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      用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作方法

      文檔序號(hào):7955450閱讀:549來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的裝置,尤其涉及一種用于組建面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
      背景技術(shù)
      結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是當(dāng)前實(shí)際工程中的一種很重要的應(yīng)用,是智能材料結(jié)構(gòu)的一種很重要的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種仿生智能系統(tǒng),在國(guó)民生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛,特別是在工程中,有很多材料結(jié)構(gòu)需要及時(shí)的維護(hù)及監(jiān)測(cè),用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)、費(fèi)力,并且費(fèi)用昂貴,而運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)就可以使這些缺點(diǎn)得到改進(jìn)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出可以實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)及安全性評(píng)估,從則節(jié)省維護(hù)費(fèi)用;依靠先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng),可減少勞動(dòng)力和降低人工誤判;可以及時(shí)的和最新技術(shù)相結(jié)合;大多數(shù)具有自修復(fù)功能;自動(dòng)化程度高,可以大大提高安全性和可靠性。近年來(lái),隨著材料和結(jié)構(gòu)損傷特征信號(hào)處理技術(shù)研究的進(jìn)展,傳感/驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的深入,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用于實(shí)際的工程實(shí)踐中,比如先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)和超期服役飛機(jī)的健康監(jiān)控、航天器及空間站的健康監(jiān)測(cè)和民用結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)。例如在航空航天領(lǐng)域,復(fù)合材料由于輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量,可提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的效率,降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù),在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越多。目前國(guó)際上最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)機(jī)F22,樹脂基復(fù)合材料的用量已達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的24%??傮w而言,層合復(fù)合材料在減輕結(jié)構(gòu)重量,提高承載能力和隱身等方面性能卓著,然而它在損傷、失效等方面的表現(xiàn)卻是機(jī)理復(fù)雜,現(xiàn)象多樣,判別困難。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)手段還不具備實(shí)時(shí)在線大面積監(jiān)測(cè)的功能,且大多數(shù)設(shè)備復(fù)雜,成本高,費(fèi)工費(fèi)時(shí),從而限制了復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。因此近年來(lái),工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
      無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的等式傳感技術(shù)+中央處理器+無(wú)線通信=數(shù)以千計(jì)的潛在應(yīng)用可能。當(dāng)需要對(duì)諸如溫度、光通量、位移以及噪聲等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行不間斷地傳感、測(cè)試和無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí),可以考慮在相關(guān)領(lǐng)域中配置智能化的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),通過(guò)對(duì)環(huán)境待測(cè)參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)防軍事、動(dòng)物的習(xí)性觀測(cè)、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持,具有快速展開,抗毀性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn);而且利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以大大減少器件引線數(shù)量,使得無(wú)線傳感器可方便的安裝于監(jiān)測(cè)環(huán)境比較復(fù)雜,不便于引線的部位;由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有局域信號(hào)處理功能,很多信號(hào)信息處理工作可在傳感節(jié)點(diǎn)附近局部完成,將大大減少所需傳輸?shù)男畔⒘?,并將原?lái)由中央處理器實(shí)現(xiàn)的串行處理、集中決策的系統(tǒng),變?yōu)橐环N并行的分布式信息處理系統(tǒng),將大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度及決策的可靠性和靈活性;另外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)所著重考慮的低功耗特點(diǎn)也可減少能源供給裝置的重量并可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。
