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：
本实用新型属于桥梁健康监测技术领域，具体涉及一种多种绿色能源供给，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一些损害，一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术，观测和分析桥梁的各种结构状况，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、采用电池或者单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，增加了系统的功耗；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、模/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。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一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、供电电源单一、功耗较大的不足。为此，本实用新型采用以下技术方案:一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�？椤⒋衅髂？�、微处理器�？椤⑽尴咄ㄐ拍？�、无线路由节点、报警�？椋坏缭词占凸芾砟？橛胛⒋砥髂？�、无线通信�？榱樱⑽翘峁┑缒埽淮衅髂？橹芯哂惺质轿拊创衅骱湍Ｄ饬看衅鳎质轿拊创衅饔胛⒋砥髂？橹苯酉嗔Ｄ饬看衅骶藕诺骼淼缏吩儆胛⒋砥髂？榱樱⒋砥髂？橛胛尴咄ㄐ拍？榱樱尴咄ㄐ拍？橥ü尴叩缃莘⑺椭廖尴呗酚山诘悖⒔⑺椭林醒爰嗫厥�。在采用上述技术方案的基础上，本实用新型还可采用以下进一步的技术方案:电源收集和管理�？橹邪ǖ缒苁占？椤⒌缭垂芾硇酒�、超级电容；电能收集�？榘ㄕ穸苣？�、风能�？�、太阳能模块；电能收集�？橥ü穸苣？�、风能�？楹吞裟苣？榉直鹗占盘宓恼穸�、风能和太阳能，并转换为系统可用电压等级，电能收集�？榱拥缭垂芾硇酒缭垂芾硇酒映兜缛荩兜缛萘游⒋砥髂？楹臀尴咄ㄑ赌？槲涔┑�。在超级电容输出电压同时连接至微处理器�？榈牡缪辜嗖庖牛⒋砥髂？榛嵋谰莶杉降某兜缛菔涑龅牡缪梗捎媚：悄芩惴ü芾碜陨淼摹霸诵小焙汀靶菝摺笔奔洌迪治⒋砥髂？椤霸诵小焙汀靶菝摺苯惶娴墓ぷ髂Ｊ�。所述的传感器�？橹械亩喔龃衅骺赏绷又烈桓鑫⒋砥髂？�。微处理器�？榱颖ň？椋辈煌募嗖庵党鲈ざň渲凳保ň？槭迪窒殖”ň蓖ü缃ň畔⒋涞街醒爰嗫厥遥谥醒爰嗫厥壹嗫亟缑娣⒊鱿嘤Φ谋ň藕�。无线通信�？椴捎�3G�？椋尴咄ㄐ拍？楹臀尴呗酚山诘闶迪肿宰橥�。所述无源传感器�？榘ǘ郧帕旱暮稍�、表面形貌、结构强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�？橹杏惺至课拊创衅骱湍Ｄ饬课拊创衅�。对部分参数的测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�？椋圆糠植问牟饬坎捎檬至课拊创衅鳎扌柚屑涞男藕诺骼淼缏罚苯恿又廖⒋砥髂？�。从而减少了中间的电路，减少了干扰，使整个装置更加稳定可靠。所述微处理器�？楦涸鸲源衅魉杉降氖萁写碛氪娲�、设定警戒值，当监测值超出设定警戒值时报警�？榫头⒊鱿嘤Φ南殖”ň藕藕图嗫厥冶ň藕�。微处理器�？榻砉男畔⒂胧荽渲廖尴咄ㄐ拍？�。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�？榈摹霸诵小庇搿靶菝摺笔奔洌沟缒艿墓┯Υ锏阶罴炎刺�。所述无线通讯�？楹臀⒋砥髂？橄嗔樱纱衅鞑杉⒕⒋砥髂？榇砗蟮氖荩ü尴咄ㄑ赌？槭凳钡胤⑺偷轿尴呗酚山诘恪Ｋ鑫尴呗酚山诘闶迪趾投喔鑫尴咄ㄑ赌？榻凶橥橹尚切挝尴咄缤仄私峁梗邮绽醋郧帕翰煌恢玫牟煌菁嗖庑畔ⅲ⒔荽渲林醒爰嗫厥�。本实用新型的有益效果是，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测。
图1本实用新型的整体结构示意图。图2本实用新型电源管理部分结构示意图。图3本实用新型的振动能�？榘沧笆疽馔�(跨中截面)。图4本实用新型的太阳能�？橛敕缒苣？榘沧笆疽馔肌Ｍ�5为本实用新型的时间短(ST)、时间中(MT)、时间长(LT)的隶属函数分布图。图6为本实用新型的短(S)、中等(M)、长(L)的隶属函数分布图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括电源收集和管理�？�15、传感器模块1、微处理器�？�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�？�15与微处理器�？�6、无线通信�？�7连接，并为它们提供电能；传感器�？镮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�？�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�？�6连接，微处理器�？�6与无线通信�？�7连接，无线通信�？�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�？镮采集桥梁的荷载、表面形貌、结构强度等参数，并将参数传输至微处理器模块6，微处理器�？�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�？�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�？�15中包括电能收集�？�11、电源管理芯片10、超级电容9。电能收集�？�11包括振动能�？�12、风能�？�13、太阳能�？