一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统的制作方法

本发明涉及信号监测采集技术领域，尤其是一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统。

背景技术：

结构监测是结构健康监测系统的基本组成部分。它由部署在结构上的传感子系统和能够从传感器收集数据的数据采集子系统组成。传统的、实用的传感器数据采集方法是采用集中式有线采集系统，具有可靠性高、信号保真度高等特点。但是，由于电缆本身及其安装的费用，它的费用很高。因此，无线传感器技术正在兴起并迅速发展，以取代有线传感器。与传统的有线传感器相比，无线传感器仍然存在一些常见的局限性，例如电池的供电能力有限，带宽有限，无线电通信不可靠，以及高噪声基底。为了弥补传统无线传感器与目前普遍追求的密集低功耗无线传感器网络之间的差距，本发明开发并详细介绍了一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统。在系统设计中，通过四项技术实现了包括灵活的传感器接口，高功率效率，低噪声数据采集，实时和无损数据传输的特性，分别是：第一，灵活的传感器接口通过多个可调电源输出和差分信号输入实现；第二，多频道方法可以实现实时数据传输；第三，数据采集电路的低噪声设计（采用低噪声ldo稳压器，数字和模拟地分离，lc滤波器滤波），基于直接存储器访问的过采样和平均滤波方法，采用高分辨率模数转换模块可以实现高质量的数据采集；第四，可靠的无线通信模式基于ack-retries机制，以及数据包序列号检查机制。

技术实现要素：

本发明提出一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统，可用于弥补传统无线传感器与目前普遍追求的密集低功耗无线传感器网络之间的差距，可实现结构监测系统高功率效率，低噪声数据采集，实时和无损数据传输性能。

本发明采用以下技术方案。

一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统，所述采集系统包括无线数据收集单元、基站单元、命令单元、数据采集配置模块；所述命令单元与数据采集配置模块相连；所述无线数据收集单元和与之对应的基站单元组成采集链路；所述数据采集配置模块经采集链路接收及存储采集数据，并对采集数据进行实时绘制；所述数据采集配置模块经采集链路下发命令以切换无线数据收集单元的运行状态。

所述无线数据收集单元为包含固件的硬件设备；所述无线数据收集单元包括基于cc2430芯片的微处理器与无线通信模块、基于fm25l256芯片的存储模块、基于ltc6915芯片的信号调理模块、基于ads8343芯片的模数转换模块、电源管理模块、传感器接口模块和电池模块；所述无线数据收集单元的固件可使无线数据收集单元运行的工况包括通过定义睡眠、唤醒、数据采集三种操作状态和通过关闭不需要的硬件模块来优化无线数据收集单元的功耗、采用基于直接存储器访问的数据采集方案以低cpu干预实现高采样率、基于过采样和平均方法实现降噪、以结合检查数据分组序列号方案的可靠通信方式来实现无损无线数据传输。

所述基站单元为包含固件的硬件设备；所述基站单元的硬件主体部分包括lm1117，ft232rl和cc2430三种ic芯片；所述基站单元的固件可实现基站单元的无线通信功能和有线通信功能。

所述数据采集配置模块包括实时数据绘图界面和系统配置界面。

所述无线数据收集单元通过与之相连的传感器采集监测目标结构的数据；当进行数据采集时，所述无线数据收集单元以模数转换器把传感器采集的数据封装为数据包；所述基站单元把无线数据收集单元送来的数据包经usb虚拟串口通讯送至数据采集配置模块；所述数据采集配置模块把接收的数据包写入txt文件并对数据进行绘制。

所述采集链路在无线数据收集单元设有私有数据通道和公共命令通道；在连续数据采集期，无线数据收集单元依托其私有数据通道工作；当无线数据收集单元未进行数据采集时，无线数据收集单元从公共命令通道获取命令单元的开始数据采集广播命令或配置命令。

所述采集系统的无线通讯链路依托ieee802.15.4在2.4g频段中使用的16个频段工作，所述采集系统包括多组包含无线数据收集单元、基站单元的采集链路；所述采集系统的无线通讯链路中，不同的采集链路的工作频段不同，以使所有的无线数据收集单元可同时传输数据。

所述无线数据收集单元以可调电源输出和差分信号输入的传感器接口与传感器对接。

所述无线数据收集单元与传感器组成数据采集电路；所述数据采集电路为采用低噪声ldo稳压器、数字和模拟的分离电路设计、lc滤波器滤波设计的低噪声电路；所述低噪声电路具有低噪声的接地结构。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明弥补传统无线传感器与目前普遍追求的密集低功耗无线传感器网络之间的差距，实现结构监测系统高功率效率，低噪声数据采集，实时和无损数据传输性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的系统架构示意图；