      無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來(lái)源于美國(guó)軍方,美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)于2001年資助加州伯克力大學(xué)開發(fā)了名為“Smart Dust”(智能灰塵)或“Mote”的無(wú)線傳感器開發(fā)系統(tǒng)。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃,投資3400萬(wàn)美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下,美國(guó)的加州大學(xué)伯克力分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛衫磯分校等學(xué)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段,清華大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中科院合肥智能所等單位已開始進(jìn)行這方面的研究。針對(duì)面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究,本申請(qǐng)人也曾開展了一些初步的探索,但是因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)幾乎沒有自行研制的可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),都是購(gòu)買Mote產(chǎn)品進(jìn)行前期探索,這方面同國(guó)外的差距較大。

      發(fā)明內(nèi)容
      1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),以組建面向?qū)嶋H工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。
      2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的,本發(fā)明采用兩種方案。
      第一種方案的用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可直接配接電阻應(yīng)變傳感器,其包括無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊和電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)共享的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào);電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路、電壓放大/RC濾波和電壓跟隨輸出模塊,電阻應(yīng)變傳感器將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化通過(guò)恒壓電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后通過(guò)信號(hào)放大和RC濾波電路放大恒壓電橋電路的輸出信號(hào)并濾除工頻干擾,最后經(jīng)過(guò)電壓跟隨輸出模塊將經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)輸出到無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊中的中央處理器片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
      無(wú)線收發(fā)器包括RIDIO控制系統(tǒng)、RF收發(fā)器和硬件加速器,硬件加速器高效地執(zhí)行底層操作,支持針對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的操作,無(wú)線收發(fā)器采用集成電路的方法。
      第二種方案的用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可直接配接壓電傳感器,其包括無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊和壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)共享的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào);壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電荷放大模塊、有源濾波模塊和電壓跟隨輸出模塊,壓電陶瓷傳感器將結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的變化通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪總鞲行盘?hào),電荷放大模塊將電荷量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓量并放大,然后通過(guò)有源濾波模塊濾除干擾信號(hào),最后電壓跟隨輸出將經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感信號(hào)輸出到無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊中微處理器片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
      無(wú)線收發(fā)器包括RIDIO控制系統(tǒng)、RF收發(fā)器和硬件加速器,硬件加速器高效地執(zhí)行底層操作,支持針對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的操作,無(wú)線收發(fā)器采用集成電路的方法。
      上述兩種方案的用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可配合高級(jí)軟件協(xié)議,組建成大規(guī)模的面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。
      本發(fā)明中的高性能的無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理功能模塊,以共享硬件資源為前提,能夠分離一般數(shù)據(jù)通路和無(wú)線數(shù)據(jù)通路,并且能兼容多種通信協(xié)議??紤]到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)壽命和系統(tǒng)魯棒性,該模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要考達(dá)到低功耗和魯棒性的要求。從低功耗的設(shè)計(jì)要求出發(fā),因?yàn)闊o(wú)線通信的功耗是模塊功耗的主要部分,硬件方面必須選用單芯片、低功耗的無(wú)線收發(fā)器;軟件方面必須采用先進(jìn)的算法和協(xié)議縮短無(wú)線收發(fā)器活動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間,另外利用節(jié)點(diǎn)端局部處理的方式可以大大減少需要無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。從魯棒性的設(shè)計(jì)要求出發(fā),采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法可以提高系統(tǒng)的魯棒性,即按設(shè)計(jì)功能劃分成多個(gè)獨(dú)立的子模塊,每個(gè)功能子??炜梢元?dú)立地測(cè)試,然后將它們組合成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng);子模塊必須盡可能地獨(dú)立,而且對(duì)外的接口要小,以避免模塊間的相互干擾。
