專利名稱：基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋼結構建筑檢測技術領域，尤其涉及一種適用于鋼結構施工階 段與使用階段的全天候安全檢測診斷的基于太陽能供電與傳感器技術的鋼結構 建筑無線檢測系統。
背景技術：
鋼結構建筑普遍在大型公共和工業建筑中使用，例如超高層建筑、大型體 育場館，機場，展覽館，大型工業廠房、大型橋梁等等。這一類公眾建筑的安 全性能要求極高，因此，無論在其施工安裝階段還是投入使用階段，掌握這一 類結構的振動、撓度、內力等參數的變化特性，適時診斷其安全性，對社會安 全生產和生活有著重大意義。
從結構力學的觀點，鋼結構建筑在施工階段或者病態工作階段，其整體或
者構件的振動、撓度、內力等各類參數相對于設計標準值而言會發生異常變化。 顯然，檢測這些參數的變化，可以判斷鋼結構建筑的正常工作情況。但是，按 目前現有的檢測手段，要及時更要時時掌握鋼結構建筑的工作狀況，存在很大 的局限性，更有大部分情況是不可實現的。
現有的檢測鋼結構是否處于安全工作狀況的相關技術主要情況如下
(1) 有線測量系統。傳統的土木結構測試系統，如光纖光柵測試系統、振 弦式測試系統，都是較熱門的測試系統，經過幾十年的發展，技術上已經相當 成熟。但是，復雜的線路布置使其缺陷非常明顯。此類傳統意義上的檢測系統 需要用到大量的線路來傳輸數據以及提供電能，因此需要在線路安裝上耗費大 量的時間和費用。對于大型鋼結構這類特殊建筑來講，由于跨度大、分布面廣， 建立一套有效的檢測系統，在安裝線路上所耗費的時間和費用相當大，隨著測 點的增加，其費用更是成倍增長。另外安裝復雜的線路在安全性方面不容易得 到保障，線路的斷線、故障等都會影響系統的穩定，而在結構施工階段、或者 有些特殊環境下，在結構上安裝線路甚至不可能實現。
(2) 無線測量系統。現有的無線測量系統在技術與功能上還有很大的局限性。有些無線測量系統在局部區域內仍然采用有線連接，只在中間設置數據采 集基站，再將采集到的數據以無線信號的形式發送出來，不能稱為嚴格意義上 的無線測量系統。另外，有些無線傳感系統在數據采集、處理及傳輸上均做到 了無線通訊，但在耗能、供能模式上都存在較大的缺陷。有些采用電池供電， 必然涉及到一個電池更換及使用壽命的問題，不能適用于真正的長期監測；有
些為了達到長期監測的需求，釆用日常電源，則勢必要引入線路進行供電，又 不能實現真正意義上的無線設計。
(3) 太陽能供電模塊。目前，太陽能作為全球主要能源之一，在各行各業 中都被普遍采用，也有少量應用于傳感技術領域。在土木建筑檢測行業中，尚 無將太陽能供電模式引入無線檢測系統，從而真正意義上實現完全零線路的無 線檢測系統設計，同時滿足自己供能的長期監測要求。
(4) 鋼結構建筑檢測系統。目前的土木建筑檢測行業中沒有專門針對鋼結 構建筑的專業檢測系統。而鋼結構建筑存在許多特殊性，比如鋼材材質比較特 殊、結構響應參數比較特殊、檢測測點無法埋入式安裝、建筑物相對跨度大分 布面廣等特性，決定了傳統的土木建筑檢測系統在使用上會碰到很大的局限性。 因此，迫切需要開發專業的適用于鋼結構建筑的檢測系統。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于太陽能供電與傳感 器的鋼結構建筑無線檢測系統。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 一種基于太陽能供電與傳感 器的鋼結構建筑無線檢測系統，它主要由計算機工作站、基站和若干個檢測單 元組成；基站包括單片機和與其相連的無線收發模塊；檢測單元主要由封裝在 防水磁鐵安裝盒內的太陽能供能模塊、無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模 塊組成；太陽能供能模塊分別與無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模塊相連， 無線收發模塊和傳感模塊均與中央處理模塊相連；計算機工作站采用串口或USB 口與基站的單片機相連，進行數據交互?；九c檢測單元通過無線收發模塊進 行數據的無線信號傳輸。
進一步地，所述太陽能供能模塊主要由太陽能電池板、充電保護控制器、 蓄電池、智能開關電路、穩壓模塊和能量信息模塊組成；其中，太陽能電池板、 充電保護控制器、蓄電池、智能開關電路和穩壓模塊依次相連，能量信息模塊 與蓄電池相連。進一步地，所述中央處理模塊主要由串口總線、中央處理芯片、儲存單元、 異步時鐘和數值分析模塊組成；其中，串口總線、儲存單元、異步時鐘和數值 分析模塊分別與中央處理芯片相連。
