一种低功耗拼接式无线结构振动监测系统和方法

技术领域

本发明涉及结构振动信号监测领域，具体而言，尤其涉及一种低功耗拼接式无线结构振动监测系统和方法。

背景技术

结构振动监测是获得结构频率、阻尼、响应、模态等动态性能信息，对其进行故障诊断、评估健康状态的重要方式，广泛应用于机械结构、交通运输工具结构、桥梁建筑工程结构等结构监测领域当中。传统振动监测系统和方案，存在许多弊端：

1.传统高采集频率(如400Hz以上)振动采集监测系统传输多为有线传输方式和WIFI无线传输方式。有线传输方式会增加布线，占用空间。WIFI无线传输虽然减少了布线，但其功耗高。如在只有单片机和WIFI传输模块的系统中，WIFI无线传输占系统消耗电能的90％以上，消耗电能巨大，大大降低了无线系统续航时间。

2.工作模式单一。多通道采集器之间、多通道采集器和单通道采集器之间难以进行组网，单通道采集器无法组装成多通道采集器。

3.采集器体积大，振动采集通道密度小。传统模数转换类振动采集器由于采用模数转换，附加电路转换模块，所以体积大，难以满足多采集通道需求。物联网类振动无线采集器每个采集单元一般采用单个电池供电，由于采集频率低，能耗高，所以采集通道密度小。结构振动监测时，如模态监测采集需要大密度布置传感器，传感器数量越多得到结果越精确，而且要求采集器所占空间小、重量轻，放在所监测结构里或结构旁(如轨道车辆结构内部)，对测试结果影响尽量小，易于部署，而传统采集器由于上述体积大、采集密度小等缺点难以满足这些要求。

4.布线占用空间大。当前很多被监测结构空间狭小，如飞机、轨道车辆结构内部空间狭小，现有振动采集系统平行布线，所占空间很大，难以满足狭小空间大数据量采集通道要求。

5.传统的振动采集装置无法灵活变化采集通道数量。现有的采集装置通道为固定的，如8通道、64通道等，无法根据测量点数量需要，密度需要，增加或减少采集通道。

6.传感器与采集器的引线过长，容易受到干扰。由于传统加速度采集端重量重、体积大，难以随测点就近部署，所以当大密度多通道采集时，传感器和多通道采集端之间导线就会很多、很长，导线中信号容易受到各种如工频等的电磁干扰。

7.实时性差。当前大多数传感器装置虽然可以采集振动信号，但信号多存储于采集器内，并不能及时处理，实时性较差，不利于及时处理问题。

8.电池仓不是模块化，无法根据电量需求灵活组合供电。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种低功耗拼接式无线结构振动监测系统和方法，主要解决结构振动监测中低功耗和高速率采集不能同时满足、传感器采集密度大时采集端体积太大、系统组网不灵活等的技术问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种低功耗拼接式无线结构振动监测系统，包括：服务器单元、电池仓拼接单元和变压器单元以及采集单元，所述采集单元包括采集拼接单元和采集独立单元；所述采集拼接单元及采集独立单元分别提取结构振动检测信号，通过无线通信方式将采集的信号发送至服务器单元；

所述服务器单元用于处理振动数据、实时显示振动波形以及警示异常工作状态；

所述电池仓拼接单元用于在无固定电源时为系统供电；

所述变压器单元用于调整供电电压；

所述采集拼接单元用于对多个测量点进行同时测量，所述采集独立单元用于对单个测量点进行测量。

进一步地，所述采集拼接单元包括若干采集模块、上游模块、下游模块以及振动传感器，所述上游模块和下游模块连接在所述采集模块的两端，使得若干采集模块通过上游模块和下游模块构成拼接通路；

