CN201465278U

CN201465278U - 远程无线监测系统

Info

Publication number: CN201465278U
Application number: CN2009200657111U
Authority: CN
Inventors: 李恩民; 何俊俊
Original assignee: Changsha Tongsheng ELectronic Technology Co Ltd
Current assignee: Changsha Tongsheng ELectronic Technology Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-08-26

Abstract

本实用新型公开了一种远程无线监测系统，包括传感器模块、无线传输模块和与之连接的采集终端，其中传感器模块的信号输出端接入无线传输模块的信号输入端，所述传感器模块包括位于待测点的应变片桥式电路和单片机，其中应变片桥式电路的输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储芯片以及温度芯片。本实用新型所述远程无线监测系统能远程传输应变信息，实现了对受地质限制的工程的远程监测，同时该系统便于安装，且运行稳定可靠。

Description

远程无线监测系统

技术领域

本实用新型是一种远程无线监测系统，具体是一种应用于岩土工程类的安全监测，例如桥梁、隧道、地铁、边坡等岩土工程监测领域的远程无线监测系统。

技术背景

电阻应变片式传感器是以电阻应变片为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器(见转矩传感器)、应变式位移传感器(见位移传感器)、应变式加速度传感器(见加速度计)和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它广泛应用于水利水电、铁路、交通、建筑监测中。

但现在的电阻应变片式传感器具有如下缺点：

1)传感器一般于大应变有较大的非线性、输出信号较弱以致误差放大；

2)传感器前端是实测电压值，还得依据人工标定曲线才能得出被测物理量，速度慢且容易疲乏更容易出错；

3)传感器前端都是模拟信号非数字信号，不能远程传输；

4)传感器只有人工编号，不能智能的与产品共存，不便于数据的整理及分类，容易混淆。

5)产品都在野外运用有钢架结构或者水利大坝等重雷区，都容易遭受雷击。

而在桥梁和隧道等岩土工程的监测领域，不仅仅需要现场检测，还需要能够克服现场施工难度，实现远程无线实时监测，因此当前急需要一种能够实现远程监测的应变采集监测系统。

实用新型内容

针对上述现有技术，本实用新型目的旨在提供一种远程无线监测系统，能远程传输应变信息，实现对受地质限制的工程进行远程监测，同时该系统能方便安装，且运行稳定可靠。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种远程无线监测系统，包括传感器模块、无线传输模块和与之连接的采集终端，其中传感器模块的信号输出端接入无线传输模块的信号输入端，本实用新型的技术特征在于所述传感器模块包括位于待测点的应变片桥式电路和单片机，其中应变片桥式电路的输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储芯片以及温度芯片，可以同时检测该测点的温度以及存储数据。

上述应变片桥式电路可以为由四个应变片接成的桥式结构，也可以为由两个应变片与两个标准电阻连接成的半桥式结构。

由于直流半桥具有以下优点：高稳定度的直流电压源易于获得；半桥电路还可以通过补偿片对测量片进行直接的温度补偿；调节平衡电路简单；传感器对测量电路的分布参数影响小。所以，本系统优选采用直流半桥电路。

根据实施例的优选方案，所述温度芯片为DS18B20型温度计芯片。所述单片机采用的是芯片STC89C58RD。

常规的无线传输模块一般工作电流都比较大，因此本系统采用的无线传输模块为西门子的SIM300，主要是考虑该模块运行稳定，且该模块有休眠功能，可以在野外恶劣环境下节省电量。该系统的无线传输模块包括：SIM300模块以及温度采集电路，存储电路，防雷电路，输入输出电路和时钟同步电路等外围电路。

本实用新型所述传感器模块是将电阻应变片粘贴在传感器的特有钢材的弹性面(该钢材有一定弹性度，保证能随测量体变化而变化，但一般静止不动，随温度及外接变化小的特性)，将电阻应变片牢固地粘贴在被测钢材某一测点处，随着钢铁发生变形，其形变传递到特有钢材，从而应变片电阻值也产生相应变化。测得的电阻值的改变量，即可计算得到测点处沿应变片方向的线应变值。由于待测点的应变量一般较小(以10^-6量级计)，引起应变片相应电阻的变化量也很小，采用半桥式直流电路来测量，即将应变片或应变片与标准电阻接成桥式电路，它将应变片的电阻信号转化为电压信号。

传感器模块根据采集到的模拟电压，结合标定表计算得出直接物理量，无需二次换算。无线传输模块再将此物理量及其他数据打包发送到附近移动无线网络基站。移动基站再跟internet网络相连接，在无线传输模块发送数据包的时候都有目标地址，即internet公网的ip地址。

