專利名稱：基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線傳感和通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電力工程、水利工程等是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)全面協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要保障條件。輸電線路，尤其是高電壓等級(jí)的架空輸電線路，是電力系統(tǒng)的命脈，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響著電網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。覆冰、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害是輸電線路常見的安全隱患之一，近年來(lái)世界范圍內(nèi)極限氣候的出現(xiàn)，我國(guó)輸電線路的風(fēng)、冰災(zāi)害呈現(xiàn)了遞增趨勢(shì)。綜上，架空輸電線路的運(yùn)行維護(hù)及監(jiān)測(cè)管理工作至關(guān)重要，尤其是在臺(tái)風(fēng)、冰雪天氣等惡劣條件下，保障架空輸電線路的正常穩(wěn)定運(yùn)行更是重中之重。水利工程，尤其是水電閘門，在防洪防汛方面，其安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅是水電站安全運(yùn)行的重要保障，而且還是防洪防汛平穩(wěn)調(diào)度、上下游水位控制等事關(guān)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全的可靠屏障。因此水電閘門的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，大型工程設(shè)備等在隧道施工、軌道交通建設(shè)、市政建設(shè)等各方面均取得了較快的發(fā)展，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是工程項(xiàng)目健康、持續(xù)進(jìn)展的重要保障，而這些都離不開能夠?qū)崟r(shí)反饋其工況信息的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)各 領(lǐng) 域?qū)＜覍W(xué)者針對(duì)各類工程進(jìn)行了防災(zāi)監(jiān)控體系研究，并取得了一系列的成果。公開號(hào)為CN 1629647A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N高壓電網(wǎng)輸電線路的智能化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)中高壓桿塔上絕緣子串的絕緣性能進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。公開號(hào)為CN 101586971A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N輸電線路覆冰預(yù)警及動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)裝置，針對(duì)輸電線路工作環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。公開號(hào)為CN 101603850A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N特高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)輸電線路導(dǎo)線的綜合載荷、絕緣子串泄漏電流、氣象信息等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。公開號(hào)為CN 102564493A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N架空輸電線路舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用加速度傳感器對(duì)線路舞動(dòng)進(jìn)行精確定位，定位數(shù)據(jù)通過短程射頻上傳至主站，并通過GPRS將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及環(huán)境氣象數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)上位機(jī)。公開號(hào)為CN102818590A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過采集導(dǎo)線及周圍環(huán)境的狀態(tài)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路覆冰情況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。公開號(hào)為CN 102193542A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種閘門感知測(cè)控智能節(jié)點(diǎn)，提出了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集中端采集閘門的各有關(guān)數(shù)據(jù)，能夠全面采集閘門狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)的主動(dòng)控制策略。這些代表性成果針對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)工程面臨的局部問題進(jìn)行了深度地分析，并提出了有效的解決方案。