[发明专利]一种基于Wi-Fi的无线应变测量系统

摘要

本发明公开了一种基于Wi‑Fi的无线应变测量系统，包括多个无线应变测量节点、一个AP(Wireless,Access,Point)和一个控制中心。无线应变测量节点包含Wi‑Fi通信设备，启动后利用Wi‑Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通无线过局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心的上位机对接收到的测量数据进行显示、存储和分析，同时还能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置。从而实现了对大型结构应变的无线测量，提高了工作效率，并降低了测量成本。

主权项

1.一种基于Wi‑Fi的无线应变测量系统，其特征在于，该系统包括多个无线应变测量节点、一个AP和一个控制中心；无线应变测量节点包含Wi‑Fi通信设备，启动后利用Wi‑Fi通信设备加入AP组建的无线局域网络，然后利用传感器检测被测结构应变的变化，经过信号处理电路的滤波、放大，将其转化为数字信号，并通过无线局域网络将数字信号实时发送给控制中心，控制中心的上位机对接收到的测量数据进行显示、存储和分析，同时还能对大量测量节点同时进行远程调试和参数设置，从而实现对大型结构应变的无线测量；所述无线应变测量节点由应变测量传感器、信号处理电路、微控制器、存储器、串口、电平转换模块、Wi‑Fi模块、液晶显示屏、独立按键以及电源模块组成；其中，信号处理电路、存储器、电平转换模块、Wi‑Fi模块、液晶显示屏和独立按键均与微处理器相连，微处理器自带16位精度的ADC，通过电源模块供电，串口与电平转换模块相连，应变测量传感器与信号处理电路相连；应变测量传感器采用电阻应变片，可将被测结构的应变信号转化为电信号；信号处理电路对测量得到的电信号进行滤波和放大；微处理器采用飞思卡尔公司的MK60FX单片机，通过ADC模块对放大后的测量信号进行采样并处理；存储器存储节点运行的代码；液晶显示屏用于应变数据的显示、数据采样频率的选择及Wi‑Fi连接状态的显示；独立按键用于选择采样频率；Wi‑Fi模块采用的是TLN13UA06模块，在节点上电后加入无线局域网，通过UART和单片机进行通信；串口和电平转换模块上传节点代码；电源采用大容量锂电池，为测量节点供电；节点处理后的数据通过Wi‑Fi模块以无线电波的形式发送出去；所述信号处理电路包括惠斯通电桥、滤波放大电路和自动调零电路；所述惠斯通电桥由三个桥臂电阻和一个电阻应变片组成，采用1/4桥结构，由2V电压供电，去除其输出信号的共模噪声；所述滤波放大电路采用PGA204和AD526级联的方式，两者都是可编程增益高精度仪表放大器，PGA204的A0，A1引脚以及AD526的A0，A1，A2引脚均为芯片的控制引脚，和单片机的I/O口PTEx、PTCx相连，电桥输出信号两端和PGA204的4、5引脚相连，经信号处理电路处理后在AD526的9号脚输出，通过微处理器的ADC对其进行采样，利用微处理器的I/O口调节引脚的电平能改变其增益，用户可根据实际需要，通过控制中心发送指令来远程调节电路的放大倍数；所述自动调零电路由DA芯片DAC128S085和限流电阻构成，DA芯片和限流电阻一端相连，限流电阻另一端和应变片所在桥臂电阻和应变片连接点相连；DAC的SYNC，CLK，DIN引脚分别和微处理器的PTC0~PTC2引脚相连，两者利用SPI协议进行通信，通过调节DAC的输出电压来调节电桥的输出电压，从而可根据需要，通过上位机发送调零指令来对电桥进行自动调零操作；微处理器的工作过程如下：无线应变测量节点初始化时，首先通过UART和Wi‑Fi模块进行通信，利用“AT+控制指令”来配置Wi‑Fi模块的网络参数，使节点加入局域网；接着将运算放大器的放大倍数初始化为1000倍，ADC的采样频率初始化为100Hz，并开启串口接收中断；然后通过ADC对放大后的应变信号进行采样和预处理，并在液晶显示屏上显示各个测量点的应变；之后再利用Wi‑Fi模块将测量数据以数据帧的形式发送给控制中心；若控制中心向节点发送控制指令，则触发串口接收中断，微处理器接收并执行控制指令；若接收到放大倍数切换指令，则改变相应I/O口的电平，调节程控放大器的放大倍数；若接收到采样频率切换指令，则将ADC的采样频率调节至相应频率；若接收到自动调零指令，则通过调节DAC的输出电压来平衡电桥；另外，在节点调试模式下，可根据读取到的独立按键的状态来改变节点的采样频率，从而可以很方便地手动调节节点采样频率；所述AP由无线路由器组成；通过路由器组建无线局域网，无线应变测量节点和控制中心构成客户端/服务器模型；采用手工分配方式指定分配控制中心的IP地址；采用自动分配方式分配节点的IP地址；所述控制中心由计算机和上位机组成，是客户端/服务器模型中的服务器端，其工作过程及功能如下：(1) 加入无线局域网：系统工作后，计算机通过无线网卡加入路由器组建的局域网，并手工分配IP地址；(2) 建立连接并读取端口数据：控制中心作为服务器端，建立套接字后，上位机通过一个线程监听指定端口；若在端口监听到有测量节点发出连接请求，则通过TCP协议的“三步握手”建立连接，并从端口读取该节点通过Wi‑Fi模块发送的数据；(3) 解析数据包：监听线程接收节点发来的数据包并进行分析，若数据格式相符，则对数据包内容进行解析，获得测量节点的节点号、应变信息；并向主线程发送消息；(4) 实时显示：当主线程接收到监听线程发来的消息时，在上位机的数据接收栏实时显示各节点号及其测得的应变，并调用绘图控件，在图形显示界面以曲线的方式显示应变的变化；(5) 指令发送：在上位机的数据发送栏给指定的节点发送控制指令，包括自动校准指令、采样频率切换指令、放大倍数选择指令；(6) 数据存储：上位机可以将接收到的数据以文本的形式保存到指定的文件夹当中。