附图2是本发明的无线数据收集单元功能框图；

附图3是电源管理模块的示意框图；

附图4是本发明数据采集电路的接地结构示意图；

附图5是基站的硬件原理示意图；

附图6是数据采集配置模块的交互界面的示意图；

附图7是数据采集配置模块的系统配置界面的示意图；

附图8是无线数据收集单元采集的数据示意图；

附图9是无线数据收集单元采集的另一数据示意图；

附图10是无线数据采集单元状态转换图；

附图11是无线数据收集单元基于dma的数据采集和降噪框图；

附图12是基站基于dma的数据采集图；

图中：1-传感器；2-无线数据收集单元；3-基站单元；4-usb虚拟串口通讯；5-数据采集配置模块；6-命令单元。

具体实施方式

如图1-12所示，一种适用于土木结构监测的低噪声实时无线数据采集系统，所述采集系统包括无线数据收集单元2、基站单元3、命令单元6、数据采集配置模块5；所述命令单元与数据采集配置模块相连；所述无线数据收集单元和与之对应的基站单元组成采集链路；所述数据采集配置模块经采集链路接收及存储采集数据，并对采集数据进行实时绘制；所述数据采集配置模块经采集链路下发命令以切换无线数据收集单元的运行状态。

所述无线数据收集单元为包含固件的硬件设备；所述无线数据收集单元包括基于cc2430芯片的微处理器与无线通信模块、基于fm25l256芯片的存储模块、基于ltc6915芯片的信号调理模块、基于ads8343芯片的模数转换模块、电源管理模块、传感器接口模块和电池模块；所述无线数据收集单元的固件可使无线数据收集单元运行的工况包括通过定义睡眠、唤醒、数据采集三种操作状态和通过关闭不需要的硬件模块来优化无线数据收集单元的功耗、采用基于直接存储器访问的数据采集方案以低cpu干预实现高采样率、基于过采样和平均方法实现降噪、以结合检查数据分组序列号方案的可靠通信方式来实现无损无线数据传输。

所述基站单元为包含固件的硬件设备；所述基站单元的硬件主体部分包括lm1117，ft232rl和cc2430三种ic芯片；所述基站单元的固件可实现基站单元的无线通信功能和有线通信功能。

所述数据采集配置模块包括实时数据绘图界面和系统配置界面。

所述无线数据收集单元通过与之相连的传感器1采集监测目标结构的数据；当进行数据采集时，所述无线数据收集单元以模数转换器把传感器采集的数据封装为数据包；所述基站单元把无线数据收集单元送来的数据包经usb虚拟串口通讯4送至数据采集配置模块；所述数据采集配置模块把接收的数据包写入txt文件并对数据进行绘制。

所述采集链路在无线数据收集单元设有私有数据通道和公共命令通道；在连续数据采集期，无线数据收集单元依托其私有数据通道工作；当无线数据收集单元未进行数据采集时，无线数据收集单元从公共命令通道获取命令单元的开始数据采集广播命令或配置命令。

所述采集系统的无线通讯链路依托ieee802.15.4在2.4g频段中使用的16个频段工作，所述采集系统包括多组包含无线数据收集单元、基站单元的采集链路；所述采集系统的无线通讯链路中，不同的采集链路的工作频段不同，以使所有的无线数据收集单元可同时传输数据。

所述无线数据收集单元以可调电源输出和差分信号输入的传感器接口与传感器对接。

所述无线数据收集单元与传感器组成数据采集电路；所述数据采集电路为采用低噪声ldo稳压器、数字和模拟的分离电路设计、lc滤波器滤波设计的低噪声电路；所述低噪声电路具有低噪声的接地结构。

本例中，无线数据收集单元硬件由六个模块组成：计算-存储-无线通信模块，信号调理模块，模数转换器模块，电源管理模块，传感器接口模块和电池模块。详细介绍如下：

1）计算-存储-无线通信模块：由cc2430和fm25l256组成，通过spi接口连接。

2）信号调理模块：它的作用是使传感器信号适应模数转换模块的输入，其由三个部分组成，分别是ac/dc耦合，抗混叠滤波器和可编程放大器。（1）在ac耦合配置中，使用rc高通滤波器，其截止频率为0.02hz。在dc耦合配置中，rc滤波器的电容器通过跳线短路。（2）在ac/dc电路之后，有一个简单的rc低通抗混叠滤波器来衰减奈奎斯特频率以上的频率分量，滤波器的截止频率为79.6hz。（3）可编程放大器采用了数字可编程仪表放大器ltc6915，ltc6915的增益通过spi接口配置。借助数字可编程功能，用户可以根据需要远程更改增益。

3）模数转换模块：采用的是ads8343，它是16位模数转换模块，具有4个单端通道，最大采样频率为100khz,输出数据为二进制补码格式。

4）电源管理模块：如图4所示，采用dc-dc开关稳压器和低压差（ldo）线性稳压器两种具有低静止电流和高转换效率的线性稳压器来实现高功率效率，此外，除cc2430电源3.3v的ldo外，其他稳压器均可由基于pmos晶体管ao3401的电子开关关闭。通过设置许多电源输出（包括±5v和±12v），可以实现满足不同传感器电源要求的高度灵活性。为了实现低噪声数据采集，传感器，信号调理模块和模数转换模块的电源应具有低噪声。为降低噪声，采用了两种措施。如图4所示，第一种措施是在开关稳压器之后使用lc低通滤波器。第二个措施是在开关稳压器之后使用低噪声ldo。此外，数字电路，尤其是无线电收发器，可以通过电源耦合将噪声引入信号调理模块。因此，lc低通滤波器放在数字电路的电源之前，即+3.3vldo。为了进一步降低数字电路引入的噪声，模拟电路和数字电路的接地应分开并连接在一点，例如电池接地。如图5所示，两个零欧姆电阻器用于分离两个接地。