然而，并沒有針實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)間歷程、動(dòng)應(yīng)力/應(yīng)變等多變量信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)進(jìn)而獲得災(zāi)害形成、工程結(jié)構(gòu)病變和反映結(jié)構(gòu)損壞的全過程數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明采用基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，用于對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)間歷程、動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變等多變量信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一、基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)；所述的下位機(jī)包括中央控制模塊、射頻傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊依次相連，電源管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊提供電壓并進(jìn)行電壓管理。上述中央控制模塊用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，包括處理器、外圍電路和存儲(chǔ)模塊，外圍電路和存儲(chǔ)模塊均與處理器相連。上述射頻傳輸模塊用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信，包括相互連接的無(wú)線數(shù)傳模塊和天線模塊。上述數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)采集數(shù)據(jù)并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和放大，包括多變量信息采集單元、多通道信號(hào)傳輸單元和信號(hào)調(diào)理電路，多變量信息采集單元、多通道信號(hào)傳輸單元、信號(hào)調(diào)理電路依次相連；多變量信息采集單元為分布于各采集點(diǎn)的不同類型的傳感器，多類型傳感器可采集多變量信息，多變量信息采集單元包括應(yīng)變式傳感器節(jié)點(diǎn)和/或環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)，多變量信號(hào)采集單元具體可包括加速度傳感器和電阻應(yīng)變傳感器；多通道信號(hào)傳輸單元用來(lái)對(duì)應(yīng)傳輸不同類型的數(shù)據(jù)信號(hào)，本發(fā)明中根據(jù)實(shí)際使用的傳感器節(jié)點(diǎn)的類型，多通道傳輸單元可為一定`數(shù)量的四通道單刀雙擲開關(guān)；信號(hào)調(diào)解電路用來(lái)對(duì)多變量信息采集單元采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，包括濾波電路和放大電路。上述數(shù)據(jù)采集模塊和中央控制模塊之間設(shè)置有AD轉(zhuǎn)換模塊，用來(lái)將數(shù)據(jù)采集模塊采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入中央控制模塊。上述電源管理模塊用來(lái)提供并分配電壓，包括穩(wěn)壓模塊和分壓模塊。穩(wěn)壓模塊包括直流電壓供電模塊和降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器，直流電壓供電模塊用來(lái)提供隔離工作電壓，降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器用來(lái)提供數(shù)字工作電壓。分壓模塊主要為低漏失電壓調(diào)整器件，通過調(diào)整穩(wěn)壓模塊的輸出電壓來(lái)得到系統(tǒng)中所需的各種電壓。下位機(jī)中，核心電路與其相應(yīng)的外圍電路間均設(shè)有光稱隔離，在傳輸?shù)退傩盘?hào)的核心電路和外圍電路之間米用可控制的光電稱合器隔離，在傳輸高速信號(hào)的核心電路和外圍電路之間采用高速光電耦合器隔離。上述上位機(jī)包括相互連接的無(wú)線數(shù)傳模塊和PC機(jī)，無(wú)線數(shù)傳模塊和PC機(jī)通過TTL轉(zhuǎn)接板連接。PC機(jī)通過無(wú)線數(shù)傳模塊對(duì)下位機(jī)發(fā)送操作命令、接收下位機(jī)的反饋信息，并實(shí)時(shí)處理返回?cái)?shù)據(jù)。二、基于上述在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控方法，用于采集影響工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)從而獲取實(shí)況監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包括步驟
步驟一，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出設(shè)備搜索指令；步驟二，接收到搜索指令的下位機(jī)將帶有地址標(biāo)記碼的數(shù)據(jù)依據(jù)地址標(biāo)記碼順次延時(shí)返回至上位機(jī)，不同的下位機(jī)設(shè)有不同的地址標(biāo)記碼；
步驟三，上位機(jī)根據(jù)各下位機(jī)的地址標(biāo)記碼將采樣頻率和采集信號(hào)類型發(fā)送至全部或指定的下位機(jī)，下位機(jī)依據(jù)采樣頻率和采集信號(hào)類型控制對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣；
