本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗自供電的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型土木工程結(jié)構(gòu)的興建日益增多，如超大跨空間結(jié)構(gòu)的體育館、跨江越海的超大跨橋梁、大型水利工程等，這些建筑的突出特點是：使用時間長，使用環(huán)境惡劣，經(jīng)濟(jì)或政治意義重大。但是土木工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，會遭到環(huán)境侵蝕、材料老化、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等等因素的耦合作用，產(chǎn)生損傷累積，從而導(dǎo)致抗力衰減，導(dǎo)致隱患的產(chǎn)生。因此，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、適用性與耐久性，世界各國特別是發(fā)達(dá)國家都在積極探索可用于重大工程結(jié)構(gòu)的行之有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法與系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測經(jīng)歷了一個較長的發(fā)展過程，其相關(guān)檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)構(gòu)狀況評估理論也不斷完善。目前，光纖傳感技術(shù)常用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，可監(jiān)測結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參量，如動力特性、受力狀態(tài)等。采用光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高，動態(tài)范圍大，測量范圍廣等優(yōu)點，但光纖本身纖柔輕細(xì)，易斷，封裝埋設(shè)成本高，還需在現(xiàn)場配備一定體積且昂貴的光纖收發(fā)器，偏高的市場價格影響了其大規(guī)模的工程應(yīng)用。此外，隨著信息通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費用、少安裝時間等特點，也被使用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。由于感知節(jié)點多采用電池供電，節(jié)點與節(jié)點間的通信以及數(shù)據(jù)收發(fā)要消耗大量能量。由于使用環(huán)境惡劣偏遠(yuǎn)不便于更換電池，要求系統(tǒng)長時間的連續(xù)監(jiān)測。因此在實際的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)常常由于電能耗盡而失效，或由于電源有限，而不能有效通信。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種低功耗自供電的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于獲取現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的自供電加速度感知節(jié)點，用于連接感知網(wǎng)絡(luò)與云平臺的自供電網(wǎng)關(guān)和用于數(shù)據(jù)處理分析與展示的云平臺，所述自供電加速度感知節(jié)點通過自供電網(wǎng)關(guān)連接云平臺；

進(jìn)一步的，所述自供電加速度感知節(jié)點通過振動壓電陶瓷材料與鋰離子電池供電，所述自供電網(wǎng)關(guān)通過太陽能板與鋰離子電池供電；

進(jìn)一步的，所述自供電加速度感知節(jié)點包括感知節(jié)點CPU，感知節(jié)點電源接口，電源管理芯片，振動壓電陶瓷片和感知節(jié)點電池，所述電源管理芯片一端分別連接振動壓電陶瓷片和感知節(jié)點電池，另一端通過感知節(jié)點電源接口連接感知節(jié)點CPU；

進(jìn)一步的，所述自供電網(wǎng)關(guān)包括網(wǎng)關(guān)CPU、太陽能板、網(wǎng)關(guān)電池、太陽能電池板管理模塊、和網(wǎng)關(guān)電源接口，所述網(wǎng)關(guān)電源接口一端通過太陽能電池板管理模塊連接網(wǎng)關(guān)CPU，另一端分別連接網(wǎng)關(guān)電池和太陽能板；

進(jìn)一步的，所述自供電網(wǎng)關(guān)還包括GPRS模塊、溫濕度傳感器、網(wǎng)關(guān)RF模塊、上位機(jī)串口和網(wǎng)關(guān)傳感器接口，所述GPRS模塊一端連接云平臺，另一端連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述網(wǎng)關(guān)RF模塊一端連接自供電加速度感知節(jié)點，另一端連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述溫濕度傳感器通過傳感器接口連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述上位機(jī)串口連接網(wǎng)關(guān)CPU；

進(jìn)一步的，所述自供電加速度感知節(jié)點還包括感知節(jié)點RF模塊和加速度傳感模塊，所述加速度傳感模塊連接感知節(jié)點CPU，所述感知節(jié)點CPU通過感知節(jié)點RF模塊連接網(wǎng)關(guān)RF模塊；

進(jìn)一步的，所述云平臺包括云服務(wù)器和Web端，所述云服務(wù)器與Web端通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，所述云服務(wù)器使用Linux系統(tǒng)，選擇Apache HTTP Server作為網(wǎng)頁服務(wù)器，使用Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用Python Web框架和異步網(wǎng)絡(luò)庫Tornado為Web端提供實時 Web 服務(wù)，所述自供電網(wǎng)關(guān)與云平臺通過Socket通信協(xié)議進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時傳輸。

