一種基于psd算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種應(yīng)用于重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。它包括傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、和電源模塊。系統(tǒng)工作在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處，傳感采集模塊對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行采集，獲得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理后，由數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，為基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過(guò)PSD算法移植，和低噪聲設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)能耗，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜、苛刻的監(jiān)測(cè)環(huán)境。
【專利說(shuō)明】一種基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)和預(yù)警控制技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁、隧道等重大基礎(chǔ)設(shè)施在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)期由于材料老化，其結(jié)構(gòu)性能將不斷退化，導(dǎo)致其安全性不斷降低；與此同時(shí)，各種自然災(zāi)害(臺(tái)風(fēng)、洪水、地震)、人為災(zāi)害(交通事故、恐怖活動(dòng))以及持續(xù)的交通荷載也將導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各類損傷，可能產(chǎn)生基礎(chǔ)設(shè)施突然垮塌事故，危害公共安全，造成國(guó)家、人民生命財(cái)產(chǎn)損失。此外，在對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，因?yàn)槿狈υO(shè)施結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，養(yǎng)護(hù)過(guò)程往往代價(jià)很大，卻收效甚微。因此，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，能夠在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)時(shí)立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而及時(shí)采取措施。在對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，能夠確切判斷出基礎(chǔ)設(shè)施的損傷位置，損傷情況，使得養(yǎng)護(hù)措施能夠更加精確，更加有效，不僅能夠提高基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)安全，還能夠大幅降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。
[0003]目前我國(guó)大部分重大基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁等，都部署了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一般都包括對(duì)振動(dòng)信息的監(jiān)控。然而，目前已經(jīng)實(shí)施的用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)控裝置均存在一系列局限性，其一，抗干擾能力差，基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常運(yùn)行在復(fù)雜的外界環(huán)境中，在各種因素的影響下，梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總是受到噪聲的干擾，結(jié)構(gòu)的大量狀態(tài)信息淹沒(méi)在噪聲之中，導(dǎo)致?lián)p傷識(shí)別率偏低，使得無(wú)法直接通過(guò)采樣信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷；其二，供能受限，系統(tǒng)壽命較短。針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控，往往需要采集的數(shù)據(jù)量巨大，在數(shù)據(jù)處理和傳輸過(guò)程中，能耗非常多，而受限于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)環(huán)境，很多振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)往往需要電池供電，而在基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行電池更換是非常不方便的，這就使得設(shè)備的工作壽命大大縮短；其三，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。受限于能耗和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，目前應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法做到對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0004]因此，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，需要一種全新的振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)低功耗、低噪聲、實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和方法。針對(duì)前述振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的應(yīng)用于重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，低噪聲、低功耗、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，適用于復(fù)雜環(huán)境的重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，包括傳感采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，和電源模塊；
[0007]所述傳感采集模塊，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一組三維方向的加速度數(shù)值；
[0008]所述數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)傳感采集模塊中輸出的三維方向的加速度數(shù)值進(jìn)行預(yù)處理，并采用PSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出一組功率譜密度數(shù)據(jù)，再對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，輸出一組通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包；