步驟四，傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的多變量信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于下位機(jī)中央控制模塊的存儲(chǔ)模塊中，采集的多變量信息根據(jù)上位機(jī)的指令回傳或不回傳至上位機(jī)。上述步驟三中，在設(shè)置采樣頻率后，選擇停止采樣模式為手動(dòng)停止還是自動(dòng)停止；若選擇手動(dòng)停止，則下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的停止采樣指令后停止采樣；若選擇自動(dòng)停止，則通過上位機(jī)選擇采樣時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)間后停止采樣
步驟四中，上位機(jī)可通過控制多通道信號(hào)傳輸單元的通道的導(dǎo)通和關(guān)閉來(lái)選擇接受某一類或幾類的采集信號(hào)。步驟四中，若采集的多變量信息回傳至上位機(jī)，則將相同下位機(jī)的同一通道的采集信號(hào)存儲(chǔ)于下位機(jī)PC機(jī)中的同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生產(chǎn)被監(jiān)控對(duì)象的實(shí)況監(jiān)控圖。當(dāng)停止采樣后，針對(duì)需要長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況，采用低功耗模式，當(dāng)開始采樣時(shí)，恢復(fù)正常模式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和有益效果
本發(fā)明方法可應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)，例如輸電線路、水電站閘門，用來(lái)監(jiān)控對(duì)其結(jié)構(gòu)有影響的參數(shù)，例如風(fēng)振速度、風(fēng)振加速度、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變、溫度、風(fēng)速等多變信息，保留了實(shí)際工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害發(fā)生全過程的時(shí)域和頻域信息，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以獲得災(zāi)害形成、工程結(jié)構(gòu)病變和工程結(jié)構(gòu)損壞全過程的數(shù)據(jù)，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)害預(yù)警機(jī)制提供了一種有效的技術(shù)手段。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施的整體構(gòu)架 圖2是本發(fā)明中電源管理模塊功能框 圖3是聞速光電稱合隔尚的部分電路 圖4是本發(fā)明監(jiān)控方法流程 圖5是上位機(jī)發(fā)送的控制命令格式；
圖6是實(shí)施例1所獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 圖7為實(shí)施例2中某水電站閘門的傳感器布點(diǎn)局部圖，其中，re分別表示re號(hào)下位機(jī)對(duì)應(yīng)的傳感器布點(diǎn)；
圖8是實(shí)施例2所獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)包括射頻傳 輸模塊、中央控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊依次相連，電源管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊提供電壓并進(jìn)行電壓管理。中央控制模塊用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，包括處理器、外圍電路和存儲(chǔ)模塊，外圍電路和存儲(chǔ)模塊均與處理器相連。數(shù)據(jù)采集模塊和中央控制模塊之間設(shè)置有AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)采集模塊的模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入中央控制模塊。本具體實(shí)施中，處理器采用超低功耗的16位單片機(jī)MSP430 ;存儲(chǔ)模塊為SD存儲(chǔ)卡；外圍電路包括射頻模塊接口電路、在線調(diào)試接口電路、控制信號(hào)接口電路、復(fù)位電路等。本具體實(shí)施中在線調(diào)試接口電路為JTAG接口電路，控制信號(hào)接口電路為SD卡存儲(chǔ)電路。為了提高AD轉(zhuǎn)換模塊長(zhǎng)期工作的可靠性、溫漂性，降低噪音，更好地匹配輸入信號(hào)電壓，本具體實(shí)施中采用具有吸電流和原電流能力的超低噪聲電壓基準(zhǔn)源ADR444芯片作為外部基準(zhǔn)源。主控芯片MSP430中包含兩類時(shí)鐘系統(tǒng),一類是基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)時(shí)鐘系統(tǒng)(FLL和FLL+)，另一類是DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。具體可使用一個(gè)晶體振蕩器，也可使用兩個(gè)晶體振蕩器。時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生主控芯片MSP430和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且產(chǎn)生的時(shí)鐘可根據(jù)指令打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總功耗的控制。