      無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊的核心是一個(gè)中央處理器,用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議。采用單一的處理器結(jié)構(gòu)完全出于處理效率的考慮,在某些需要的場(chǎng)合可以將所有的處理器資源用于單一任務(wù)的運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)中唯一的核心處理器需要具有額外的硬件電路以支持精細(xì)地并行處理操作,盡可能地提高并行操作的轉(zhuǎn)換效率。這里降低并行操作轉(zhuǎn)換時(shí)間采用的方法是添加寄存器窗口,CPU無(wú)需每次操作轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都要寫進(jìn)存儲(chǔ)器,只需要簡(jiǎn)單地保存在空的寄存器組中。和處理部分對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通路通過(guò)共享的內(nèi)部總線和模塊中其他的組件相連接,還可以和外圍設(shè)備相互連接。存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)時(shí)鐘和硬件加速器都是通過(guò)這樣的內(nèi)部總線相連的。通過(guò)利用高速、低等待時(shí)間的內(nèi)部總線,數(shù)據(jù)能方便地在處理器、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備之間傳送。連接在內(nèi)部總線上的外圍設(shè)備能夠直接從存儲(chǔ)器子系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù),也可以將數(shù)據(jù)送到UART外圍設(shè)備。共享的內(nèi)部總線上的所有設(shè)備都是通過(guò)共享的存儲(chǔ)器接口進(jìn)行操作;每個(gè)設(shè)備都能夠控制映射在共享地址空間的結(jié)構(gòu);其各個(gè)不同操作專用的共享地址空間可以動(dòng)態(tài)地滿足多種應(yīng)用的需求。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)還在于專用硬件加速器的采用。相對(duì)于一般數(shù)據(jù)通路的低效率操作,這些硬件加速器可以高效地執(zhí)行底層操作。每一個(gè)加速器都會(huì)支持針對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的操作。通過(guò)提高這些操作的效率,節(jié)點(diǎn)整體的功耗會(huì)大大降低。然而硬件加速器僅僅是針對(duì)于通信的底層操作,不包括完整的通信協(xié)議的執(zhí)行,通過(guò)簡(jiǎn)單地軟件重配置該節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)支持多種通信協(xié)議。硬件加速器也支持那些用于盡可能優(yōu)化無(wú)線收發(fā)器功耗的操作,優(yōu)點(diǎn)還在于最小化硬件的功能,這對(duì)于高效地支持應(yīng)用需求和分離通信和處理通道很有必要。
      針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用的傳感器極其信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須能夠直接配接兩種現(xiàn)有的主要的傳感器應(yīng)變傳感器和壓電傳感器,所以第二大功能模塊是相應(yīng)傳感信號(hào)的微型調(diào)理模塊,即微型應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊和微型壓電傳感器信號(hào)調(diào)理模塊。壓電傳感器和電阻應(yīng)變傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中常用的兩種傳感元件,具有一系列的優(yōu)點(diǎn),如(1)具有力學(xué)量和電學(xué)量之間的轉(zhuǎn)換功能,特別是壓電元件具有雙向轉(zhuǎn)換功能,既具有傳感的能力,也具有激勵(lì)的能力;(2)壓電元件有著很寬的可用頻帶和良好的線性,作為傳感元件具有很高的靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍;(3)易于與結(jié)構(gòu)結(jié)合,另外壓電陶瓷不僅可以采取表面粘貼的方法,還能以內(nèi)部嵌入的方式與結(jié)構(gòu)材料結(jié)合;(4)電阻應(yīng)變片還具有容易粘貼、靈敏度度較高等特點(diǎn)。因此這兩種傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究中被廣泛的使用。但由于兩種元件檢測(cè)到的信號(hào)一般比較微小,大約在mV級(jí)左右,所以需要后續(xù)調(diào)理電路對(duì)微弱的傳感信號(hào)進(jìn)行處理。然而現(xiàn)有的調(diào)理電路基本采用的都是十幾V甚至民用電的電源供電,且體積很大,不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池供電與低功耗要求,所以采用了上述的微型電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊和微型壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,這兩種調(diào)理電路的設(shè)計(jì)非常必要。結(jié)合前面的通信與處理模塊組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),可以直接配接應(yīng)變傳感器和壓電陶瓷傳感器,可組建面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),利于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
      3、有益效果基于本發(fā)明的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組建的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),可以完全取代傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有重量輕、體積小、功耗低、配置快速、局部處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可組建適合工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),便于實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的大面積在線健康監(jiān)測(cè)。該智能節(jié)點(diǎn)的體積略大于一元硬幣;低功耗模式下可持續(xù)超過(guò)一年的工作壽命;配合高級(jí)軟件協(xié)議,可將眾多的該智能節(jié)點(diǎn)配置成大規(guī)模的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。