[0009]所述數(shù)據(jù)通信模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊中打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；
[0010]所述電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。
[0011]所述傳感采集模塊利用低噪聲加速度傳感器對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)以電壓的形式進(jìn)行放大、濾波處理后，再按10-280HZ的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維方向的加速度數(shù)值輸出。
[0012]本發(fā)明的改進(jìn)是:所述傳感采集模塊中的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)采集方法:采用三片M1221芯片，相互垂直焊接，X、Y、Z三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)被獨(dú)立采集，并通過(guò)不同的通道發(fā)送至核心芯片進(jìn)行處理，形成一個(gè)三維方向的加速度采集系統(tǒng)。
[0013]所述傳感采集模塊中對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是連續(xù)的；所述傳感采集模塊接受數(shù)據(jù)處理模塊的配置參數(shù)，所述參數(shù)包括采樣頻率、濾波器截止頻率。
[0014]所述電源模塊的電源可以是電池供電、太陽(yáng)能供電和風(fēng)力供電中的一種或兩種以上的組合。
[0015]所述數(shù)據(jù)通信模塊采用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)設(shè)備有線連接發(fā)送數(shù)據(jù)，或者采用Zigbee協(xié)議與基站設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信發(fā)送數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)通信模塊傳輸過(guò)程中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，所述數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、加速度方向、傳感數(shù)據(jù)域。
[0016]本發(fā)明還提供一種基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，所述傳感采集模塊，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一組三維方向的加速度數(shù)值；所述數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)傳感采集模塊中輸出的三維方向的加速度數(shù)值進(jìn)行預(yù)處理，并采用PSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出一組功率譜密度數(shù)據(jù)，再對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，輸出一組通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包；所述數(shù)據(jù)通信模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊中打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；安裝在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集；采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)以電壓的形式進(jìn)行放大、濾波處理后，按10-280ΗΖ的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維加速度數(shù)值；三維加速度數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)PSD計(jì)算后，獲取振動(dòng)的頻域信息，得到效率更高的PSD數(shù)據(jù)；PSD數(shù)據(jù)被發(fā)送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理，可以清晰的知道基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基波頻率；由此可以用來(lái)計(jì)算應(yīng)變模態(tài)或應(yīng)變拉力，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)振動(dòng)基波頻率的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能直接地反映出測(cè)量結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化或異常。
[0017]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊中的傅里葉變換和功率譜密度PSD計(jì)算方法:首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢查和分配存儲(chǔ)空間，然后根據(jù)配置的參數(shù)設(shè)置選擇通道與選擇窗口，使用改進(jìn)的離散傅里葉變換算法構(gòu)成的功率譜密度計(jì)算函數(shù)計(jì)算窗口內(nèi)的頻譜并保存，在計(jì)算完所有窗口與通道的數(shù)據(jù)后發(fā)送計(jì)算結(jié)束信號(hào)。
[0018]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)通信模塊采用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)設(shè)備有線連接發(fā)送數(shù)據(jù)，或者采用Zigbee協(xié)議與基站設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信發(fā)送數(shù)據(jù)；且所述數(shù)據(jù)通信模塊傳輸過(guò)程中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，所述數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、加速度方向、傳感數(shù)據(jù)域。[0019]進(jìn)一步的，所述電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓。
[0020]本發(fā)明將低噪聲加速度傳感器移植于實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，解決傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中抗噪性能差，損傷識(shí)別率偏低的問(wèn)題。系統(tǒng)中使用的加速度傳感器是一款低成本的、集成的加速度傳感芯片，應(yīng)用于中頻以下的儀表設(shè)計(jì)，具有極低的噪聲系數(shù)。對(duì)加速度的測(cè)量范圍可達(dá)_2g?+2g，具有較低的溫度敏感性和熱梯度，內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。其內(nèi)部集成了傳感器、放大器和差分輸出級(jí)，可以穩(wěn)定工作在-55?+125°C。非常適合橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明將PSD算法移植于數(shù)據(jù)處理模塊，大大降低系統(tǒng)工作時(shí)的能耗。傅里葉變換和功率譜密度(PSD)函數(shù)包含著信號(hào)的基本頻域信息，以及動(dòng)力系統(tǒng)的性能。