本系統(tǒng)基于DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)有16Mhz和32. 768Khz兩種晶振電路。主控芯片MSP430通過SPI接口單元接收來(lái)自經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和高速光耦隔離的采集信號(hào)，通過其UART接口單元將接收的采集信號(hào)傳送給射頻傳輸模塊中的無(wú)線數(shù)傳模塊，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)寫入經(jīng)壓敏電阻保護(hù)的SD存儲(chǔ)卡中。主控芯片通過高速光電耦合隔離將功能切換控制信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊中的四通道單刀雙擲開關(guān)，控制四通道單刀雙擲開關(guān)中各通道的開和閉；通過JTAG接口完成下位機(jī)系統(tǒng)的在線編程、調(diào)試與下載等。此外，主控芯片還負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的命令進(jìn)行響應(yīng)，完成對(duì)整個(gè)下位機(jī)的控制。數(shù)據(jù)采集模塊包括分布于各采集點(diǎn)的不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)、多通道信號(hào)傳輸單元和信號(hào)調(diào)理電路。傳感器 節(jié)點(diǎn)包括應(yīng)變式傳感器節(jié)點(diǎn)和/或環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)，應(yīng)變式傳感器節(jié)點(diǎn)可用來(lái)采集工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)數(shù)據(jù)，例如振動(dòng)速度、風(fēng)振加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)。環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)可用來(lái)采集溫度、風(fēng)速等參數(shù)。本具體實(shí)施中的傳感器節(jié)點(diǎn)包括加速度傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器兩類，傳感器節(jié)點(diǎn)由主控芯片驅(qū)動(dòng)控制。
信號(hào)調(diào)理電路用來(lái)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)過濾和信號(hào)放大。多通道信號(hào)傳輸單元根據(jù)實(shí)際采用的傳感器節(jié)點(diǎn)的類型可為一定數(shù)量的四通道單刀雙擲開關(guān)，主控芯片MSP430可控制四通道單刀雙擲開關(guān)中各通道的導(dǎo)通或關(guān)閉。本具體實(shí)施中，為實(shí)現(xiàn)加速度傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器兩種采集信號(hào)的切換，采用ADG788BCPZ四通道單刀雙擲開關(guān)器件進(jìn)行信號(hào)切換，切換的控制信號(hào)經(jīng)過可控制的光電耦合器TLP521-4由前級(jí)主控芯片MSP430光電隔離變送過來(lái)。射頻傳輸模塊用實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信，由相互連接的無(wú)線數(shù)傳模塊和天線模塊組成。本具體實(shí)施中，為保障射頻傳送模塊能夠適應(yīng)較為惡劣的自然環(huán)境的同時(shí)具有較大的數(shù)據(jù)傳送距離，無(wú)線數(shù)傳模塊采用基于ZigBee通信協(xié)議的大功率高集成的RFTR5無(wú)線數(shù)傳模塊，輸出功率為500mW，該模塊提供了多頻段多信道以及網(wǎng)絡(luò)ID來(lái)降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能，并可通過上位機(jī)修改設(shè)置串口以及相關(guān)參數(shù)；天線模塊為SAM直頭天線。射頻傳送模塊通過網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡(luò)地址號(hào)進(jìn)行網(wǎng)對(duì)網(wǎng)間設(shè)備的辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)與網(wǎng)的通信功能。電源管理模塊用來(lái)提供并分配電壓，包括穩(wěn)壓模塊和分壓模塊，穩(wěn)壓模塊包括直流電壓供電模塊和降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器，直流電壓供電模塊用來(lái)提供隔離工作電壓，降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器用來(lái)提供數(shù)字工作電壓。本具體實(shí)施中，所采用的直流電壓供電模塊為PWB2405MD和PWB2412MD，分別用來(lái)為系統(tǒng)提供5V和12V的隔離工作電壓，所采用的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器型號(hào)為L(zhǎng)M2576，用來(lái)為系統(tǒng)提供5V的數(shù)字電壓。分壓模塊為低漏失電壓調(diào)整器件，根據(jù)各電路和電子器件所需電壓調(diào)整穩(wěn)壓模塊輸出電壓已獲得所需電壓值，本具體實(shí)施中，所采用的低漏失電壓調(diào)整器件型號(hào)為AMS1117。電源管理模塊中，穩(wěn)壓模塊和分壓模塊協(xié)同實(shí)現(xiàn)了寬范圍的直流電壓供電。電源管理模塊功能框圖如圖2所示。