[发明专利]一种基于射频能量收集的结构健康监测系统

摘要

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。

主权项

1.一种基于射频能量收集的结构健康监测系统，其特征在于：该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；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；稳压模块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、应力传感器、位移传感器感知结构内部的健康信息；监测节点的微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，微处理器内嵌一个8051的内核；微处理器接收传感器的测量数据并处理；ZigBee通信模块将处理后的数据通过天线发送至汇聚节点；所述汇聚节点由ZigBee通信模块、LED指示灯、微处理器、USB串口和电平转换模块组成；其中，LED指示灯、电平转换模块和ZigBee通信模块均与微处理器相连，USB串口与电平转换模块相连；ZigBee通信模块通过天线接收监测节点发送的结构健康信息数据；LED指示灯指示是否接收到正确的数据包；汇聚节点的微处理器和ZigBee通信模块采用CC2530芯片，微处理器对数据包进行分析，提取有效的传感器数据并处理；USB串口将汇聚节点与PC端连接，用于数据传输和供电；USB串口和电平转换模块用于上传汇聚节点的代码，同时用于汇聚节点向PC端上位机传输数据；所述PC端上位机工作过程如下：(1)读取串口数据：LabVIEW上位机调用VISA的I/O串口采集函数采集汇聚节点发送的串口数据，以获得结构健康监测区域的监测数据；(2)解析数据包：当串口接收到数据时，对该数据包进行分析，若数据格式符合要求且数据包的标志位返回正确值，则对该数据包进行解析，获得监测节点的传感器信息；(3)实时显示：调用波形图控件，将结构健康状况实时显示在波形图和列表中；(4)数据存储：调用电子表格写入函数，将结构健康数据按照指定的格式存储到文件当中；(5)操作界面：操作界面包含完整拖放式的输入控件，用户可根据需求随意控制各个功能模块，而且在满足基本功能的需求上，尽量美化了自定义的用户界面，以达到最完美的人机交互效果。