而當(dāng)采樣頻率和其他用戶設(shè)定一定時(shí)，處理后的數(shù)據(jù)量恒定(與采集數(shù)據(jù)量的大小和時(shí)間無(wú)關(guān))。所以，當(dāng)系統(tǒng)要求不需要空間信息時(shí)，利用數(shù)據(jù)處理模塊處理原始數(shù)據(jù)得到僅包含頻域特性的數(shù)據(jù)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)中心能夠大大降低發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量及時(shí)間。而通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的大部分能量消耗都是在數(shù)據(jù)通信模塊，數(shù)據(jù)通信模塊在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)要比數(shù)據(jù)處理模塊執(zhí)行計(jì)算時(shí)消耗更多的電能。因此，通過(guò)采用PSD算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，能夠在不損失數(shù)據(jù)有效性的情況下，大大降低系統(tǒng)能耗。
[0023]本發(fā)明中，低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)全天候?qū)崟r(shí)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控。基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)的每一秒狀態(tài)信息均會(huì)被采集、處理，最終送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析，以應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)期間的各種突發(fā)情況。
[0024]本發(fā)明通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)信息的采集、處理、傳輸，使得基礎(chǔ)設(shè)施管理部門獲得基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，為基礎(chǔ)設(shè)施維修、養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)支撐，為應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)支持。
[0025]本發(fā)明通過(guò)PSD低功耗算法移植，降低監(jiān)控系統(tǒng)整體能耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，節(jié)省監(jiān)控開(kāi)支。
[0026]本發(fā)明通過(guò)低噪聲設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)抗干擾能力，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、有效性。提高對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)探測(cè)的損傷識(shí)別率，提高維修、養(yǎng)護(hù)的效率。
[0027]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，不但大大提高數(shù)據(jù)有效性，還使得系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)自然、人為災(zāi)害等各種突發(fā)情況。使危機(jī)處理有據(jù)可依。
[0028]本發(fā)明依靠先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)，減少勞動(dòng)力，在基礎(chǔ)設(shè)施維修、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中降低人為因素造成的誤差。
[0029]本發(fā)明的應(yīng)用于重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康領(lǐng)域的低噪聲實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，有其內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。采用低噪聲設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，增加損傷識(shí)別率。采用低功耗算法移植，降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。其實(shí)時(shí)監(jiān)控的特點(diǎn)，可以有效應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)期間各種緊急突發(fā)情況。這些諸多優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)復(fù)雜、惡劣、多樣的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)環(huán)境。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖；
[0031]圖2是系統(tǒng)工作流程圖；[0032]圖3是傳感采集模塊電路原理框圖；
[0033]圖4是系統(tǒng)整體電路原理框圖；
[0034]圖5是數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖；
[0035]圖6是PSD算法流程圖。
具體實(shí)施方案
[0036]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)闡述，但本系統(tǒng)應(yīng)用范圍不限于此例。
[0037]結(jié)合圖1，本實(shí)例所述系統(tǒng)包括傳感采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，和電源模塊。傳感采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，A/D轉(zhuǎn)換等處理，輸出一組三維方向的加速度數(shù)值。除此之外，傳感采集模塊能夠接受數(shù)據(jù)處理模塊的配置參數(shù)，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)要求，對(duì)采樣頻率、濾波器截止頻率等參數(shù)進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)處理模塊接受來(lái)自傳感采集模塊的加速度數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)處理后，進(jìn)行PSD計(jì)算，計(jì)算得到一組功率譜密度數(shù)據(jù)，并對(duì)這組數(shù)據(jù)按既定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，其輸出是一組通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)通信模塊從內(nèi)存中取出打包好的數(shù)據(jù)包，通過(guò)TCP/IP協(xié)議或者Zigbee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。其通信方式可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，進(jìn)行選擇。其傳輸過(guò)程中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、加速度方向以及傳感數(shù)據(jù)域，與采用的數(shù)據(jù)傳輸類型無(wú)關(guān)。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓，其電源可以是電池供電，太陽(yáng)能供電，風(fēng)能供電，或幾者互補(bǔ)，供電方式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境進(jìn)行選擇。