上位機(jī)包括無(wú)線數(shù)傳模塊和PC機(jī)，無(wú)線數(shù)傳模塊和PC機(jī)通過TTL轉(zhuǎn)接板連接。PC機(jī)通過無(wú)線數(shù)傳模塊對(duì)下位機(jī)發(fā)送操作命令、接收反饋信息，從而可實(shí)時(shí)處理返回?cái)?shù)據(jù)。本具體實(shí)施中，本系統(tǒng)以19200bps的速度進(jìn)行上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送。采集到的信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過高速光電耦合器隔離后通過SPI通信接口進(jìn)入主控芯片MSP430內(nèi)，進(jìn)入主控芯片的信號(hào)通過其UART功能模塊與射頻傳送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，將采集到的信號(hào)傳送到上位機(jī)。同時(shí)海量數(shù)據(jù)經(jīng)過壓敏電阻防護(hù)后存儲(chǔ)于SD存儲(chǔ)卡中。為了提高本系統(tǒng)在較強(qiáng)電磁干擾及振動(dòng)較強(qiáng)的環(huán)境下能夠可靠地長(zhǎng)時(shí)間工作，本發(fā)明系統(tǒng)采用了如下可提升可靠性的方案
I)電源管理模塊中還包括MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)，主控芯片通過控制MOSFET實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離電源供電的控制，從而控制后端，同時(shí)實(shí)現(xiàn)核心電路和外圍電路的隔離，本具體實(shí)施中可靠隔離安全電壓為2500V。2)本系統(tǒng)中與外圍電路相連的核心電路，其與外圍電路間均采用光耦隔離。核心電路包括與主控芯片直接相 連接的電路、控制信號(hào)傳輸?shù)碾娐泛蛡鬏敳杉盘?hào)的電路。在低速信號(hào)中米用可控制的光電稱合器件TLP521隔離核心電路與外圍電路,在高速信號(hào)中采用高速光電耦合器6N137隔離核心電路與外圍電路，傳感器模擬信號(hào)、AD轉(zhuǎn)換電路與數(shù)字電路的信號(hào)類型均采用6N137。核心電路和外圍電路間設(shè)置光耦隔離，可大幅度提高系統(tǒng)的信噪比。電路圖如圖3所示。3)本系統(tǒng)中所有外設(shè)接口及重要電平、芯片引腳均采用防護(hù)電路。傳感器接口采用TVS(瞬態(tài)抑制二極管)、ESD (靜電釋放)對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行保護(hù)；處理器支持在線編程調(diào)試的JTAG接口，采用壓敏電阻和ESD進(jìn)行防護(hù)；PWB2405MD和PWB2412MD直流電壓供電模塊采用最大負(fù)載電流為4A的可重置保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)；降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器的輸入端通過旁路電路來(lái)抑制輸入端可能出現(xiàn)的較大的瞬態(tài)電壓，在輸出端僅靠續(xù)流二極管，為斷路時(shí)的電感電流提供回路；四通道單刀雙擲開關(guān)ADG788BCPZ、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7689BZ等芯片均有ESD(靜電釋放)防護(hù)電路和瞬態(tài)電壓抑制電路。AD采樣采取八通道全隔離方案。
本具體實(shí)施中，系統(tǒng)下位機(jī)采用鋰電池供電，供電電壓為9-16V。主控芯片MSP430的電源電壓1.8-3. 6V，數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器和后續(xù)擴(kuò)展的應(yīng)變電橋工作電壓范圍分別是2.2-3.6￥和5-15￥。因此為保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，電源管理模塊是必不可少的。本系統(tǒng)采用具有寬范圍輸入電壓的PWB2405MD、PWB2412MD和LM2576為系統(tǒng)分別提供穩(wěn)定的5V和12V的隔離工作電壓以及5V的數(shù)字工作電壓。PWB2405MD提供的5V隔離工作電壓通過低漏失電壓調(diào)整器AMS1117為傳感器等提供隔離的3. 3V數(shù)字電壓，通過IND10*10 (電感器件)等為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7689BZ等提供經(jīng)隔離的5V模擬電壓。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器LM2576提供的5V數(shù)字電壓通過低漏失電壓調(diào)整器AMS1117等為主控芯片和光耦器件等提供3. 3V的模擬電壓。PWD2412MD為應(yīng)變電橋電路提供12V的隔離電壓。電源管理模塊采用可調(diào)電阻和固定電阻分壓對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)靈活的臨界報(bào)警電壓設(shè)置，此外，電壓監(jiān)測(cè)保護(hù)不直接采用斷電處理，而是系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，并且通過系統(tǒng)下位機(jī)的無(wú)線數(shù)傳模塊定時(shí)發(fā)出電壓過低報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)下位機(jī)電路板上安裝有紅色報(bào)警燈。本具體實(shí)施中的系統(tǒng)采用八通道隔離采樣，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)通過DB25軍工接頭進(jìn)入下位機(jī)的主控芯片，采集信號(hào)經(jīng)過TVS瞬變電壓防護(hù)電路和ESD靜電防護(hù)電路后再進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。