数据通过TCP/IP协议的相应端口进入数据采集软件。软件再对其数据包有效字段解析。

传感器模块内可设置电子电位器，以调整零点电压，从而可以调整量程，也可以方便测量计算。在传感器模块中的存储芯片还存储有标定信息表，即：发生多少的应变值对应多大的电压差值。传感器模块采集到电压差后，再逆向推算计算出应变值。

上述无线传输模块与传感器模块拆分安装，不受距离限制，便于操作者根据现场调整，且每一个传感器模块拥有一个全球唯一编号。

本系统在原有无线传输模块的基础上，还实现了如下功能：一、时钟同步功能，通过与管理端保持时间同步，系统到达某一时刻时会自动对前端模块进行数据采集。二、增加了可扩展性接口，可以实现与Zigbee与以太网的外接。

综上所述，本实用新型所述远程无线监测系统能够远程传输应变信息，对受地质限制的工程进行远程监测，同时该系统便于安装，且运行稳定可靠。

附图说明

图1是应变片桥式电路示意图；

图2是传感器模块中的应变片安装示意图；

图3是传感器模块原理示意图；

图4是无线传输模块的原理示意图；

图5是数据通信链路示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

一种远程无线传输监测系统，由传感器模块、无线传输模块、监控主机(数据采集管理软件)三部分组成。传感器模块主要负责采集数据，并将采集的数据进行模/数转换，在加入通信协议以便进行远程数据传输。无线传输模块主要负责远程无线通信数据的发送和接收，以及和监控主机保持时钟同步；监控主机通过发布命令，实时采集传感器数据，并将接收的数据保存到后台数据库。

应变片桥式结构如图1所示，若R1、R2为应变片，R3、R4为标准电阻，则应变片和标准电阻构成半桥结构；若R1、R2、R3、R4均为应变片，则构成全桥结构。本实施例中的传感器模块为应变片和电阻构成的半桥结构。

当电桥的四个桥臂的电阻值满足：

\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{R_{3}}{R_{4}}

这一关系时，电桥平衡，即B、D间没有电压。当其中某一电阻发生变化时，电桥失去平衡，从而B、D间有电压U_BD。且通过电子电位器保证U_BD为正便于放大信号。根据U_BD的大小可以计算相应的电阻变化量以及相应的线应变大小。电压的变化U_BD大小与被测钢材的形变量有一定的线性关系。通过采集终端作为输入装置对传感器模块进行基本配置以及设定其相应参数，且把标定表存储于传感器模块内的存储芯片，传感器模块每次读取到电压U_BD模块的MCU再根据标定表计算出被测钢铁测点的微应变量，从而可以测量出被测钢铁测点的所受的力，或者是所受的压强也可为直接测微应变。

常规应变传感器输出的一般为电压值输出电压值，还要经过换算才能得到物理量，且调平衡电路复杂(手动电阻器更加不稳定，该模块调零是采用的电子电位器)，也不能得到测点温度。本实施例中传感器模块能有效解决上述问题，并且具有温度补偿的功能，测量精度可以提高一个等级。

当传感器模块把应变量转化成数字信号后，再发送到无线传输模块，无线传输模块利用的是现有的GSM网络或者是CDMA网络。本实施例所述无线传输模块利用内部GPRS模块与移动(或联通)建立连接，以通过移动与internet建立连接，而整个跟踪信息的就是IP地址(或者是域名)，所以在无线传输模块内的数据都是往一个IP地址(或域名)发送。当软件终端与无线传输模块建立链接后就可以相互通信，无线传输模块将传感器模块的数据发送到相对应的IP地址(或域名)，然后上层软件对数据的解析。

本实施例所述传感器模块中的应变片安装方法如图2所示，补偿片R3、R4位于弹性体的非应变区域，而应变片位于弹性体的应变区域，因此，当应变片因受力关系而发生形变时，R1和R2随着测点形变而使得电阻发生相应变化，R3和R4变化很小，导致出现U_BD发生变化.实际中R3、R4温度补偿片是贴在与被测构件材料相同但不受力的试件上的应变片，该应变片充当温度补偿电阻用.在测量过程中，补偿片应放置在被测点附近，以保证当环境温度改变时，测量片和补偿片的电阻R1和R2为将发生相同的变化而不至于影响电桥的平衡.