所述采集模块包括壳体，所述壳体内部设置有电路板，所述电路板上设置有单片机以及BLE无线通讯模块，所述BLE无线通讯模块连接单片机的通讯端口；

所述电路板上还设置有用以连接振动传感器的振动传感器焊盘以及用以连接电源接口的电源线焊盘。

进一步地，所述电路板上还设置有SD卡模块，所述SD卡模块连接所述单片机的存储端口。

进一步地，所述电源接口为磁吸接头。

进一步地，所述磁吸接头连接固定电源或者移动电源。

进一步地，所述振动传感器采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器或者力传感器。

进一步地，所述服务器单元采用树莓派微型计算机、工控机或计算机。

进一步地，所述电池仓拼接单元包括若干并联的电池模块，所述电池模块包括电池壳体、蓄电池以及磁铁片，所述磁铁片连接在电池壳体上下两侧；

相邻电池模块通过磁铁片实现并联。

本发明还提供了一种振动监测方法，基于上述任意一项所述的低功耗拼接式无线结构振动监测系统实现，包括以下步骤：

S1、根据使用要求，将振动传感器布置在待检测位置；

S2、系统BLE通讯初始化，将所有采集模块和服务器单元端的BLE通讯配对；

S3、启动系统，BLE陆续连接成功后，组网完成，采集模块通过BLE协议无线实时传输采集数据，同时服务器单元进行实时显示和存储；

S4、采集数据冗余备份，将采集数据存储到SD卡上；

S5、判断有加入新的拼接单元时，将新的采集模块进行物理拼接后，对其BLE对进行初始化，配对连接成功后，新的采集模块完成入网。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明系统功耗低，各个单元电子元件包括无线传输BLE部件均选用低功耗部件，增加了系统的监测时间。由于采用低功耗设计，尤其是蓝牙传输设计，在采用相同电池电容量和高采集速度相同的条件下，采用BLE的系统可比采用WIFI系统工作时间长15倍不止。如在相同电池电容量为3400mAh时，采用WIFI的系统仅能监测22小时，而采用BLE方式则可以监测长达15天。

2、本发明系统体积小，占用空间少，监测采集密度大。采集模块拼接设计减少了单元与单元之间的距离，使空间分布相比于现有系统空间分布明显更节省空间，便于在狭窄的结构空间(如高铁设备仓、飞机仓中)中部署。由于采用拼接集约设计，每个采集模块又有多个传感器通道，所以拼接后体积小，采集通道密度大。

3、本发明中采集传感器数量易于增加和减少。本套系统测量点数量较灵活，可以根据需要通过拼接的方式增加和减少采集点数量。

4.本发明采集单元易于在测点附近部署，减少了干扰。由于采集单元体积小、重量轻和采集密度大，易于直接贴在被测位置附近，如待测位置附近结构表面进行测试，使得从采集单元到传感器之间导线尽量短，减少了导线中的电磁干扰。采集单元采集成为数字信号后，传送给服务器端，由于是数字信号形式的BLE无线传送，进一步避免了干扰。

5、本发明系统防尘防水性能较好。由于本系统采用的电子元件均为低功耗元件，故产生的热量少，系统各单元可设计成密封形式。同时该系统采用的是磁吸接头传递电能，该接头也具有防尘防水的特点。

6、本发明采用无线传输，占用空间小。系统采用的BLE无线通讯的方式，相比于平行布线传输可减少系统布线的空间和工作量。

7、本发明电源可根据监测时间需要进行拼接供电。系统的电池仓拼接单元可根据监测时间电容量的需要进行并联拼接，增加电池仓拼接单元的电容量，避免系统在工作过程中电能不足的问题，减少了工作人员的工作量。

8、本发明结构简单，部署灵活。系统设有拼接单元和采集独立单元，可根据需要无线组网。

9、本发明实时性好，系统设有服务器单元，可将采集到的数据实时的汇总给服务器单元，及时处理振动数据，实时显示振动波形，及时警示异常工作状态。

10、本发明成本低廉。本系统的成本相比于当前的振动采集系统大大降低。根据对振动采集系统价格的调研，最便宜系统也须上千元，而本套系统成本比其降低了10倍不止。

基于上述理由本发明可在振动监测领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明低功耗拼接式无线结构振动监测系统结构图。