其中經(jīng)由DBl接口輸入的電阻應(yīng)變式傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)直流電橋轉(zhuǎn)為電信號(hào)后先經(jīng)過濾波電路，再通過帶精密電壓基準(zhǔn)的儀用放大器INA125后再進(jìn)入后續(xù)電路。采集信號(hào)經(jīng)過集成運(yùn)放AD8608ARZ進(jìn)行信號(hào)跟隨和增益控制后再通過限壓型保護(hù)器件進(jìn)行信號(hào)防護(hù)。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的保護(hù)。本系統(tǒng)采用8通道16位芯片AD7689BCPZ對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，為提高信噪比，抑制系統(tǒng)中噪聲對(duì)模擬信號(hào)和AD轉(zhuǎn)換模塊的干擾，采用高速光電耦合器6N137將模擬電路及AD轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字電路進(jìn)行光耦隔離。此外，本系統(tǒng)采用兩個(gè)四路、低失調(diào)、低噪聲、極低的輸入偏置電流和高速度特性相結(jié)合的放大器AD8608作為信號(hào)調(diào)理電路的主要器件。本發(fā)明中，下位機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于IAR Embedded Workbench開發(fā)平臺(tái)和Z-stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的，編程語(yǔ)言`采用C語(yǔ)言。上位機(jī)采用MSComm控件(串行通訊控件)通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)。基于本發(fā)明的在線檢測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了與其對(duì)應(yīng)的監(jiān)控方法，具體為 該方法基于通訊協(xié)議，首先由上位機(jī)發(fā)出設(shè)備搜尋指令，讓下位機(jī)將帶有地址標(biāo)記碼
的數(shù)據(jù)傳回來(lái)，同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。各下位機(jī)編有不同的地址碼，當(dāng)上位機(jī)以廣播命令的形式向所有的下位機(jī)發(fā)送同一個(gè)命令時(shí)，所有的下位機(jī)都會(huì)在接收到指令后回傳帶有地址標(biāo)記的反饋信息，并執(zhí)行接收到的指令。圖4為本發(fā)明監(jiān)控方法的流程圖。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的控制命令見圖5所示的六字節(jié)，包括起始標(biāo)志位、設(shè)備ID、指令代碼、數(shù)據(jù)、和校驗(yàn)位和終止標(biāo)志位，起始標(biāo)志位和終止標(biāo)志位用來(lái)標(biāo)記控制命令的起始和終止，起始標(biāo)志位為六字節(jié)命令的第一個(gè)字節(jié)，設(shè)定其值為68 ;設(shè)備ID為六字節(jié)命令的第二個(gè)字節(jié)，用來(lái)指定對(duì)應(yīng)的下位機(jī)編號(hào)；指令代碼為六字節(jié)命令的第三個(gè)字節(jié)，用來(lái)表示命令的類型，如設(shè)置采樣頻率，設(shè)置采集時(shí)間等；數(shù)據(jù)位為六字節(jié)命令的第四個(gè)字節(jié)，用來(lái)表示對(duì)應(yīng)操作類型的數(shù)據(jù)，如設(shè)置采樣頻率為lKHz、設(shè)置采樣時(shí)間為I小時(shí)等；和校驗(yàn)位為六字節(jié)命令的第五個(gè)字節(jié)，其值為第二、三、四個(gè)字節(jié)值之和，并略去溢出值，用來(lái)保障命令的正確性；終止標(biāo)志位為六字節(jié)命令的第六個(gè)字節(jié)，設(shè)定其值為16。當(dāng)上位機(jī)通過發(fā)送廣播命令形式對(duì)所有下位機(jī)進(jìn)行同步控制時(shí)，即將設(shè)備ID設(shè)置為OO ;同時(shí)上位機(jī)也可以通過相應(yīng)設(shè)備ID號(hào)的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)某一臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制。下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的操作命令后進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送反饋信息，為避免通信沖突，下位機(jī)依據(jù)自身設(shè)備ID號(hào)進(jìn)行反饋信息的延時(shí)發(fā)送。對(duì)下位機(jī)依據(jù)自身設(shè)備ID號(hào)進(jìn)行反饋信息的延時(shí)發(fā)送的一種具體實(shí)施為設(shè)N個(gè)下位機(jī)，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備ID分別為1、2、…、1、…、N，設(shè)定延時(shí)s，設(shè)備ID為I的下位機(jī)在t時(shí)刻發(fā)送反饋信息，則設(shè)備ID為2、…、1、…、N的下位機(jī)發(fā)送反饋信息的時(shí)刻分別為(+S、> t+ (i~l) > t+ (N-1)1Stj 這樣就可避免通彳目沖突。