无线传输模块通过485转232或者485转usb转换器与pc机相连，进行通信，这样可以便于操作者根据实际情况，利用PC机作为输入装置修改IP终端地址(或者域名)以及传感器模块的标定表的设置。同时还可以对无线传输模块进行扩展，例如外接zigbee或者以太网。

所述传感器模块也可以扩展或改成不同的产品，例如测力类传感器及测压强类传感器及形变类传感器。

本实施例中传感器模块原理如图3所示：

由传感器模块中应变片采集的电压接入到电路中，双极性信号加到单电源模数转换器AD623上后，输出单源电压，单电源模数转换器AD623可以去除共模电压，并对输入信号中的有用信号放大100倍。放大后的信号再通过16位的模数转换芯片ADS1100A0IDBVT进行模数转换，通过IIC通信协议与单片机STC89C58RD通信，将采集的应变电压输入单片机。

在单片机的一个端口还接有位于应变片应变位置的温度计，用来实时监测该点温度的变化，其主要是为了提供温度补偿的数据，进一步补充完善监测数据信息。

单片机读取存储在存储芯片内的标定表，结合采集到的应变电压，最后输出形变量。

所述应变片的输入端连接有电子电位器。操作者可通过调整电子电位器的电阻，达到调整电桥平衡的效果，保证初始读取电压为零，起到调零作用。

由于传感器模块与无线传输模块之间的信息都是为了适应现场可能情况变化，12V到5V的压降以及RS485的通讯距离都可适应远距离通信。

无线传输模块的原理如图4所示，传感器模块将采集到的数据通过RS485协议发送给无线传输模块中的双串口单片机的一个串口，中间用上RS485转232协议，单片机STC485EESA主要完成的功能是将数据从串口1(TX1/RX1)收到且通过串口2(TX2/RX2)发送到无线传输模块，时钟芯片通过单片机的P12和P13模拟scl时钟线和sda数据线，分别给读取的数据提供时间记录，以及可以完成到时间点自动测量的功能。18B20型温度计芯片不仅可以提供无线传输模块的温度，且能提供16位编号唯一编号给无线传输模块，可防止人为混淆。单片机可以给传感器模块设置自编号，便于记忆模块的信息，传感器模块的自编号信息以及自动读取的时间及无线传输模块上线配置信息都是设置在存储芯片24C256里，单片机与存储芯片24C256的通信也采用的是IIC通信协议，端口P12和P13模拟scl时钟线和sda数据线，区分时钟芯片依靠他们的地址位不同。

本实施例中无线传输模块采用的是西门子的SIM300模块，其是一款体积小巧、采用板对板连接器的三频/四频GSM/GPRS模块，可广泛应用于无线公话、商话、接入台等WLL应用，车载应用、远程抄表、安全监控、遥控遥测等M2M(机器对机器)应用，以及手持设备等应用领域。在跟电脑客户端相连前先需建立连接，SIM需要配置其服务器地址，以及发送到的终端IP地址或者域名，以及其方便识别的自编号以及网络端口号。

需要建立连接时，单片机按SIM300需要的AT命令发送命令。建立连接后，传感器模块采集到的数据可以任意与采集终端通讯。没建立连接就不能通信传数据，每隔10分钟重新发送建立连接的命令一次，直至连接成功。

建立连接后的数据通信链路如图5所示，为了解决每次重新拨号或接入因特网的公网IP是随机产生的问题，本实施例采用了花生壳的域名解析功能，及每次连接不以IP地址为目的地，而是在电脑终端运行花生壳软件，在花生壳服务器上则可知道该采集终端上网的公网IP。因特网进入路由后主要是根据事先约定的端口号，经路由将相应的端口号映射到局域网内的相应IP。

Claims

1.一种远程无线监测系统，包括传感器模块、无线传输模块和与之连接的采集终端，其中传感器模块的信号输出端接入无线传输模块的信号输入端，其特征是，所述传感器模块包括位于待测点的应变片桥式电路和单片机，其中应变片桥式电路的输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储芯片以及温度芯片。

2.根据权利要求1所述远程无线监测系统，其特征是，所述应变片桥式电路采用的是直流半桥电路。

3.根据权利要求1或2所述远程无线监测系统，其特征是，所述温度芯片为DS18B20型温度计芯片。

4.根据权利要求1或2所述远程无线监测系统，其特征是，所述单片机采用的是芯片STC89C58RD。

5.根据权利要求1或2所述远程无线监测系统，其特征是，所述无线传输模块采用的是西门子的SIM300。