進一步地，所述傳感模塊主要由傳感元件、電壓放大器、濾波去噪器、模 數轉換器依次相連組成。
本發明的有益效果是，
1、 利用太陽能供電模式與無線通訊協議，在功能上做到真正意義上的零線路 布置，長期全天候工作；
2、 根據鋼結構建筑響應特性，實現各類物理參數的檢測；
3、 根據鋼材材質特性，實現表面快速無損安裝與拆卸；
4、 根據鋼結構建筑跨度大、分布面廣的特性，實現傳感器檢測測點的傳輸接 力、靈活組網。
圖l是本發明的整體結構框圖； 圖2是太陽能供能模塊結構框圖； 圖3是中央處理模塊結構框圖； 圖4是傳感模塊結構框圖； 圖5是本發明實施方案示意圖。
具體實施例方式
鋼結構是一種特殊的土木建筑結構，在施工階段或者病態工作階段，構件 內力、振動、溫度等參數都會發生異常變化。反之，通過檢測鋼結構的這些參 數，可以判斷鋼結構是否處于正常工作狀態，是否存在安全隱患。本發明系統 根據模塊化設計思路分為供能模塊、中央處理模塊、傳感模塊及無線收發模塊。 供能模塊通過太陽能板的光伏效應實現電能的收集、電量的存儲、智能開關與 穩壓輸出功能，從而保證整個系統運行的電能需求。本發明采用單晶硅與非晶 硅兩種采集方式，強光照射下，采用單晶硅太陽能板，弱光下則采用非晶硅太
陽能板，保證太陽能供電系統至少達到晴天9V， 200mA，陰天或室內9V， 40mA 的充電效率；中央處理模塊采用A加ega芯片系列，對系統各個模塊進行管理， 并實現簡單的數據處理、存儲、系統休眠等功能；傳感模塊由中央處理模塊控
5制，通過采用不同的傳感元件實現對鋼結構振動、應力、位移、溫度等各種參 數的檢測，將檢測到的模擬電壓信號進行模數轉換，轉變為數字信號輸出至中
央處理模塊；無線收發模塊采用zigbee通訊協議，由中央處理模塊控制，將無 線信號進行調制解調，并采用靈活的組網，實現對檢測數據、檢測命令的無線 通訊傳輸。將以上四大模塊集成安裝于保護盒中，釆用防水接頭與密封設計， 實現設備在晴雨天氣下的全天候工作，同時利用鋼結構的材質特性，設計磁鐵 安裝底盤，實現傳感裝置的無損快速拆卸。
下面結合附圖詳細說明本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。 如圖1所示，本發明基于太陽能供電與傳感器技術的鋼結構建筑無線檢測 系統主要由計算機工作站、基站和若干個檢測單元組成。基站包括單片機和與 其相連的無線收發模塊。檢測單元主要由封裝在防水磁鐵安裝盒內的太陽能供 能模塊、無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模塊組成；太陽能供能模塊分別 與無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模塊相連，無線收發模塊和傳感模塊均 與中央處理模塊相連。計算機工作站采用串口或USB 口與基站的單片機相連， 進行數據交互?；九c檢測單元通過無線收發模塊進行數據的無線信號傳輸。
檢測單元中，傳感模塊與鋼結構建筑檢測對象相連，中央處理模塊通過傳 感模塊獲取檢測數據并通過無線收發模塊進行信號傳輸與組網，太陽能供能模 塊則對無線收發模塊、中央處理模塊、傳感模塊進行供電。單個基本檢測單元 可根據測點數量、布置方案在鋼結構建筑檢測對象上進行靈活布置，各個基本 檢測單元之間可進行數據交互或傳輸接力，以實現靈活組網，并最終將數據傳 輸至基站。
如圖2所示，太陽能供能模塊主要由太陽能電池板、充電保護控制器、蓄 電池、智能開關電路、穩壓模塊和能量信息模塊組成，其中，太陽能電池板、 充電保護控制器、蓄電池、智能開關電路和穩壓模塊依次相連，能量信息模塊 與蓄電池相連。太陽能電池板可同時采用適合晴天強光的單晶硅太陽能板和適 合陰大或室內弱光的非晶硅太陽能板。太陽能電池板將光能轉變為電能，通過 充電保護控制器，對蓄電池進行充電，并可根據蓄電池的充電程度進行判斷， 以避免過充，損傷電池；蓄電池經由智能開關電路和穩壓模塊輸出電能，智能 開關電路根據蓄電池的電量進行智能判斷，實現低電壓切斷，高電壓輸出的功 能，而穩壓模塊起到電壓穩壓輸出的功能，以實現最終對無線信號發射模塊、 中央數據處理模塊與傳感模塊進行供能，能量信息模塊將電池電量信息輸出， 由傳感模塊的模數轉換器將其轉換為數字信號進行處理。
如圖3所示，中央處理模塊主要由串口總線、中央處理芯片、儲存單元、異步時鐘和數值分析模塊組成，其中，串口總線、儲存單元、異步時鐘和數值