下位機(jī)將采集的多變量信息通過無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸至上位機(jī)，根據(jù)下位機(jī)的設(shè)備ID，將相同下位機(jī)的同一通道的采集信號(hào)存儲(chǔ)于PC機(jī)的同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過與數(shù)據(jù)分析軟件的無(wú)縫連接，生成被監(jiān)測(cè)線路的實(shí)況信息圖。被監(jiān)測(cè)線路的多變量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)下位機(jī)的SD存儲(chǔ)卡中。本發(fā)明方法可應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)，例如輸電線路、水電站閘門。使用時(shí)，將傳感器節(jié)點(diǎn)分布于工程結(jié)構(gòu)上。需要進(jìn)行采樣時(shí)，開啟系統(tǒng)，并由上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集指令，下位機(jī)根據(jù)指令控制多變量信息采集單元(即多種不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn))進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所采集的多變量信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與中央控制模塊的存儲(chǔ)模塊中，并根據(jù)上位機(jī)的指令選擇返回或不返回上位機(jī)。上位機(jī)可通過控制多通道信號(hào)傳輸單元的通道的導(dǎo)通和關(guān)閉來(lái)選擇接受某一類或幾類的采集信號(hào)。下面將結(jié)合應(yīng)用實(shí)施例來(lái)說明本發(fā)明的有益效果。實(shí)施例1
本發(fā)明系統(tǒng)于2012年疒11月應(yīng)用于廣東省某輸電線路，采用太陽(yáng)電池板和鋰電池供電，采用加速度傳感器節(jié)點(diǎn)定期將采集的輸電線路振動(dòng)數(shù)據(jù)回傳到地面基站。以該輸電線路的無(wú)阻尼器的49 #桿塔為例，獲取2012年17日10 :00 18 :00時(shí)湛江風(fēng)振時(shí)域歷程(順線方向)，見圖6。該圖即可驗(yàn)證本發(fā)明系統(tǒng)在風(fēng)振環(huán)境下工作的可靠性及數(shù)據(jù)采集的有效性。本發(fā)明可為后續(xù)針對(duì)輸電線路風(fēng)振無(wú)線監(jiān)測(cè)、風(fēng)致倒塔等災(zāi)害的預(yù)警機(jī)制提供有效的技術(shù)手段。實(shí)施例2
本發(fā)明系統(tǒng)于2012年擴(kuò)12月先后應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某幾個(gè)水電站的閘門監(jiān)測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布見圖7所示，圖中re分別表示re號(hào)下位機(jī)對(duì)應(yīng)的傳感器布點(diǎn)。采用加速度傳感器監(jiān)測(cè)閘門升起和降落過程，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到地面基站，生成閘門起降過程的實(shí)時(shí)信息圖，第3號(hào)下位機(jī)的第4測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程曲線見圖8所示，橫坐標(biāo)為北京時(shí)間。驗(yàn)證了本發(fā)明方法在復(fù)雜電磁環(huán)境和高濕度、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下工作的可靠性及采集數(shù)據(jù)的有效性。本發(fā)明可保留閘門起降全過程的時(shí)域和頻域信息，為閘門起降調(diào)度及災(zāi)害預(yù)警提供了有效的參考依據(jù)。
權(quán)利要求
1.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，所述的下位機(jī)包括中央控制模塊、射頻傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊依次相連，電源管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊、射頻傳輸模塊提供電壓并進(jìn)行電壓管理，其特征是 所述的中央控制模塊包括處理器、外圍電路和存儲(chǔ)模塊，外圍電路和存儲(chǔ)模塊均與處理器相連； 所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括多變量信息采集單元、多通道信號(hào)傳輸單元和信號(hào)調(diào)理電路，多變量信息采集單元、多通道信號(hào)傳輸單元、信號(hào)調(diào)理電路依次相連；多變量信息采集單元為分布于各采集點(diǎn)的不同類型的傳感器，多通道信號(hào)傳輸單元用來(lái)對(duì)應(yīng)傳輸不同類型的數(shù)據(jù)信號(hào)； 所述的數(shù)據(jù)采集模塊和中央控制模塊之間設(shè)置有AD轉(zhuǎn)換模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的多變量信息采集單元包括輸出量為電壓的傳感器和輸出量為電阻的傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的輸出量為電壓的傳感器，包括能夠測(cè)得物理量振動(dòng)、速度、溫度、壓力的傳感器；所述的輸出量為電阻的傳感器，包括能夠測(cè)得物理量位移、形變、力、加速度、濕度、溫度的傳感器。