[0038]結(jié)合圖2，將本實(shí)例安裝在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)以電壓的形式進(jìn)行放大、濾波等處理后，按一定的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維加速度數(shù)值。三維加速度數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)PSD計(jì)算后，獲取振動(dòng)的頻域信息，得到效率更高的PSD數(shù)據(jù)。PSD數(shù)據(jù)被發(fā)送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理，可以清晰的知道基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基波頻率。由此可以用來(lái)計(jì)算應(yīng)變模態(tài)或應(yīng)變拉力，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)振動(dòng)基波頻率的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能直接地反映出測(cè)量結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化或異常。
[0039]結(jié)合圖3,所述傳感采集模塊采用的核心芯片QF4A512是Quickfliter公司設(shè)計(jì)的4通道可編程信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，芯片本身集成了放大、抗混疊濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理單元?？蓪?duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行最大16位字長(zhǎng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及512階高精度FIR濾波。支持4路相互獨(dú)立的模擬信號(hào)輸入。其采樣字長(zhǎng)、濾波器參數(shù)等可通過(guò)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)QF4A512采樣處理得到的數(shù)字信號(hào)。傳感器芯片采用SILICON DESIGNS公司設(shè)計(jì)的M1221低噪聲加速度芯片，將M1221芯片移植于QF4A512芯片的前端。對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)，通常要采集三維方向的加速度數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)采用三片M1221芯片，相互垂直焊接。X、Y、Z三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)被獨(dú)立采集，并通過(guò)不同的通道發(fā)送至QF4A512芯片進(jìn)行處理，形成一個(gè)三維的加速度采集系統(tǒng)。傳感器芯片后級(jí)設(shè)計(jì)了一個(gè)差分放大電路，以抑制溫度噪聲。QF4A512芯片通過(guò)SPI接口與外接處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0040]結(jié)合圖4，實(shí)例中數(shù)據(jù)處理模塊包括處理器和儲(chǔ)存器，本系統(tǒng)支持ARM、imote2、AVR等多架構(gòu)處理器。數(shù)據(jù)處理模塊和傳感采集模塊通過(guò)總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊為傳感采集模塊提供3.3V標(biāo)準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)供電模塊包括外部供電結(jié)構(gòu)和穩(wěn)壓電路。根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，可選擇電池供電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能等多種方式，或多種方式互補(bǔ)。穩(wěn)壓電路為整個(gè)系統(tǒng)提供5V標(biāo)準(zhǔn)電壓。數(shù)據(jù)通信模塊有兩種配置可供選擇，既可配置TCP/IP協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)通信，也可配置射頻芯片CC2420，按Zigbee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通?目。
[0041]結(jié)合圖5，為保證對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用多線程編程，通過(guò)共享內(nèi)存對(duì)象的方式進(jìn)行線程間通信，確保每一秒的數(shù)據(jù)均被采集、發(fā)送、處理。在數(shù)據(jù)通信模塊與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，若數(shù)據(jù)接收方發(fā)生機(jī)器故障，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)緩存在本地存儲(chǔ)器中，待數(shù)據(jù)接收方計(jì)算機(jī)恢復(fù)后重新上傳。這樣可以保證數(shù)據(jù)中心即使發(fā)生故障，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也不會(huì)丟失。
[0042]結(jié)合圖6，在實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)通信模塊的能耗占系統(tǒng)總能耗的主要部分。若系統(tǒng)供電電壓為un，電流為In，發(fā)送時(shí)間為tns，數(shù)據(jù)通信模塊功耗為
[0043]Wn=UnXInXtns⑴
[0044]由于節(jié)點(diǎn)采集頻率一般大于50Hz，而對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息的采集包括三維方向，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)量巨大，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率和傳輸協(xié)議固定時(shí)，tns和發(fā)送的數(shù)據(jù)量呈正比關(guān)系。所以當(dāng)仏和1?凡固定時(shí)，減少發(fā)送數(shù)據(jù)量即減少發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間可以降低節(jié)點(diǎn)功耗。
[0045]假設(shè)采集到的原始數(shù)據(jù)序列為X(t)，其自相關(guān)函數(shù)為R(t)，對(duì)R(t)進(jìn)行傅里葉變化得到:
【權(quán)利要求】
