[发明专利]一种基于射频能量收集的结构健康监测系统

说明书

本发明公开一种基于射频能量收集的结构健康监测系统，包括多个监测节点、一个汇聚节点、一个射频源和PC端上位机；监测节点部署在结构内部，通过温度传感器、位移传感器、应力传感器检测结构的健康状况；射频源放置在被检测结构的外侧，监测节点收集射频源发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点通过无线接收终端节点发送的应力检测数据，汇聚节点与PC端通过USB串口相连，并将该数据进行处理后发送至PC端；PC端上位机接收数据后，对数据进行显示、处理和存储，并向用户提供可视化的操作界面。本发明通过无线可充电传感器节点系统监测结构内部的健康情况，具有很高的实用性和可移植性。

技术领域

本发明涉及无线传感器技术，尤其涉及一种基于射频能量收集的结构健康监测系统。

背景技术

土木工程结构在长期使用过程中会因各种自然及人为因素的左右而不可避免地发生损伤，如结构在刚度、强度、边界以及连接条件等方面的蜕变或下降，从而影响结构体系未来的使用性能。近年来，我国土木事故频繁发生，如桥梁的断裂、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失。

目前，结构监测系统部署在结构表面，利用传输线将传感器信号传到中心存储单元，这种无损检测方式分析包括结构响应在内的结构系统特性，达到检测结构损伤或退化的一些变化。而有线的连接方式安装成本高，检测设备容易受到损坏。结构检测也分为局部检测和整体检测，在整体检测方法当中，需要检测结构体内部的结构参数，而传统的检测方式只能检测结构外部的参数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于射频能量收集的结构健康监测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种基于射频能量收集的结构健康监测系统，包括多个监测节点、一个汇聚节点、一个射频源和PC端上位机；监测节点部署在结构内部，通过温度传感器、位移传感器、应力传感器检测结构的健康状况；射频源可放置在被检测结构的外侧，监测节点收集射频源发送的射频能量从而为节点自身供电；汇聚节点部署在结构外侧并与PC端通过USB串口相连，汇聚节点通过无线接收监测节点发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至PC端；PC端上位机接收数据后，对数据进行显示、处理和存储，并向用户提供可视化的操作界面。

进一步地，所述监测节点由能量收集天线、能量转换模块、稳压模块、超级电容、温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块构成。其中，能量收集天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与稳压模块和超级电容相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器、微处理器和ZigBee通信模块与稳压模块相连，温度传感器、应力传感器、位移传感器分别与微处理器相连。能量收集天线采用中心频率为915MHz的Patch天线，接收射频源发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由美国Powercast公司的P2110B能量转换芯片及其外围电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中，其中超级电容选用的是AVX Bestcap系列超级电容；稳压芯片选用安森美半导体公司的新型低压差线性稳压芯片NCP698SQ30T1G，用于将能量转换模块的输出转换为稳定的3V直流电压，并为整个传感器节点供电；温度传感器采用美信半导体公司新推出的高精度低功耗温度传感器MAX6613，应力传感器采用KFG系列混凝土应变片，位移传感器采用GEFRAN系列位移传感器，这三个传感器用于感知结构内部的健康信息；微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，这款微处理器内嵌一个8051的内核，同时结合了领先的RF收发器的优良性能，将传感器采集的数据处理后通过天线发送至汇聚节点。

微处理器的工作过程如下：微处理器上电后，先完成系统及各个模块的初始化工作。利用内部ADC读取传感器输出的模拟电压值，多次采样求得平均值，并转换为温度、应力和位移相对应的物理量数据。监测节点的无线收发模块搜索汇聚节点广播的信道信标，如果发现该信标，则监听汇聚节点的信标帧，向汇聚节点发出入网请求，若请求成功，则向汇聚节点传输传感器数据包。