本發(fā)明的有益效果如下：

1）本發(fā)明系統(tǒng)具備低功耗、高可靠性、低成本、自供電、實時監(jiān)測等特點；

2）通過自供電加速度感知節(jié)點硬件與軟件的選型與設(shè)計，降低節(jié)點通信與數(shù)據(jù)處理能耗；

3）通過采用壓電儲能器件與太陽能板，分別為自供電加速度感知節(jié)點與自供電網(wǎng)關(guān)補(bǔ)充能量；

4）通過云端服務(wù)器搭建與web端設(shè)計，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理分析，移動端監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時展示，用戶與項目管理以及指令發(fā)送等功能；

5）采用低功耗通信協(xié)議及低功耗硬件選型降低系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與控制，廣域互聯(lián)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的自供電加速度感知節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的自供電網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明系統(tǒng)的WEB端截面層級關(guān)系圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。下面為本發(fā)明的舉出最佳實施例：

如圖1-圖4所示，本發(fā)明提供一種低功耗自供電的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于獲取現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的自供電加速度感知節(jié)點，用于連接感知網(wǎng)絡(luò)與云平臺的自供電網(wǎng)關(guān)和用于數(shù)據(jù)處理分析與展示的云平臺，所述自供電加速度感知節(jié)點通過自供電網(wǎng)關(guān)連接云平臺。

所述自供電網(wǎng)關(guān)包括網(wǎng)關(guān)CPU、GPRS模塊、太陽能板、網(wǎng)關(guān)電池、溫濕度傳感器、網(wǎng)關(guān)RF模塊、上位機(jī)串口、太陽能電池板管理模塊、網(wǎng)關(guān)傳感器接口和網(wǎng)關(guān)電源接口，所述GPRS模塊一端連接云平臺，另一端連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述網(wǎng)關(guān)RF模塊一端連接自供電加速度感知節(jié)點，另一端連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述網(wǎng)關(guān)電源接口一端通過太陽能電池板管理模塊連接網(wǎng)關(guān)CPU，另一端分別連接網(wǎng)關(guān)電池和太陽能板，所述溫濕度傳感器通過傳感器接口連接網(wǎng)關(guān)CPU，所述上位機(jī)串口連接網(wǎng)關(guān)CPU。

所述自供電加速度感知節(jié)點包括感知節(jié)點CPU，感知節(jié)點RF模塊，加速度傳感模塊，感知節(jié)點電源接口，電源管理芯片，振動壓電陶瓷片和感知節(jié)點電池，所述電源管理芯片一端分別連接振動壓電陶瓷片和感知節(jié)點電池，另一端通過感知節(jié)點電源接口連接感知節(jié)點CPU，所述加速度傳感模塊連接感知節(jié)點CPU，所述感知節(jié)點CPU通過感知節(jié)點RF模塊連接網(wǎng)關(guān)RF模塊。

所述自供電網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)與云平臺通過Socket通信協(xié)議進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時傳輸，所述云平臺包括云服務(wù)器和Web端，所述云服務(wù)器與Web端通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，所述云服務(wù)器使用Linux系統(tǒng)，選擇Apache HTTP Server作為網(wǎng)頁服務(wù)器，使用Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用Python Web框架和異步網(wǎng)絡(luò)庫Tornado為Web端提供實時 Web 服務(wù)。

所述Web端的操作界面使用Sencha Architect軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，，Web界面具備用戶及管理員登錄功能、數(shù)據(jù)圖表可視化功能、監(jiān)測狀態(tài)顯示功能、以及監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能等功能，Web端的界面設(shè)計一共包括三級界面。其中一級界面包括：登錄界面、項目管理界面和個人管理中心界面。二級界面包括：注冊界面、找回密碼界面、項目添加界面、子項目監(jiān)測評估界面、個人信息界面、密碼修改界面以及數(shù)據(jù)管理界面。三級界面包括：網(wǎng)關(guān)添加界面、傳感器添加界面、監(jiān)測對象傳感器分布界面、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面、健康狀況評估界面。

