一种低功耗自供电的物联网结构健康监测系统的制作方法

本发明属于工程结构监测领域，具体涉及一种低功耗自供电的物联网结构健康监测系统。

背景技术：

随着我国的经济发展，大型土木工程结构的兴建日益增多，如超大跨空间结构的体育馆、跨江越海的超大跨桥梁、大型水利工程等，这些建筑的突出特点是：使用时间长，使用环境恶劣，经济或政治意义重大。但是土木工程结构在服役过程中，会遭到环境侵蚀、材料老化、疲劳效应与突变效应等等因素的耦合作用，产生损伤累积，从而导致抗力衰减，导致隐患的产生。因此，为了保障结构的安全性、适用性与耐久性，世界各国特别是发达国家都在积极探索可用于重大工程结构的行之有效的结构健康监测方法与系统。

结构的健康监测经历了一个较长的发展过程，其相关检测技术、数据处理方法和结构状况评估理论也不断完善。目前，光纤传感技术常用于结构健康监测，可监测结构的关键参量，如动力特性、受力状态等。采用光纤传感技术具有灵敏度高，动态范围大，测量范围广等优点，但光纤本身纤柔轻细，易断，封装埋设成本高，还需在现场配备一定体积且昂贵的光纤收发器，偏高的市场价格影响了其大规模的工程应用。此外，随着信息通信技术的不断进步，无线传感器及其网络系统由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点，也被使用于结构健康监测系统中。由于感知节点多采用电池供电，节点与节点间的通信以及数据收发要消耗大量能量。由于使用环境恶劣偏远不便于更换电池，要求系统长时间的连续监测。因此在实际的结构健康监测应用中，现有的监测系统常常由于电能耗尽而失效，或由于电源有限，而不能有效通信。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种低功耗自供电的物联网结构健康监测系统，所述系统包括用于获取现场监测数据的自供电加速度感知节点，用于连接感知网络与云平台的自供电网关和用于数据处理分析与展示的云平台，所述自供电加速度感知节点通过自供电网关连接云平台；

进一步的，所述自供电加速度感知节点通过振动压电陶瓷材料与锂离子电池供电，所述自供电网关通过太阳能板与锂离子电池供电；

进一步的，所述自供电加速度感知节点包括感知节点CPU，感知节点电源接口，电源管理芯片，振动压电陶瓷片和感知节点电池，所述电源管理芯片一端分别连接振动压电陶瓷片和感知节点电池，另一端通过感知节点电源接口连接感知节点CPU；

进一步的，所述自供电网关包括网关CPU、太阳能板、网关电池、太阳能电池板管理模块、和网关电源接口，所述网关电源接口一端通过太阳能电池板管理模块连接网关CPU，另一端分别连接网关电池和太阳能板；

进一步的，所述自供电网关还包括GPRS模块、温湿度传感器、网关RF模块、上位机串口和网关传感器接口，所述GPRS模块一端连接云平台，另一端连接网关CPU，所述网关RF模块一端连接自供电加速度感知节点，另一端连接网关CPU，所述温湿度传感器通过传感器接口连接网关CPU，所述上位机串口连接网关CPU；

进一步的，所述自供电加速度感知节点还包括感知节点RF模块和加速度传感模块，所述加速度传感模块连接感知节点CPU，所述感知节点CPU通过感知节点RF模块连接网关RF模块；

进一步的，所述云平台包括云服务器和Web端，所述云服务器与Web端通过HTTP协议进行通信，所述云服务器使用Linux系统，选择Apache HTTP Server作为网页服务器，使用Mysql关系型数据库管理系统，使用Python Web框架和异步网络库Tornado为Web端提供实时 Web 服务，所述自供电网关与云平台通过Socket通信协议进行通信，进行数据实时传输。

本发明的有益效果如下：

1）本发明系统具备低功耗、高可靠性、低成本、自供电、实时监测等特点；

2）通过自供电加速度感知节点硬件与软件的选型与设计，降低节点通信与数据处理能耗；

3）通过采用压电储能器件与太阳能板，分别为自供电加速度感知节点与自供电网关补充能量；

4）通过云端服务器搭建与web端设计，实现监测数据的实时处理分析，移动端监测数据的实时展示，用户与项目管理以及指令发送等功能；

5）采用低功耗通信协议及低功耗硬件选型降低系统能耗，实现远程实时监测与控制，广域互联。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的自供电加速度感知节点的结构图；

图3为本发明系统的自供电网关的结构图；

图4为本发明系统的WEB端截面层级关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图4所示，本发明提供一种低功耗自供电的物联网结构健康监测系统，所述系统包括用于获取现场监测数据的自供电加速度感知节点，用于连接感知网络与云平台的自供电网关和用于数据处理分析与展示的云平台，所述自供电加速度感知节点通过自供电网关连接云平台。

所述自供电网关包括网关CPU、GPRS模块、太阳能板、网关电池、温湿度传感器、网关RF模块、上位机串口、太阳能电池板管理模块、网关传感器接口和网关电源接口，所述GPRS模块一端连接云平台，另一端连接网关CPU，所述网关RF模块一端连接自供电加速度感知节点，另一端连接网关CPU，所述网关电源接口一端通过太阳能电池板管理模块连接网关CPU，另一端分别连接网关电池和太阳能板，所述温湿度传感器通过传感器接口连接网关CPU，所述上位机串口连接网关CPU。