�14。电能收集�？�11通过振动能�？�12、风能�？�13和太阳能�？�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�？�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�？�6和无线通讯�？�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�？�13和太阳能�？�14根据相关规定安装在桥梁的最佳位置，振动能�？�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�？�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�？�7提供电能，同时实现微处理器�？�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�：悄芩惴ü芾砦⒋砥髂？�6的“运行”与“休眠”时间。由于采用的微处理器�？�6、无线通信�？�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�？�6处于“运行”状态，当电压V低于2.5V的时候，微处理器�？�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�：惴ǜ菔奔銽确定微处理器�？�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�：植级訲的�：蛹∪∪切瘟ナ艉齀)、选定三个�：蛹�:时间短(ST)、时间中(MT)、时间长(LT)，用于涵盖输入量X的论域[0，100]，它们的隶属函数如下，其分布如图5所示:ST (X) = (50-x) /50O 彡 x 彡 50
Γ π X/50O < X < 50MT(X) = -1 丨,
1(100-λ.)/50 50 < K 100LT (χ) = (χ-50)5050〈χ 彡 1002)、选定三个�：蛹鞘涑隽縯的论域[0，40] -M⑶、中等(M)、长(L)，它们的隶属度函数如下，其分布如图6所示:S(t) = (10-t) 10O 彡 t〈10
//10 0</< 10M(t) = I
[(25-0/15 10 </<25L(t) = (t-10) 1510〈t 彡 25[0036]2、建立�：嬖蚋菹喙氐木榭梢怨槟勺芙嵋韵氯跄：嬖�:“电压V从3.3V降至2.5V的时间T短，微处理器�？樾菝叩氖奔鋞设为短”“电压V从3.3V降至2.5V的时间T中等，微处理器�？樾菝叩氖奔鋞设为中等”“电压V从3.3V降至2.5V的时间T长，微处理器�？樾菝叩氖奔鋞设为长。规则表如下:
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�？�(15)、传感器�？�(I)、微处理器模块￠)、无线通信�？�(7)、无线路由节点(8)、报警�？�(5);电源收集和管理模块(15)与微处理器�？�(6)、无线通信�？�(7)连接，并为它们提供电能；传感器�？�(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�？�(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�？�(6)连接，微处理器�？�(6)与无线通信�？�(7)连接，无线通信�？�(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�？�(15)中包括电能收集�？�(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�？�(12)、风能�？�(13)、太阳能�？�(14);电能收集�？�(11)通过振动能�？�(12)、风能�？�(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�？�(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�？�(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�？椤�)的电压监测引脚。
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�？�(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�？�(6)连接报警�？�(5)，当不同的监测值超出预定警戒值时，报警�？�(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�？�(7)采用3G�？椋尴咄ㄐ拍？�(7)和无线路由节点(8)自组网。
专利摘要本实用新型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�？�、传感器�？�、微处理器�？�、无线通信模块、无线路由节点、报警�？椋坏缭词占凸芾砟？橛胛⒋砥髂？�、无线通信�？榱樱⑽翘峁┑缒埽淮衅髂？橹械氖质轿拊创衅饔胛⒋砥髂？橹苯酉嗔Ｄ饬课拊创衅骶藕诺骼淼缏吩儆胛⒋砥髂？榱樱⒋砥髂？橛胛尴咄ㄐ拍？榱樱尴咄ㄐ拍？橥ü尴呓莘⑺椭廖尴呗酚山诘悖⒔⑺椭林醒爰嗫厥�。本实用新型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G01D21/02GK203083608SQ20122066312
公开日2013年7月24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
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