图2是本发明采集拼接单元结构图。

图3是本发明采集独立单元结构图。

图4是本发明采集模块供电连接图。

图5是本发明采集模块结构示意图。

图6是本发明采集模块爆炸图。

图7是本发明电源模块爆炸图。

图8是本发明电池模块爆炸图。

图9是本发明数据流向示意图。

图中：1、采集模块；2、上壳体；3、下壳体；4、固定座；5、螺钉孔；6、单片机；7、BLE无线通讯模块；8、SD卡模块；9、电源线焊盘；10、PCB板；11、安装孔；12、振动传感器焊盘；13、磁吸接头；14、振动传感器；15、传感器导线；16、上游模块；17、下游模块；18、直流电线；19、电源模块；20、第一电源上壳；21、第二电源上壳；22、电源下壳；23、电池；24、服务器单元；25、电池仓拼接单元；26、电池模块；27、电池模块上壳；28、电池模块下壳；29、蓄电池；30、磁铁片；31、变压器单元；32、采集拼接单元；33、采集独立单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-9所示，本发明提供了一种低功耗拼接式无线结构振动监测系统，主要包括：采集拼接单元32、采集独立单元33、服务器单元24、电池仓拼接单元25和变压器单元31。其中，采集拼接单元、采集独立单元统称采集单元；由采集拼接单元、采集独立单元和电源模块统称为数据采集组。

采集拼接单元包括采集模块1、上游模块16、下游模块17以及直流电线18。采集模块1包括壳体、电路板、电源接口和振动传感器14。

壳体包括上壳体2及下壳体3在螺钉孔5的固定下形成中空容置空间，固定座4设置在下壳体3下方。电路板上设置有单片机6、BLE无线通讯模块7、SD卡模块8、电源线焊盘9、PCB板10、安装孔11以及振动传感器焊盘12。电源接口采用磁吸接头13。振动传感器与PCB板通过传感器导线15相连。振动传感器可以选用位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器等，振动传感器的壳体由金属，如铝合金制造，防止电磁信号干扰。

具体来说，如图5-6所示，上壳体2和下壳体3通过4个螺钉紧固，下壳体3和固定座通过两个螺钉紧固连接。固定座可通过强力胶粘在待测地点附近。电路板通过四个螺钉固定在下壳体3内。电源接口和振动传感器均是通过导线焊接在电路板上。该设备中，电路板完成单片机、BLE无线通讯模块、SD卡模块、电源线焊盘、振动传感器焊盘的连接。SD卡模块用于存储采集的振动数据。

进一步地，设备的壳体为长方体，且在其中相对的两个侧面各有一个电源接口，二者作用分别是一个为采集模块1内部提供电能，另一个为下一个采集模块1提供电能。

进一步地，电源接口种类繁多，其中，磁吸接头更优。磁吸接头可使连接紧固，在各系统单元进行拼接时，可起定位作用，并且磁吸接头有防水防尘作用，即使在尘土或水中连接，依然能稳定传递电能。

进一步地，采集拼接单元32的供电方式有两种，一种为固定电源为其供电，一种为电池仓拼接单元供电，即可移动的电源。二者电能输出口接头均可选用磁吸接头13，通过磁吸接头13将电源电能传输给系统。

使用时，每个采集拼接单元32具有N(N＝1、2…n)个振动传感器14，可对多个测量点同时进行测量。振动传感器14的数量N可根据不同单片机6的配置和性能选用，本实施例优选4个振动传感器14，如图3所示。

上游模块17和下游模块18作为接口模块可以使拼接的N个采集模块1构成通路。采集拼接单元32集约程度高，拼接后体积小，主要用于大密度传感器采集使用。连接振动传感器14的传感器导线的长度和连接电池仓拼接单元的直流电线的长度是可变的，可根据需要选用合适的尺寸连接。

采集独立单元33包括采集模块1和电源模块19。采集模块1与上述采集拼接单元中采集模块1相同。电源模块19包括：壳体20、壳体21、壳体22、电池23、磁吸接头。采集独立单元可拼接N(N＝1、2…n)个采集模块1，主要用于单个采集点使用，灵活布置。

本发明中，采集模块1将采集到的数据实时的汇总给服务器单元24，及时处理振动数据，实时显示振动波形，及时警示异常工作状态。服务器单元24是通过USB HUB扩展器将BLE无线通讯模块7实现实现与采集单元1无线传输。服务器单元24可以是树莓派微型计算机、工控机或计算机。使用时，振动数据处理方式多元化，为开放式的，可自行选择信号的处理方式。