      圖1是可直接配接電阻應(yīng)變傳感器的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理框圖;圖2是可直接配接壓電傳感器的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的原理框圖;圖3為電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)示意圖;圖4是壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
      具體實(shí)施例方式
      實(shí)施例1如圖1所示,本實(shí)施例的可直接配接電阻應(yīng)變傳感器的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),包括電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊和無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊,其中,如圖1所示,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)共享的高速、低等待時(shí)間的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào),中央處理器用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議,無(wú)線收發(fā)器包括RIDIO控制系統(tǒng)、RF收發(fā)器和硬件加速器,采用集成電路的形式;硬件加速器高效地執(zhí)行底層操作,支持針對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的操作。
      如圖3所示,電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)微型調(diào)理模塊包括電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路、電壓放大、RC濾波和電壓跟隨輸出子模塊,其結(jié)構(gòu)如下它包括電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路、運(yùn)算放大器A1和運(yùn)算放大器A2,電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路的第一端和第三端之間接入電源,第二端通過(guò)電阻R2與運(yùn)算放大器A1的反向輸入端連接,第四端與運(yùn)算放大器A1的正向輸入端連接,運(yùn)算放大器A1的輸出端通過(guò)電阻R3與運(yùn)算放大器A2的正向輸入端連接,運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與輸出端連接,運(yùn)算放大器A2的正向輸入端通過(guò)電容C1接地;運(yùn)算放大器A2的輸出信號(hào)與中央處理器內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連接。電阻應(yīng)變傳感器將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化通過(guò)電橋轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后通過(guò)信號(hào)放大和濾波電路放大電橋的輸出信號(hào)并濾除工頻干擾,最后經(jīng)過(guò)輸出級(jí)將調(diào)理的信號(hào)輸出到微處理器片內(nèi)集成的AD轉(zhuǎn)換器。如圖1所示,中央微控制器即中央處理器采用的是Atmel的ATmega128,主要時(shí)鐘由一個(gè)外部的8MHz的晶振提供,處理速度可以達(dá)到8百萬(wàn)條指令每秒(MIPS)。ATMEGA128屬于Atmel公司開發(fā)的AVR系列單片機(jī)中性能最優(yōu)的8位微控制器,它集成了128Kb的FLASH程序存儲(chǔ)器、4Kb靜態(tài)RAM、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、三個(gè)硬件時(shí)鐘、48根通用I/O接口、一個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、一個(gè)同步串行外設(shè)接口。一般情況下,只是在制造產(chǎn)品固化軟件或者現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)需要對(duì)嵌入式微控制器進(jìn)行編程。但是在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中需要隨時(shí)對(duì)微控制器進(jìn)行重新編程。設(shè)計(jì)中采用協(xié)處理器對(duì)ATmega128重新編程。另外為了給每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)辨識(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用美信(Maxim)公司的單總線硅序列號(hào)芯片DS2401,這是一個(gè)低功耗的ROM設(shè)備,不需要外接電源。無(wú)線通信部分采用了TI公司的集成射頻芯片CC1000,它是一個(gè)頻率可調(diào)的單芯片無(wú)線收發(fā)器,功耗低且與微控制器的接口和電路簡(jiǎn)單。外部存儲(chǔ)器采用4Mb的Atmel串行FLASH存儲(chǔ)器AT45DB041,用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。選用該存儲(chǔ)器的原因是它的接口簡(jiǎn)單且封裝小。主要存儲(chǔ)采集的傳感數(shù)據(jù)和從網(wǎng)絡(luò)接口傳來(lái)的臨時(shí)程序鏡像。電源管理模塊用于調(diào)節(jié)和供給系統(tǒng)工作電壓,電源采用兩節(jié)五號(hào)(AA)電池,選用了Maxim1678直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器,提供3.3V直流電,Maxim1678允許的最低輸入電壓為1.1V。在超低功耗休眠模式下關(guān)閉直流升壓轉(zhuǎn)換器可以降低功耗,但同時(shí)無(wú)線收發(fā)器將停止工作。I/O擴(kuò)展子系統(tǒng)采用一個(gè)51針的板對(duì)板連接器,用于外接各種需要的傳感器板和編程板。可以將連接器劃分成五個(gè)部分8個(gè)模擬接口、8個(gè)電源控制接口、3個(gè)脈沖寬度調(diào)制接口、2個(gè)模擬比較接口、4個(gè)外部中斷接口、1個(gè)IIC接口、1個(gè)SPI接口、1個(gè)串行口和1個(gè)對(duì)微控制器編程的接口。擴(kuò)展連接器可以用于對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程,以及和其他設(shè)備進(jìn)行通信,比如作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)。另外標(biāo)準(zhǔn)的UART接口可以控制或者提供數(shù)據(jù)給任何具備RS-232協(xié)議的設(shè)備。