所述自供电加速度感知节点包括感知节点CPU，感知节点RF模块，加速度传感模块，感知节点电源接口，电源管理芯片，振动压电陶瓷片和感知节点电池，所述电源管理芯片一端分别连接振动压电陶瓷片和感知节点电池，另一端通过感知节点电源接口连接感知节点CPU，所述加速度传感模块连接感知节点CPU，所述感知节点CPU通过感知节点RF模块连接网关RF模块。

所述自供电网关网关与云平台通过Socket通信协议进行通信，进行数据实时传输，所述云平台包括云服务器和Web端，所述云服务器与Web端通过HTTP协议进行通信，所述云服务器使用Linux系统，选择Apache HTTP Server作为网页服务器，使用Mysql关系型数据库管理系统，使用Python Web框架和异步网络库Tornado为Web端提供实时 Web 服务。

所述Web端的操作界面使用Sencha Architect软件进行设计开发，，Web界面具备用户及管理员登录功能、数据图表可视化功能、监测状态显示功能、以及监测数据导出功能等功能，Web端的界面设计一共包括三级界面。其中一级界面包括：登录界面、项目管理界面和个人管理中心界面。二级界面包括：注册界面、找回密码界面、项目添加界面、子项目监测评估界面、个人信息界面、密码修改界面以及数据管理界面。三级界面包括：网关添加界面、传感器添加界面、监测对象传感器分布界面、实时监测数据显示界面、健康状况评估界面。

本发明中所述自供电加速度感知节点采用32位低功耗ARM处理器，并利用高性能的电源管理方案和高精度的精密MEMS加速度传感器。采用低功耗电源管理芯片，对电池以及外接电源进行管理。通信使用CC1101 射频芯片，利用GFSK传输方式，提高系统的传输质量，并利用低功耗唤醒技术，最大程度减少功耗。所述自供电加速度感知节点，具备低功耗与自供电特性。在低功耗方面，主要降低数据处理与节点通信的功耗。数据处理选用超低功耗STM32L152RC处理器，超低功耗STM32L15RC的供电电压范围是1.65~3.6V， 工作温度范围为-40~+85°C，拥有适合低功耗应用设计的一组完整的节电模式；RF通信采用TI的CC1101，是低成本的1GHz以下的无线收发器，为极低功耗的无线应用而设计，可通过配置实现在315~915MHz的全球ISM开放频段工作。该芯片具备低功耗模式，休眠唤醒模式等各种丰富的功能，可利用这些功能达到高效率的低功耗运行；数据获取采用ADI的精密MEMS加速度传感器ADXL345，使感知节点拥有着23至140μA的超低工作功耗，休眠时间功耗低至0.1μA，该传感器的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出(FIFO)缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。

在自供电方面，利用所设计的电源管理芯片，对电池以及外接电源进行管理。使用凌特LTC3331微能量搜集芯片，该芯片自身功耗仅需950nA，满足低功耗的要求。该芯片集成了一个高电压能量收集电源和一个由可再充电电池供电的降压-升压型 DC/DC 转换器。利用该芯片，可从外接的震动压电陶瓷片上对电能进行吸收，达到微能量收集目的。此外，还可通过对外接的锂离子电池进行充放电管理，可以达到电池管理功能。由于电池电压输出3.7 V，充电完毕4.2V，为提供给主板需要的3.3V电压，可使用该芯片进行降压，提供系统所需的工作电压。

自供电网关是连接感知网络与云平台的通信纽带。自供电网关通过3G/GPRS通信与云服务器通信，也可通过串口与现场主机通信；通过432~434M频段与感知网络通信。自供电网关采用外置电源供电（12V），采用32位ARM处理器，具备传感器管理，数据发送、数据暂存等功能，可采集一些环境参数，如温湿度等。

在自供电方面，自供电网关内嵌太阳能电池板管理模块，具备MPPT太阳能最大功率点跟踪功能，能最大限度的充分利用太阳能充电，全自动智能化充电管理，采用超低压差设计以达到低功耗及更高转换效率。工作温度为-40℃到 +85℃。转换效率：Max:93% Peak:95% 不同光照条件有所不同。充电方式：全自动智能化三阶段充电模式，跟踪太阳能功率大小，自动调节充电电流大小。适用范围：1W-100W、9V-28V 适用9V、12V、18V、24V太阳能电池板，能够给电瓶，镍镉，镍氢，锂电池（电池组）充电，风力发电机，太阳能路灯等。

云服务器连接自供电网关，获得从自供电网关处发来的数据，并反馈结果或指令给网关。自供电网关与云服务器间的通信采用Socket通信机制，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信，其实质是对TCP/IP协议的封装和应用，主要解决数据如何在网络中传输。云服务器作为Web界面的后台支持，与Web端之间的通信采用HTTP协议，HTTP协议即超文本传送协议，是Web联网的基础，也是手机联网常用的协议之一。HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用，它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。

云平台后台云服务器能够提供网关接入、传感器添加、用户WEB访问、数据存储、WEB端查询、管理、WEB端图表显示、提供API接口，供给对数据进行分析操作等功能。Web界面具备用户及管理员登录功能、数据图表可视化功能、监测状态显示功能、以及监测数据导出功能等功能。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。