4.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的多通道傳輸單元為四通道單刀雙擲開關(guān)，通過所述的處理器控制四通道單刀雙擲開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇通過。
5.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的信號(hào)調(diào)解電路包括濾波電路和放大電路。
6.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的電源管理模塊包括穩(wěn)壓模塊和分壓模塊，穩(wěn)壓模塊包括直流電壓供電模塊和降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器，直流電壓供電模塊用來(lái)提供隔離工作電壓，降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器用來(lái)提供數(shù)字工作電壓；分壓模塊主要為低漏失電壓調(diào)整器件，通過調(diào)整穩(wěn)壓模塊的輸出電壓來(lái)得到系統(tǒng)中所需的各種電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的下位機(jī)中，核心電路與其相應(yīng)的外圍電路間均設(shè)有光耦隔離，在傳輸?shù)退傩盘?hào)的核心電路和外圍電路之間采用可控制的光電耦合器隔離，在傳輸高速信號(hào)的核心電路和外圍電路之間采用高速光電耦合器隔離。
8.基于權(quán)利要求廣7中任一項(xiàng)所述的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控方法，用于采集影響工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)從而獲取實(shí)況監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，其特征是，包括步驟 步驟一，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出設(shè)備搜索指令； 步驟二，接收到搜索指令的下位機(jī)將帶有地址標(biāo)記碼的數(shù)據(jù)依據(jù)地址標(biāo)記碼順次延時(shí)返回至上位機(jī)，不同的下位機(jī)設(shè)有不同的地址標(biāo)記碼； 步驟三，上位機(jī)根據(jù)各下位機(jī)的地址標(biāo)記碼將采樣頻率和采集信號(hào)類型發(fā)送至全部或指定的下位機(jī)，下位機(jī)依據(jù)采樣頻率和采集信號(hào)類型控制對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣；步驟四，傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的多變量信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于下位機(jī)中央控制模塊的存儲(chǔ)模塊中，采集的多變量信息根據(jù)上位機(jī)的指令回傳或不回傳至上位機(jī)。
9.如權(quán)利要求8所述的監(jiān)控方法，其特征是 步驟三中，在設(shè)置采樣頻率后，選擇停止采樣模式為手動(dòng)停止還是自動(dòng)停止；若選擇手動(dòng)停止，則下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的停止采樣指令后停止采樣；若選擇自動(dòng)停止，則通過上位機(jī)選擇采樣時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)間后停止采用。
10.如權(quán)利要求8所述的監(jiān)控方法，其特征是 步驟四中，上位機(jī)可通過控制多通道信號(hào)傳輸單元的通道的導(dǎo)通和關(guān)閉來(lái)選擇接受某一類或幾類的采集信號(hào)。
11.如權(quán)利要求8所述的監(jiān)控方法，其特征是 步驟四中，若采集的多變量信息回傳至上位機(jī)，則將相同下位機(jī)的同一通道的采集信號(hào)存儲(chǔ)于下位機(jī)PC機(jī)中的同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生產(chǎn)被監(jiān)控對(duì)象的實(shí)況監(jiān)控圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，下位機(jī)包括中央控制模塊、射頻傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊，其中，中央控制模塊包括處理器、外圍電路和存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)采集模塊包括多變量信息采集單元、多通道信號(hào)傳輸單元和信號(hào)調(diào)理電路，多變量信息采集單元為分布于各采集點(diǎn)的不同類型的傳感器，多通道信號(hào)傳輸單元用來(lái)對(duì)應(yīng)傳輸不同類型的數(shù)據(jù)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集模塊和中央控制模塊之間設(shè)置有AD轉(zhuǎn)換模塊。本發(fā)明方法采用基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以用于對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)間歷程、動(dòng)應(yīng)變/應(yīng)力、溫度、壓力等多變量信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK103067941SQ201210573658
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者肖曉暉, 宋云超, 陸榮信, 徐俊, 凌杰, 朱澤群 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)