1.一種基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:包括傳感采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，和電源模塊； 所述傳感采集模塊，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一組三維方向的加速度數(shù)值； 所述數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)傳感采集模塊中輸出的三維方向的加速度數(shù)值進(jìn)行預(yù)處理，并采用PSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出一組功率譜密度數(shù)據(jù)，再對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，輸出一組通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包； 所述數(shù)據(jù)通信模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊中打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備； 所述電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感采集模塊利用低噪聲加速度傳感器對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)以電壓的形式進(jìn)行放大、濾波處理后，再按10-280HZ的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維方向的加速度數(shù)值輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感采集模塊中的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)采集方法:采用三片M1221芯片，相互垂直焊接，X、Y、Z三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)被獨(dú)立采集，并通過(guò)不同的通道發(fā)送至核心芯片進(jìn)行處理，形成一個(gè)三維方向的加速度采集系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感采集模塊中對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是連續(xù)的；所述傳感采集模塊接受數(shù)據(jù)處理模塊的配置參數(shù)，所述參數(shù)包括采樣頻率、濾波器截止頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述電源模塊的電源可以是電池供電、太陽(yáng)能供電和風(fēng)力供電中的一種或兩種以上的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)通信模塊采用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)設(shè)備有線連接發(fā)送數(shù)據(jù)，或者采用Zigbee協(xié)議與基站設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信發(fā)送數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)通信模塊傳輸過(guò)程中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，所述數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、加速度方向、傳感數(shù)據(jù)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，其特征在于:所述傳感采集模塊，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一組三維方向的加速度數(shù)值；所述數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)傳感采集模塊中輸出的三維方向的加速度數(shù)值進(jìn)行預(yù)處理，并采用PSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出一組功率譜密度數(shù)據(jù)，再對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，輸出一組通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包；所述數(shù)據(jù)通信模塊，將數(shù)據(jù)處理模塊中打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；安裝在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集；采集到的三維方向加速度模擬數(shù)據(jù)信號(hào)以電壓的形式進(jìn)行放大、濾波處理后，按10-280ΗΖ的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維加速度數(shù)值；三維加速度數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)PSD計(jì)算后，獲取振動(dòng)的頻域信息，得到效率更高的PSD數(shù)據(jù)；PSD數(shù)據(jù)被發(fā)送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理，可以清晰的知道基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基波頻率；由此可以用來(lái)計(jì)算應(yīng)變模態(tài)或應(yīng)變拉力，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)振動(dòng)基波頻率的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能直接地反映出測(cè)量結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化或異常。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理模塊中的傅里葉變換和功率譜密度PSD計(jì)算方法:首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢查和分配存儲(chǔ)空間，然后根據(jù)配置的參數(shù)設(shè)置選擇通道與選擇窗口，使用改進(jìn)的離散傅里葉變換算法構(gòu)成的功率譜密度計(jì)算函數(shù)計(jì)算窗口內(nèi)的頻譜并保存，在計(jì)算完所有窗口與通道的數(shù)據(jù)后發(fā)送計(jì)算結(jié)束信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)通信模塊采用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)設(shè)備有線連接發(fā)送數(shù)據(jù)，或者采用Zigbee協(xié)議與基站設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信發(fā)送數(shù)據(jù)；且所述數(shù)據(jù)通信模塊傳輸過(guò)程中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，所述數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、加速度方向、傳感數(shù)據(jù)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PSD算法的低功耗實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓。
【文檔編號(hào)】G01H17/00GK103698003SQ201310689446
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】丁德寶, 季錦章, 沈慶宏, 戴鵬飛, 陳紅梅, 丁華平, 張勇, 都思丹 申請(qǐng)人:南京大學(xué), 江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司, 南京金曉電子信息有限公司