专利名称：一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于桥梁健康监测技术领域，具体涉及ー种多种緑色能源供给，无需额外电源的无线网络桥梁健康监测系统。
背景技术：
自20世纪50年代以来，随着桥梁建设事业的迅猛发展，而在桥梁的使用中，由于受到自然环境和人为的ー些损害，ー些桥梁坍塌事故的不断发生，桥梁健康监测的重要性逐渐被认识，使用桥梁健康监测技木，观测和分析桥梁的各种结构状況，当桥梁处于危险状况时发布预警信号，以保证桥梁的正常运行，这对桥梁的维护、管理都具有非常重要的意义。而基于现有无线传感网络和传感器技术的发展，在桥梁健康监测方面也有了相应的应用。目前已经有一些桥梁健康监测无线数据采集的技术，如申请号为200720140648. 4的专利中所述，该专利是采用内置电池或外置人为监控充电供给电源，双CPU处理数据模式的桥梁检测无线数据采集装置，这些装置存在以下缺点1、采用电池或者単一的电源为系统供电，能量采集和转换效率低；2、双CPU和双通讯模块，増加了系统的功耗；3、采用的传感器为模拟量传感器，信号需要经过滤波和放大、摸/数转换，这大大降低了数据采集的精确性和时滞性，并且增加了系统的能耗。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，它采用多种绿色能源供给，能量利用效率高、装置结构简单、数据采集精确度高、信息传输效率高，克服了现有提出的桥梁健康监测技术中存在的需要外部电源、供电电源単一、功耗较大的不足。为此，本发明采用以下技术方案ー种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，它包括电源收集和管理模块、传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、无线路由节点、报警模块；电源收集和管理模块与微处理器模块、无线通信模块连接，并为它们提供电能；传感器模块中具有数字式无源传感器和模拟量传感器，数字式无源传感器与微处理器模块直接相连，模拟量传感器经过信号调理电路再与微处理器模块连接，微处理器模块与无线通信模块连接，无线通信模块通过无线电将数据发送至无线路由节点，并进而发送至中央监控室。在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进ー步的技术方案电源收集和管理模块中包括电能收集模块、电源管理芯片、超级电容；电能收集模块包括振动能模块、风能模块、太阳能模块；电能收集模块通过振动能模块、风能模块和太阳能模块分别收集桥体的振动能、风能和太阳能，并转换为系统可用电压等级，电能收集模块连接电源管理芯片，电源管理芯片连接超级电容，超级电容连接微处理器模块和无线通讯模块为其供电。在超级电容输出电压同时连接至微处理器模块的电压监测引脚，微处理器模块会依据采集到的超级电容输出的电压，采用模糊智能算法管理自身的“运行”和“休眠”时间，实现微处理器模块“运行”和“休眠”交替的工作模式。所述的传感器模块中的多个传感器可同时连接至ー个微处理器模块。微处理器模块连接报警模块，当不同的监测值超出预定警戒值时，报警模块实现现场报警，同时通过网络将报警信息传输到中央监控室，在中央监控室监控界面发出相应的报警信号。无线通信模块采用3G模块，无线通信模块和无线路由节点实现自组网。所述无源传感器模块包括对桥梁的荷载、表面形貌、结构強度等进行测量的无源传感器。无源传感器不需要额外电源的供电，从而节省了大量的能耗。同时传感器模块中有数字量无源传感器和模拟量无源传感器。对部分參数的測量采用模拟量无源传感器，模拟量无源传感器通过相应的信号调理电路接连至微处理器模块，对部分參数的测量采用数字量无源传感器，无需中间的信号调理电路，直接连接至微处理器模块。从而減少了中间的电路，減少了干扰，使整个装置更加稳定可靠。所述微处理器模块负责对传感器所采集到的数据进行处理与存储、设定警戒值，当监测值超出设定警戒值时报警模块就发出相应的现场报警信号和监控室报警信号。微处理器模块将处理过的信息与数据传输至无线通信模块。同时微处理器模块负责电源的管理，实时地检测超级电容器所存储的电量与所输出的电压，并调节微处理器模块的“运行”与“休眠”时间，使电能的供应达到最佳状态。所述无线通讯模块和微处理器模块相连接，由传感器采集并经微处理器模块处理后的数据，通过无线通讯模块实时地发送到无线路由节点。所述无线路由节点实现和多个无线通讯模块进行组网，组织成星形无线网络拓扑结构，接收来自桥梁不同位置的不同数据监测信息，并将数据传输至中央监控室。本发明的有益效果是，可以在多种能源转化为电能供给的基础上，无需额外的电源供应，可以极大地降低运行和维护成本，并可以通过无线传感网络技术，更加精确实时地实现对桥梁健康状况的监測。


图1本发明的整体结构示意图。图2本发明电源管理部分结构示意图。图3本发明的振动能模块安装示意图(跨中截面)。图4本发明的太阳能模块与风能模块安装示意图。
图5本发明的时间短(ST)、时间中(MT)、时间长(LT)隶属函数分布图 图6本发明的短(S)、中等(M)、长(L)隶属函数分布图
具体实施例方式如图1所示，本发明包括电源收集和管理模块15、传感器模块1、微处理器模块6、无线通信模块7、无线路由节点8、报警模块5、电源收集和管理模块15与微处理器模块6、无线通信模块7连接，并为它们提供电能；传感器模块I中具有数字式无源传感器2和模拟量传感器3，数字式无源传感器2与微处理器模块6直接相连，模拟量传感器3经过信号调理电路4再与微处理器模块6连接，微处理器模块6与无线通信模块7连接，无线通信模块7通过无线将数据发送至无线路由节点8，并进而发送至中央监控室。