分析模塊分別與中央處理芯片相連。中央處理芯片可以采用Atmega芯片系列， 通過串口總線控制無線收發模塊實現無線信號的收發與節點組網，通過串口總 線控制傳感模塊實現數據采集，控制儲存單元進行數據的存儲，控制數值分析 模塊實現簡單的數值分析與處理、通過異步時鐘可實現整個系統的休眠，以降 低功耗，延長系統工作時間。
如圖4所示，傳感模塊主要由傳感元件、電壓放大器、濾波去噪器、模數 轉換器依次相連組成；傳感元件可根據不同測量參數要求選用電阻應變片、加 速度傳感芯片、位移傳感元件、溫度傳感元件等，傳感元件與鋼結構建筑測量 對象直接相連，以模擬電壓信號的方式獲得檢測信息，通過電壓放大器，實現 信號放大，再經濾波去噪器進行數值濾波與去噪，最后經模數轉換器將電壓模 擬信號轉換為數字信號，通過串口總線傳輸給中央處理模塊，實現測試數據的 采集工作。
防水磁鐵包裝盒將無線信號發射模塊、太陽能供能模塊、中央處理模塊和 傳感模塊封裝為一個基本檢測單元。盒子采用防水設計，外露防水接口，太陽 能板與天線置于盒子外側，盒子安裝底盤采用磁鐵設計，利用鋼結構材質特性， 實現在鋼結構建筑檢測對象上的快速無損安裝。
本發明作為一種全天候工作、零線路連接的鋼結構快速無損檢測系統，與 現有的測試系統相比，安裝更方便、工作時間更長、鋼結構建筑針對性更強。
本發明的實施方案如圖5所示。
上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的 精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發 明的保護范圍。
權利要求
1、一種基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系統，其特征在于，它主要由計算機工作站、基站和若干個檢測單元組成。其中，所述基站包括單片機和與其相連的無線收發模塊。檢測單元主要由封裝在防水磁鐵安裝盒內的太陽能供能模塊、無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模塊組成；太陽能供能模塊分別與無線收發模塊、中央處理模塊和傳感模塊相連，無線收發模塊和傳感模塊均與中央處理模塊相連。計算機工作站采用串口或USB口與基站的單片機相連，進行數據交互?；九c檢測單元通過無線收發模塊進行數據的無線信號傳輸。
2、 根據權利要求1所述基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系 統，其特征在于，所述太陽能供能模塊主要由太陽能電池板、充電保護控 制器、蓄電池、智能開關電路、穩壓模塊和能量信息模塊組成。其中，太 陽能電池板、充電保護控制器、蓄電池、智能開關電路和穩壓模塊依次相 連，能量信息模塊與蓄電池相連。
3、 根據權利要求1所述基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系 統，其特征在于，所述中央處理模塊主要由串口總線、中央處理芯片、儲 存單元、異步時鐘和數值分析模塊組成。其中，所述串口總線、儲存單元、 異步時鐘和數值分析模塊分別與中央處理芯片相連。
4、 根據權利要求1所述基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系 統，其特征在于，所述傳感模塊主要由傳感元件、電壓放大器、濾波去噪 器、模數轉換器依次相連組成。
全文摘要
本發明公開了一種基于太陽能供電與傳感器的鋼結構建筑無線檢測系統，它主要由計算機工作站、基站和若干個檢測單元組成；計算機工作站采用串口或USB口與基站的單片機相連，進行數據交互，基站與檢測單元通過無線收發模塊進行數據的無線信號傳輸。本發明利用太陽能供電模式與無線通訊協議，在功能上做到真正意義上的零線路布置，長期全天候工作；根據鋼結構建筑響應特性，實現各類物理參數的檢測；根據鋼材材質特性，實現表面快速無損安裝與拆卸；根據鋼結構建筑跨度大、分布面廣的特性，實現傳感器檢測測點的傳輸接力、靈活組網。
文檔編號G01M99/00GK101520381SQ20091009698
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者沈雁彬, 羅堯治 申請人:浙江大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
