自供电传感器及物联网系统开发和其在桥梁振动监测中的应用

发布时间：2020-08-03 13:10

【摘要】：桥梁的安全直接关系到车辆和行人的安全,传统的桥梁监测已难以满足目前多元化的需求,而传感器电池的频繁更换既不经济也不环保。本文根据传统监测的不足,结合桥梁振动监测现状,对于桥梁的无线、集群监测以及振动能量收集技术进行了研究,研发出无线低功耗加速度传感器、无线网关以及云平台,构成了一套物联网系统,对不同位置的桥梁进行了架构与监测,并研发了一种新型悬臂梁能量收集装置,可为传感器节点进行供电。本文的主要研究内容和成果如下所示。研发了一种低功耗、高灵敏度的无线加速度传感器。通过集成电路设计、数据采集与无线通信设计、封装设计等,完成了无线加速度传感器感知节点的制作。通过标定和性能对比测试,验证了该传感器在数据采集方面的精确性。该传感器体积小、易安装、数据无线传输,解决了传统布线监测的困难,适用于桥梁振动监测。研制了一种无线压电悬臂梁传感器。根据特定的桥梁环境,使用理论计算结果结合仿真结果优化设计了压电悬臂梁结构,通过试验验证压电悬臂梁的自振频率与数据产生能力,设计了一种矩形压电悬臂梁结构。通过研发信号转换模块、微控制器模块和无线传输模块等硬件集成系统,结合压电悬臂梁形成了一种新型的无线压电悬臂梁传感器,适用于基于物联网的桥梁振动监测。设计了一种新型桥梁振动能量收集装置。针对如何提高压电悬臂梁在桥梁环境中的能量输出问题,研究了不同形状对悬臂梁压电振子发电能力的影响,通过模拟以及实验发现,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电悬臂梁具有更大的发电能力,且固有频率比矩形和梯形压电悬臂梁低,在桥梁低频环境中可以产生更大的电能输出。为了拓宽三角压电悬臂梁的共振频率点,在三角压电悬臂梁中间镂空出两个较小的三角压电悬臂梁,通过建模仿真分析,镂空三角压电悬臂梁在低频以内共产生四次共振,相对更加适合桥梁低频环境的应用。研究了基于弹簧的矩形压电悬臂梁结构,实验表明,弹簧矩形悬臂梁结构可以加宽共振点的频率范围,并且相比较无弹簧的矩形悬臂梁结构具有较高的输出电压。设计了一种混合型压电盒子,集成三角形与弹簧矩形压电悬臂梁,可收集桥梁多个频段的能量为传感器供电。研发了一种数据集成并无线传输的网关。通过集成电路设计、无线数据接收以及无线传输模块设计,完成了对网关的制作。通过通信性能测试,得出了网关与传感器的有效通信距离。网关作为传感器与服务器的中枢,其使用470M频段与感知节点传感器进行通信,无线接收方圆600米内的传感器的数据并进行处理,然后通过4G数据流将数据传输至服务器。网关设计有电能管理模块,通过锂电池和太阳能双重供电,具有自供电的功能。开发了云平台终端。平台远程接收存储网关传来的传感器数据,并进行可视化动态展示。云平台采用Browser/Server模式、Model-View-Controller架构进行开发,包括数据层、逻辑层、表现层与客户层。云平台作为物联网终端,可对所有监测目标进行统一管理。本研究成果作为国家863课题研究内容,已通过技术验收,获得专家认可。示范工程测试也验证了该系统的可行性。本研究研发的桥梁振动监测物联网系统结合新型压电悬臂梁能量收集装置,形成了一套自供电物联网技术,也为绿色能量收集、应用探索出新的路径,提供了新的思路。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U446
【图文】：

低功耗,电路图,处理器

逑压电换能器通过电源管理芯片给节点中的低功耗ＣＰＵ、低功耗ＲＦ通信模块以及加逡逑速度传感器供电。感知节点的电路图如图３－２所示。逡逑ＡＤＸＬ３４５邋内置实时时钟逡逑Ａ逡逑ＳＷＤ邋＜逦邋｜邋传？采集邋｜邋｜邋ＲＴＣ］￣逡逑串逦逦ＳＴＭ３２Ｌ１５２逦￣￣电源逡逑外部ｉ．．ｏ邋Ｕ逦邋ＳＰＩ逡逑接口逦逦逦逦逦逡逑＿Ｉ邋［，；邋逡逑ＬＥＤ逦ＣＣ１１０１逡逑图３－邋１基于ＡＲＭ的数据采集与处理系统结构图逡逑Ｉ－逡逑：曑邋ＢｇＴ—？＿ｑ＿＿邋—逡逑５兹二－二：二二＾二：：一逦，——Ｔ－邋Ｉ邋ｔ逡逑ＩＩ~枺掊义希蒎危疲荆咤义螻ｉｔｉ邋＝ｆｅ＞邋NN逦丨：彻一一二邋＂邋ｒ逡逑＊＊？邋＾逦ｐｉｔｕｒｕｉｎ逡逑Ｌ＿邋－－——Ｉ邋＇逦■邋－逦Ｉ逦」１逦］逦■■丨．．■“逡逑图３－２数据采集与传输电路图逡逑为保证低功耗和高处理性能，系统采用３２位低功耗ＡＲＭ处理器，并利用高逡逑性能的电池管理方案和高精度的精密ＭＥＭＳ加速度传感器。采用低功耗的电源管逡逑理芯片，对内置电池以及外接电源进行管理。通信使用ＣＣ１１０１射频芯片，利用逡逑ＧＦＳＫ传输方式，提高系统的传输质量，并利用低功耗唤醒技术，最大程度减少功逡逑耗。逡逑系统主要包含以下部分：逡逑？电源管理，用于电池、外接电源的充放电管理；逡逑＊加速度传感器，用于米集加速度信号；逡逑＊其他元器件

示意图,电源管理芯片,示意图,传感器封装

逑ＣＰＵ模块、数据通信模块、多个数字接口等，其中，传感器采集数据后，通过４３３逡逑通信模块将数据无线传输至网关。传感器封装示意图如图３－４所示，电源管理芯片逡逑如图３－５所示。逡逑Ｔ逦Ｆ装口取逡逑ｉ逦W严丨逡逑应力Ｋ变传感逦？Ｖ逦ＣＰＵ逡逑＊数ＩＢ采免接逡逑图３－３传感器硬件示意图逡逑蠢虐逡逑亁乫逡逑攀攀Ｉ逡逑图３－４传感器封装示意图逡逑＾ＱＯｍ邋ｆｉ！逡逑墨醒ＨＷ逡逑灥逡逑图３－５电源管理芯片示意图逡逑本文研发的无线加速度传感器硬件的模块功能介绍如下所示。逡逑（１）电源管理逡逑－２５邋－逡逑

示意图,传感器封装,示意图,电源管理芯片

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