本發(fā)明中所述自供電加速度感知節(jié)點采用32位低功耗ARM處理器，并利用高性能的電源管理方案和高精度的精密MEMS加速度傳感器。采用低功耗電源管理芯片，對電池以及外接電源進(jìn)行管理。通信使用CC1101 射頻芯片，利用GFSK傳輸方式，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，并利用低功耗喚醒技術(shù)，最大程度減少功耗。所述自供電加速度感知節(jié)點，具備低功耗與自供電特性。在低功耗方面，主要降低數(shù)據(jù)處理與節(jié)點通信的功耗。數(shù)據(jù)處理選用超低功耗STM32L152RC處理器，超低功耗STM32L15RC的供電電壓范圍是1.65~3.6V， 工作溫度范圍為-40~+85°C，擁有適合低功耗應(yīng)用設(shè)計的一組完整的節(jié)電模式；RF通信采用TI的CC1101，是低成本的1GHz以下的無線收發(fā)器，為極低功耗的無線應(yīng)用而設(shè)計，可通過配置實現(xiàn)在315~915MHz的全球ISM開放頻段工作。該芯片具備低功耗模式，休眠喚醒模式等各種豐富的功能，可利用這些功能達(dá)到高效率的低功耗運行；數(shù)據(jù)獲取采用ADI的精密MEMS加速度傳感器ADXL345，使感知節(jié)點擁有著23至140μA的超低工作功耗，休眠時間功耗低至0.1μA，該傳感器的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。

在自供電方面，利用所設(shè)計的電源管理芯片，對電池以及外接電源進(jìn)行管理。使用凌特LTC3331微能量搜集芯片，該芯片自身功耗僅需950nA，滿足低功耗的要求。該芯片集成了一個高電壓能量收集電源和一個由可再充電電池供電的降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。利用該芯片，可從外接的震動壓電陶瓷片上對電能進(jìn)行吸收，達(dá)到微能量收集目的。此外，還可通過對外接的鋰離子電池進(jìn)行充放電管理，可以達(dá)到電池管理功能。由于電池電壓輸出3.7 V，充電完畢4.2V，為提供給主板需要的3.3V電壓，可使用該芯片進(jìn)行降壓，提供系統(tǒng)所需的工作電壓。

自供電網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與云平臺的通信紐帶。自供電網(wǎng)關(guān)通過3G/GPRS通信與云服務(wù)器通信，也可通過串口與現(xiàn)場主機(jī)通信；通過432~434M頻段與感知網(wǎng)絡(luò)通信。自供電網(wǎng)關(guān)采用外置電源供電（12V），采用32位ARM處理器，具備傳感器管理，數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)暫存等功能，可采集一些環(huán)境參數(shù)，如溫濕度等。

在自供電方面，自供電網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌太陽能電池板管理模塊，具備MPPT太陽能最大功率點跟蹤功能，能最大限度的充分利用太陽能充電，全自動智能化充電管理，采用超低壓差設(shè)計以達(dá)到低功耗及更高轉(zhuǎn)換效率。工作溫度為-40℃到 +85℃。轉(zhuǎn)換效率：Max:93% Peak:95% 不同光照條件有所不同。充電方式：全自動智能化三階段充電模式，跟蹤太陽能功率大小，自動調(diào)節(jié)充電電流大小。適用范圍：1W-100W、9V-28V 適用9V、12V、18V、24V太陽能電池板，能夠給電瓶，鎳鎘，鎳氫，鋰電池（電池組）充電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，太陽能路燈等。

云服務(wù)器連接自供電網(wǎng)關(guān)，獲得從自供電網(wǎng)關(guān)處發(fā)來的數(shù)據(jù)，并反饋結(jié)果或指令給網(wǎng)關(guān)。自供電網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器間的通信采用Socket通信機(jī)制，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄，可以用來實現(xiàn)不同虛擬機(jī)或不同計算機(jī)之間的通信，其實質(zhì)是對TCP/IP協(xié)議的封裝和應(yīng)用，主要解決數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。云服務(wù)器作為Web界面的后臺支持，與Web端之間的通信采用HTTP協(xié)議，HTTP協(xié)議即超文本傳送協(xié)議，是Web聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是手機(jī)聯(lián)網(wǎng)常用的協(xié)議之一。HTTP協(xié)議是建立在TCP協(xié)議之上的一種應(yīng)用，它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡(luò)傳輸減少。

云平臺后臺云服務(wù)器能夠提供網(wǎng)關(guān)接入、傳感器添加、用戶WEB訪問、數(shù)據(jù)存儲、WEB端查詢、管理、WEB端圖表顯示、提供API接口，供給對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析操作等功能。Web界面具備用戶及管理員登錄功能、數(shù)據(jù)圖表可視化功能、監(jiān)測狀態(tài)顯示功能、以及監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能等功能。

以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。