一种基于振弦式传感器的无线传感网络系统的制作方法

本实用新型涉及无线传感网络系统，尤其涉及一种基于振弦式传感器的无线传感网络系统。

背景技术：

应力应变是反映结构受力情况的重要指标，若要掌握结构的安全状况必须进行应力应变测量，应力应变测量是结构健康监测的重要组成部分。

大型结构构造复杂，若要全面掌握结构的受力情况，需要对结构不同组成构件的不同位置进行应力应变监测，这将使得应力应变测点位置分布零散且数量庞大。现有的结构健康监测系统基本上都采用有线传输的方式进行数据传输。有线数据传输方式虽然具有传输效率高、数据稳定可靠和技术成熟等优点，但是在系统安装过程中需要布设大量线缆，这会带来一系列的问题：(1)有些结构现场环境较恶劣，布线困难或会影响结构的美观；(2)在有些情况下，对测量的时机要求严格，需要快速测量，有线系统难以满足这类场合的要求，例如荷载试验；(3)基于有线数据传输方式的系统安装时间长，所需要的人力和物力多，必然会导致成本的增加；(4)线缆容易损坏，保护很困难，这也给有线健康监测系统的管理和维护带来了不少问题。

无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由监测区域内大量的微型传感器节点，通过无线通信方式，组成的一个多跳的、自组织的网络系统。其目的是协作感知、采集和处理监测区域中感知对象的信息，并通过无线通信的方式发送给观察者。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决当前结构健康监测中有线数据传输方式存在的布线量大、安装和维护费用高、在复杂结构中布线困难等问题，针对结构健康监测中大量使用的应变传感器，提供了一种基于振弦式传感器的无线传感网络系统。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于振弦式传感器的无线传感网络系统，包括如下部件：

振弦式传感器1；

无线传感单元2；

ZigBee-USB设备3；

计算机4；

所述振弦式传感器1与无线传感单元2相连接；

所述ZigBee-USB设备3通过USB接口与计算机4连接；

所述振弦式传感器1和无线传感单元2共同组成无线传感网络。

所述无线传感单元2包括如下部件：

数据采集模块7；

数据处理与控制模块8；

第一无线收发模块9；

能量供应模块10；

所述数据采集模块7与振弦式传感器1相连；

所述数据处理与控制模块8分别与数据采集模块7和第一无线收发模块9相连；

所述能量供应模块10为数据采集模块7、数据处理与控制模块8以及第一无线收发模块9的工作提供能量。

所述数据采集模块7包括如下部件：

低压扫频激振电路；

拾振电路；

所述低压扫频激振电路以低压扫频的方式对振弦式传感器1的钢弦进行激励，使其起振；

所述拾振电路用于对振弦式传感器1的输出信号进行放大、滤波和整形处理；

所述数据处理与控制模块8采用STM32F103RBT6芯片。

所述第一无线收发模块9采用CC2530芯片。

所述能量供应模块10为电池组(采用六节电池串联)。

所述ZigBee-USB设备3包括如下部件：

第二无线收发模块11；

USB电平转换电路12；

所述第二无线收发模块11通过USB电平转换电路12与计算机4连接。

所述第二无线收发模块11采用带USB接口的CC2531芯片。

本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本实用新型用无线通信代替线缆传输，首先免去了布线的麻烦，其次现场数据传输网络能够进行快速的搭建，提高了效率，降低了系统建设的成本。通过无线协议来定义网络结构，然后通过软件来控制传感器节点的添加与删除，使传感器网络的扩展和维护简单了许多。无线传感网络将数据传输无线化，能够使结构应力应变监测免受现场环境的限制，并提高现场测量的效率。

本实用新型采用市售的标准振弦式应变传感器，没有改变传感器的构造，从源头上保证了传感测试精度；通过无线传感单元，可避免对国外产品的过分依赖，同时可根据研发和使用需求对无线传感单元的功能和性能作深度定制；无线传感单元能进行工程类的数据分析处理，减少原始数据传输量，以降低系统功耗；无线传感单元之间能够实现自动组网，对工程现场的复杂条件具有更好的适用性，为降低结构健康监测系统建设和维护成本作出贡献。

附图说明

图1为本实用新型基于振弦式传感器的无线传感网络系统结构示意图。

图2为本实用新型振弦式传感器结构示意图。

图3为本实用新型无线传感单元的结构原理框图。

图4为本实用新型低压扫频激振电路结构示意图。

图5为本实用新型拾振电路结构示意图。

图6为本实用新型ZigBee-USB设备的结构原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。

如图1；本实用新型公开了一种基于振弦式传感器的无线传感网络，包括振弦式传感器1、无线传感单元2、ZigBee-USB设备3和计算机4；所述振弦式传感器1与无线传感单元2相连接，所述ZigBee-USB设备3通过USB接口与计算机4连接；所述振弦式传感器1和无线传感单元2共同组成无线传感网络。