5）传感器接口模块：提供外部传感器的连接器，如图3所示，包括4个差分模拟信号输入和电源输出（±5v和±12v-adj）。其内部与信号调理模块和电源管理模块相连。

6）电池模块：由+3.7v和5000mah容量的锂离子聚合物电池组成，其电压直接报告给微控制器，微控制器通过检测电池的低状态，防止电池因过放电现象而损坏。

本例中，无线数据收集单元的固件可使无线数据收集单元运行睡眠、唤醒、数据采集三种操作状态，其状态转换如图10所示。

1）睡眠状态：仅微控制器和无线电收发器的电源打开，而其他模拟电路的电源关闭。在这种状态下，微控制器主要处于功耗模式2，无线电收发器主要处于空闲状态，仅消耗0.6μa的电流。微控制器周期性地唤醒以在其专用频率信道中向相应的基站单元发送短轮询分组。

2）唤醒状态：所有硬件模块的电源打开，并将通信信道切换到公共命令信道，并等待来自其基站的起始数据获取命令。

3）数据采集状态：无线数据收集单元以指定的速率进行采样，并将采样数据打包成一个长数据包。考虑到通信开销，数据包应该尽可能长，这样可以减少1位数据的平均功耗。

本例中，无线数据收集单元的固件采用基于直接存储器访问（dma）的数据采集方案以低微控制器干预实现高采样率，如图11所示。由于ads8343接口与标准串行外设接口(spi)兼容，可以通过cc2430内部的spi外设间接访问ads8343。因此，采样操作变成了向spi写缓冲区写入命令和从spi读缓冲区读取数据。这个操作可以由dma控制器在很少的微控制器干预下完成。由于命令和数据的传输是同步的，因此需要两个dma通道。一个dma通道是将命令从内存缓冲区(“命令缓存”)移动到spi写缓冲区，另一个dma通道是将数据从spi读缓冲区读取到内存缓冲区(“数据缓存”)。

本例中，基站单元的无线传输采用简单的不可靠模式。

本例中，基站单元的有线传输采用基于直接存储器访问的数据采集方案以低微控制器干预实现高采样率，如图12所示。dma通道1用于将数据从指定的数据缓冲区移动到外围串口的写缓冲区，而dma通道2用于将命令从外围串口的读缓冲区移动到指定的命令缓冲区。

本例中，数据采集配置模块包括实时数据绘图界面和系统配置界面，数据采集配置模块包括电脑上运行的数据采集及配置软件，数据采集及配置软件利用matlab图形用户界面de工具开发了两个图形用户界面，以实现实时数据绘图和系统配置。

如图所示，数据采集及配置软件的交互界面包括启动或停止数据采集，设置无线数据收集单元采集的数据包数量，实时绘制采集数据，打开/关闭传感器电源，选择存储数据和参数的文件，并切换无线数据收集单元的状态。每个无线数据收集单元的接收信号强度（rss）和分组接收速率（prr）也在每个图下显示和更新。

通过系统配置界面可以选择并打开相应基站单元创建的虚拟串口，设置每个基站单元的地址、频率通道和传输功率。并可以通过单播配置每个无线数据收集单元的地址、数据通道、命令通道、传输功率，也可以通过单播或者广播配置采样周期、输入通道增益。

本例中，数据采集配置模块的电脑以usb集线器来扩展计算机中usb端口的数量，使电脑可接收多个基站单元通过usb虚拟串口传输的采集数据。

实施例：

测试1：通过已知信号进行验证。信号发生器用于产生一些已知信号，然后将已知信号发送到无线数据收集单元并由本发明所述采集系统获取。为了充分评估无线数据收集单元的性能，分别使用了小、中、大振幅(20mv、1v、2v)和低、中、高频率(1hz、5hz、10hz)的9个信号进行试验。得到的数据如图8的无线数据收集单元采集的数据示意图所示，经与信号发生器原始信号对比，可以看出数据采集的质量和精度较高。

测试2：分辨率和本底噪声。无线数据收集单元使用16位模数转换模块，输出为二进制补码格式，参考电压为2.048v，分辨率为62.5μv。无线数据收集单元的本底噪声可低至0.1mv，具体取决于过采样因子，如图9所示，绘制了5个不同过采样因子(1、2、4、8、16)的噪声基底，可以观察到当过采样因子增加时噪声幅度减小，反之亦然。当过采样因子为1时，噪声幅度约为0.4mv。当过采样因子为16时，噪声幅度约为0.1mv。

以上所述是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。