      如圖3所示,本實(shí)施例的電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊中,電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路將電阻應(yīng)變敏感元件的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化信號(hào)。由于從應(yīng)變片電橋輸出的電壓值很小,所以首先要經(jīng)過(guò)放大電路將從應(yīng)變片電橋輸出的電壓值放大,放大的倍數(shù)的范圍為100-1000倍,并且需要具有很好的可調(diào)性。另外,運(yùn)算放大器選用的是INA128和LF412。INA128是美國(guó)B-B公司的精密儀用放大器,具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),適合對(duì)各種微小信號(hào)進(jìn)行放大。根據(jù)外接電阻的變化,可以選用不同的放大倍數(shù)。具體的放大公式為G=1+50k/Rg.G為實(shí)際需要的放大倍數(shù),Rg為可調(diào)節(jié)的電阻。應(yīng)變片電橋一般取放大倍數(shù)的范圍為100-1000倍,可調(diào)電阻Rg經(jīng)計(jì)算為50-500歐姆。儀用放大器的輸出需要加低通濾波器,以便濾除信號(hào)路徑中的高頻干擾成分,濾波電路采用最簡(jiǎn)單的電阻電容組成RC網(wǎng)絡(luò),用電容沖放電特性將高頻成分濾去,截至頻率為f=53HZ。
      實(shí)施例2如圖2所示,本實(shí)施例的可直接配接壓電陶瓷傳感器的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),包括壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊和無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同;壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電荷放大、有源濾波和電壓跟隨輸出子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用四個(gè)相級(jí)聯(lián)的運(yùn)算放大單元,第一個(gè)運(yùn)算放大單元將電荷量轉(zhuǎn)為電壓量,第二個(gè)運(yùn)算放大單元為二階高通有源濾波單元,第三個(gè)運(yùn)算放大單元為二階低通有源濾波單元,第四個(gè)運(yùn)算放大單元為電壓放大輸出級(jí),將電壓量進(jìn)一步放大,下面結(jié)合附圖4進(jìn)行說(shuō)明,外界傳感器采集的信號(hào)通過(guò)電阻R1輸入運(yùn)算放大器A1的反向輸入端,運(yùn)算放大器A1的反向輸入端與輸出端之間連有電容C1,電容C1與電阻R2并聯(lián),運(yùn)算放大器A1的正向輸入端通過(guò)電阻R3接地;運(yùn)算放大器A1的輸出端通過(guò)相串聯(lián)的電容C2、C3與運(yùn)算放大器A2的正向輸入端連接,運(yùn)算放大器A2的輸出端連接有電阻R5,電阻R5的另一端接入電容C2與C3之間,運(yùn)算放大器A2的正向輸入端與電阻R4的一端連接,電阻R4的另一端接地,運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與輸出端接有電阻R6,運(yùn)算放大器A2的反向輸入端通過(guò)電阻R7接地,電阻R7非接地一端與電阻R6連接;運(yùn)算放大器A2的輸出端通過(guò)相串聯(lián)的電阻R8、R9與運(yùn)算放大器A3的正向輸入端連接,運(yùn)算放大器A3的輸出端接有電容C5,電容C5的另一端接于電阻R8、R9之間,運(yùn)算放大器A3的正向輸入端通過(guò)電容C4接地,運(yùn)算放大器A3的反向輸入端通過(guò)電阻R11接地,電阻R11的非接地一端與與電阻R10連接,電阻R10的另一端與運(yùn)算放大器A3的輸出端連接;運(yùn)算放大器A3的輸出端與運(yùn)算放大器A4的反向輸入端連接,運(yùn)算放大器A4的輸出端與反向輸入端之間通過(guò)電阻R14連接,運(yùn)算放大器A4的正向輸入端通過(guò)電阻R15接地。運(yùn)算放大器A4的輸出端與中央處理器即微控制器內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器的輸入端相連接。
      第四級(jí)運(yùn)算放大單元作為電荷放大電路的輸出級(jí),可分為電壓放大和電壓跟隨輸出兩級(jí)運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)算放大器A3的輸出端連接有一個(gè)單刀雙擲開關(guān)S1,運(yùn)算放大器A4的反向輸入端并聯(lián)連接有電阻R12、R13,通過(guò)單刀雙擲開關(guān)S1與電阻R12或R13連接可以改變電壓放大倍數(shù)。
      壓電陶瓷傳感器將結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的變化通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪總鞲行盘?hào),電荷放大子模塊將電荷量轉(zhuǎn)化為電壓量并放大,然后通過(guò)有源濾波子模塊濾除干擾信號(hào)如工頻干擾和高頻噪聲,最后電壓跟隨輸出將調(diào)理的傳感信號(hào)輸出到微處理器片內(nèi)集成的AD轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算放大器型號(hào)選擇opa340,opa340是滿擺幅CMOS運(yùn)放,最低工作電壓可達(dá)2.5V,單位增益帶寬達(dá)5.5MHz,該芯片完全滿足高阻抗與高開環(huán)增益這兩項(xiàng)性能指標(biāo)。該信號(hào)調(diào)理模塊的頻帶為1.6KHz-5.3MHz,能滿足輸入絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的要求。