所述振弦式传感器1可以设置在结构物表面，其采用JMZX-212AT型振弦式应变计，工作原理如图2所示。

从图2可以看出，振弦式传感器内部是一根两端固结并且张紧的均匀钢弦5，当在振弦式传感器的线圈6中加入激励信号后，由法拉第电磁感应原理可知，钢弦5会受到磁场对它的作用，于是钢弦5开始起振；当停止向线圈6中加入激励信号时，钢弦5开始进行有阻尼的振荡，钢弦5在振荡时，会对磁场中的磁感线进行切割，使通过线圈的磁通量发生变化，由法拉第电磁感应原理可知，线圈中将会产生可测量的交变感应电动势，所测的感应电动势的频率即为钢弦5的振动频率。只要测出钢弦5的振动频率，就能通过钢弦5的频率与应变的关系得到应变，频率与应变的关系如下：

式中，f为钢弦振动频率，l为钢弦长度，T为钢弦张力，ρ为钢弦线密度，s为钢弦横截面积，σ为钢弦应力，ρ_v为钢弦的体密度(ρ_v＝ρ/s)，E为钢弦的弹性模量，ε为钢弦的应变。

所述无线传感单元2用于完成振弦式传感器1的频率测量，每个无线传感单元2如图3所示。

从图3可以看出，其包括数据采集模块7、数据处理与控制模块8、第一无线收发模块9以及能量供应模块10，其中数据采集模块7包括低压扫频激振电路和拾振电路，所述低压扫频激振电路和拾振电路分别与振弦式传感器1连接，数据处理与控制模块8采用ST(意法半导体公司)的STM32F103RBT6单片机芯片，分别与低压扫频激振电路、拾振电路和第一无线收发模块9连接，能量供应模块10采用6节5号干电池，用于为数据采集模块7、数据处理与控制模块8以及第一无线收发模块9提供能量；

无线传感单元2的工作原理具体为：无线传感单元2通过第一无线收发模块9接收计算机4的指令，单片机STM32F103RBT6输出频率按一定规律变化的电流方波信号，信号首先由光电隔离电路隔离干扰信号，然后通过基本功率放大电路进行放大，最后作为激励信号加载到振弦式传感器线圈6上(如图4所示)，线圈6中的电流会产生相应频率的周期性变化的磁场，由于钢弦5位于磁场中，它将会受到交变力的作用，当信号的频率和钢弦5的固有频率相近时，钢弦5能迅速达到共振状态，从而可靠起振并输出电压信号，其在线圈6中产生的感应电动势的频率即是钢弦5的固有频率，其输出信号的频率由振弦式传感器1应力大小决定；

拾振电路(如图5所示)对振弦式传感器1的输出信号进行放大、滤波和整形处理，得到某个频率的方波信号，单片机STM32F103RBT6内置的定时器采集方波信号，从而计算出频率值。

如图6所示，所述ZigBee-USB设备3包括第二无线收发模块11和USB电平转换电路12，第二无线收发模块11通过USB电平转换电路12与计算机4连接，与计算机4进行串口通信。

所述第一无线收发模块9采用CC2530芯片，所述第二无线收发模块11采用带USB接口的CC2531芯片。

本实用新型基于振弦式传感器的无线传感网络系统的运行方法，可通过以下步骤实现：

(1)计算机4通过搜索设备来与附近的无线传感单元2建立连接；

(2)计算机4通过指定的串口发送指令到ZigBee-USB设备3，ZigBee-USB设备3把信息转换成ZigBee通信协议的数据格式，发送到指定无线传感单元2；

(3)无线传感单元2中的第一无线收发模块9收到数据后，按照通信协议解释数据，通过数据里的指令明确是一个采集信号，然后由第一无线收发模块9的控制电路唤醒数据处理与控制模块8；

(4)数据处理与控制模块8通过控制数据采集模块7进行低压扫频采集一次数据，采集到值后传输到第一无线收发模块9，数据处理与控制模块8进入休眠模式等待下一次唤醒；

(5)第一无线收发模块9收到采集结果，按照通信协议的数据格式传送给Zigbee-USB设备3，Zigbee-USB设备3把数据转成USB串口格式，发送到计算机4软件端的串口；

(6)计算机4收到信号后，分析通信协议格式得出频率、温度和电压等数值，并计算出应变，然后把值推送到主窗体进行显示和记录。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。