传感器模块I采集桥梁的荷载、表面形貌、结构強度等參数，并将參数传输至微处理器模块6，微处理器模块6对采集到的数据进行处理与存储、设定警戒值，当检测值超出设定警戒值时报警模块5发出现场报警信号，同时通过网络将报警信息传输到中央监控室，在中央监控室监控界面发出相应的报警信号。电源收集和管理模块收集桥体的振动能、风能、太阳能。电源收集和管理模块15中包括电能收集模块11、电源管理芯片10、超级电容9。电能收集模块11包括振动能模块12、风能模块13、太阳能模块14。电能收集模块11通过振动能模块12、风能模块13和太阳能模块14分别收集桥体的振动能、风能和太阳能，并转换为系统也即本装置可用电压等级，电能收集模块11连接电源管理芯片10，电源管理芯片10连接超级电容9，超级电容9连接微处理器模块6和无线通讯模块7并为其供电。如图3和图4所示，电能收集模块11中的风能模块13和太阳能模块14根据相关规定安装在桥梁的最佳位置，振动能模块12安装于桥梁的振动幅度较大的地方。由于桥梁本身的振动，振动能模块12中的振动条就会有电压输出，太阳能、风能、振动能输出的电能通过整流桥、滤波电路、稳压芯片连接至电源管理芯片LTC358810，由电源管理芯片LTC358810连接超级电容9，并对超级电容器9的充放电进行管理。进而由超级电容9为微处理器模块6、无线通信模块7提供电能，同时实现微处理器模块6 “运行”和“休眠”交替的工作模式。将超级电容9的输出电压连接至微处理器模块6的电压检测引脚，实时检测超级电容9的输出电压。利用模糊智能算法管理微处理器模块6的“运行”与“休眠”时间。由于采用的微处理器模块6、无线通信模块7的供应电压V都是3. 3V，当检测到超级电容9的电压V处于2. 5V 3. 3V的时候,微处理器模块6处于“运行”状态，当电压V低于
2.5V的时候，微处理器模块6处于“休眠”状态，超级电容9进行充电，在此期间记录电压V从3. 3V降至2. 5V的时间T，由智能模糊算法根据时间T确定微处理器模块6的休眠时间t，采用的智能模糊算法具体如下1、确定输入、输出的量的模糊分布对T的模糊子集选取三角形隶属函数I)、选定三个模糊子集时间短(ST)、时间中(MT)、时间长(LT)，用于涵盖输入量X的论域
，它们的隶属函数如下，其分布如图5所示ST (X) = (50-x) /50 0 ≤ x ≤ 50
权利要求
1.一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于它包括电源收集和管理模块(15)、传感器模块(I)、微处理器模块(6)、无线通信模块(7)、无线路由节点(8)、报警模块(5);电源收集和管理模块(15)与微处理器模块(6)、无线通信模块(7)连接，并为它们提供电能；传感器模块(I)中具有数字式无源传感器(2)和模拟量无源传感器(3)，数字式无源传感器(2)与微处理器模块(6)直接相连，模拟量无源传感器(3)经过信号调理电路(4)再与微处理器模块(6)连接，微处理器模块(6)与无线通信模块(7)连接，无线通信模块(7)通过无线将数据发送至无线路由节点(8)，并进而发送至中央监控室。
2.按权利要求1中所述的一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于电源收集和管理模块(15)中包括电能收集模块(11)、电源管理芯片(10)、超级电容(9);电能收集模块(11)包括振动能模块(12)、风能模块(13)、太阳能模块(14);电能收集模块(11)通过振动能模块(12)、风能模块(13)和太阳能模块(14)分别收集桥体的振动能、风能和太阳能，并转换为系统可用电压等级，电能收集模块(11)连接电源管理芯片(10)，电源管理芯片(10)连接超级电容(9)，超级电容(9)连接微处理器模块(6)和无线通讯模块(7)为其供电。
3.按权利要求1中所述的一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于在超级电容(9)输出电压同时连接至微处理器模块(6)的电压监测引脚，微处理器模块(6)会依据采集到的超级电容输出的电压，采用模糊智能算法管理自身的“运行”和“休眠”时间，实现微处理器模块(6) “运行”和“休眠”交替的工作模式。
4.按权利要求1中所述的一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于所述的传感器模块中的多个传感器同时连接至一个微处理器模块(6)。
5.按权利要求1中所述的一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于微处理器模块(6)连接报警模块(5)，当不同的监测值超出预定警戒值时，报警模块(5)实现现场报警，同时通过网络将报警信息传输到中央监控室，在中央监控室监控界面发出相应的报警信号。
6.按权利要求1中所述的一种多能源供给的无线桥梁健康监测装置，其特征在于无线通信模块(7)采用3G模块，无线通信模块(7)和无线路由节点(8)自组网。
全文摘要
本发明提供了多能源供给的无线桥梁健康监测装置。它包括电源收集和管理模块、传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、无线路由节点、报警模块；电源收集和管理模块与微处理器模块、无线通信模块连接，并为它们提供电能；传感器模块中的数字式无源传感器与微处理器模块直接相连，模拟量无源传感器经过信号调理电路再与微处理器模块连接，微处理器模块与无线通信模块连接，无线通信模块通过无线将数据发送至无线路由节点，并进而发送至中央监控室。本发明能够实现对环境中多种绿色能源的收集利用，无需额外的电源供应，是一种能量利用效率高、装置结构简单、数据采集精确度高、信息传输效率高的无线桥梁健康监测装置。
文档编号G01D21/02GK103017825SQ201210516060
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者杨秦敏, 刘宁, 卢建刚, 孙优贤, 邓毅, 陈积明 申请人:浙江大学