      在對(duì)實(shí)施例1和實(shí)施例2的試驗(yàn)中,采用函數(shù)發(fā)生器輸入測(cè)試信號(hào)的方法模擬輸入的傳感器信號(hào),對(duì)無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中主要進(jìn)行了兩方面的測(cè)試,功耗和無(wú)線傳輸距離的測(cè)試。首先是測(cè)試了功耗性能,采用兩節(jié)五號(hào)(AA)電池供電,在四個(gè)節(jié)點(diǎn)上采用TinyOS的CntToLedsAndRfm應(yīng)用組件(每四秒鐘傳送一個(gè)TOS數(shù)據(jù)包并點(diǎn)亮三個(gè)LED),無(wú)線射頻設(shè)定在916MHz,傳送功率為0dBm,該試驗(yàn)的工作電流在10-15mA左右,其他例如對(duì)于Flash、CPU和編程的操作比該工作電流要高。試驗(yàn)測(cè)得采用容量2×1700mAh的AA電池時(shí)節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作的時(shí)間為170小時(shí)。如果使得該節(jié)點(diǎn)始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)(小于200uA),其工作時(shí)間將超過(guò)一年,可以滿足特定應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)工作壽命的特殊要求。節(jié)點(diǎn)的傳輸距離是和功耗密切聯(lián)系的,無(wú)線傳輸功率大的情況下功耗必定大,但同時(shí)其傳輸距離會(huì)增加。該項(xiàng)測(cè)試同樣采用TinyOS的CntToLedsAndRfm應(yīng)用組件,以節(jié)點(diǎn)不能接收到數(shù)據(jù)包(即LED不閃亮)為傳輸距離的判定界限。試驗(yàn)測(cè)得的傳輸距離能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用中對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離的要求(室內(nèi)30米左右),而且如果在野外空曠環(huán)境進(jìn)行測(cè)試,傳輸距離將會(huì)更遠(yuǎn)。
      權(quán)利要求
      1.一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其特征在于,包括無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊和電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)共享的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào);電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路、電壓放大/RC濾波和電壓跟隨輸出模塊,電阻應(yīng)變傳感器將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化通過(guò)恒壓電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后通過(guò)信號(hào)放大和RC濾波電路放大恒壓電橋電路的輸出信號(hào)并濾除工頻干擾,最后經(jīng)過(guò)電壓跟隨輸出模塊將經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)輸出到無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊中的中央處理器片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
      2.一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其特征在于,包括無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊和壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)共享的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào);壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電荷放大模塊、有源濾波模塊和電壓跟隨輸出模塊,壓電陶瓷傳感器將結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的變化通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪總鞲行盘?hào),電荷放大模塊將電荷量傳感信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓量并放大,然后通過(guò)有源濾波模塊濾除干擾信號(hào),最后電壓跟隨輸出將經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感信號(hào)輸出到無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊中微處理器片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
      3.如權(quán)利要求1或2所述的用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其特征在于,無(wú)線收發(fā)器包括RIDIO控制系統(tǒng)、RF收發(fā)器和硬件加速器。
      4.如權(quán)利要求1或2所述的用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其特征在于,可配合高級(jí)軟件協(xié)議,組建大規(guī)模的面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),包括無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊和電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊,其中,無(wú)線收發(fā)與數(shù)據(jù)處理模塊包括無(wú)線收發(fā)器、用于分時(shí)處理操作請(qǐng)求和通信協(xié)議的中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)時(shí)鐘,它們通過(guò)共享的內(nèi)部總線相連接,系統(tǒng)時(shí)鐘提供處理器和無(wú)線通信操作的時(shí)鐘信號(hào);電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊包括電阻應(yīng)變傳感器恒壓電橋電路、電壓放大/RC濾波和電壓跟隨輸出模塊。電阻應(yīng)變傳感器信號(hào)調(diào)理模塊也可以為壓電陶瓷傳感器信號(hào)調(diào)理模塊。本發(fā)明可以組建工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),取代傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),重量輕、體積小、功耗低、配置快速、局部處理能力強(qiáng),便于實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的大面積在線健康監(jiān)測(cè)。
      文檔編號(hào)H04L12/28GK101018169SQ20061004113
      公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
      發(fā)明者袁慎芳, 吳鍵, 殷悅, 丁鍵偉, 尚盈, 趙霞 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)
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