终满足大跨度空间结构大面域覆盖、高采样率、多测点同步采集等风荷载实测要求。