电池仓拼接单元25可在无固定电源时为系统供电，可通过电池模块26无限地并联拼接，增加电池仓拼接单元容量，增加续航时间。电池模块包括：电池模块上壳27、电池模块下壳28、蓄电池29、磁铁片30。磁铁片30与上下壳体3粘胶连接。电池模块26间采用磁片连接，组装简便。

变压器单元可31将220V降到可用的7V～12V之间的电压，直接为系统供电。

本系统共有三种工作情况：Ⅰ.现场外接电源供电的采集情况，Ⅱ.电池仓拼接单元供电的采集情况、Ⅲ.电源模块供电的采集情况，如图1所示。

上述采集拼接单元32进行物理拼接过程，主要包括：

1.将采集模块1拼接起来成为拼接模块组。拼接模块间电源通过磁吸传递，加上紧固件加固。

2.以相同方式，将上游模块16、下游模块17分别连接到拼接模块组的上端和下端成为采集拼接单元32。采集拼接单元32可提供高密度采集功能，可根据采集数量需要拼接不同数量的采集模块1。由于采用拼接的集约模式，可以节省占用空间。

3.将采集拼接单元32用直流电线串联连接起来。当电源是电池仓时，根据用电量大小将电池模块以模块数量磁吸拼接连接。将拼接单元连接电源成为系统。

4.采集独立单元33的固定座采用胶粘的方式固定。

上述采集独立单元33物理连接过程如下：

1.将采集模块1与电源模块19拼接。拼接模块间电源通过磁吸传递，加上紧固件加固。如有需要，还可继续连接采集模块1。

2.采集独立单元33的固定座采用胶粘的方式固定。

进一步地，上述系统进行组网的过程中，服务器单元24和采集单元间采用的通讯方式为BLE无线通讯方式，系统的组网、运行方法如下：

1.系统BLE通讯初始化。系统只需组网第一次时初始化(配对)。以后每次采集时，配对的BLE对都可以自动连接：

1)选用BLE无线通讯模块。BLE的型号可选用不同种类，选择同种型号更优。使用的BLE协议须4.0以上，传统蓝牙是非低功耗蓝牙，故本套系统选择BLE 4.0以上更优。

2)BLE设置。

服务器单元端：服务器单元连接USB HUB，使得服务器单元具备多个USB端口。BLE无线通讯模块通过USB转TTL方式连接到服务器单元USB端口上，生成一个串口及串口号。对其信息：如密码、名字等进行设置，其中，名字设成与各自采集模块1对应的名称AN(N＝1、2…n)。将该BLE无线通讯模块设置为主设备模式。

采集模块1端：同上步，对BLE的信息进行设置，将采集模块1按顺序依次命名为AN(N＝1、2…n)，将该BLE无线通讯模块设置为从设备模式。

3)将服务器单元端和采集模块1端BLE无线通讯模块配对。将两端BLE无线通讯模块分别通电。在服务器单元端搜索周围的BLE无线通讯模块从设备(从设备可通过预先设好的名字进行区分)，将搜索到的各个从设备与对应的BLE无线通讯模块主设备进行配对、连接。将配对信息保存到BLE无线通讯模块的主设备中，以便下次主从设备在从上电时可自动连接。

4)根据以上步骤将所有采集模块1和服务器单元端的BLE通讯配对。

2.采集数据。启动系统，BLE陆续连接成功后，组网完成。采集模块1通过BLE协议无线实时传输。服务器单元进行实时显示和存储。服务器单元端可对采集数据进行实时FFT、取得频域数据。得到处理数据后，进行相应处理，如当振动数据频域幅值超过某阈值说明被测物体振动加剧，显示警告。

3.采集模块1故障处理。当有采集模块1某些端口故障时，如采集错误，采集模块1向服务器单元发出采集点名称(如A1-1表示采集模块1A1的第一个采集点)和采集端口错误数据，服务器单元根据记录采集错误，提示警告。

4.采集数据冗余备份。为了提高可靠性，将数据存储到SD卡上作为冗余备份。

5.新的采集模块1接入。如果加入新的拼接单元，将新的采集模块1进行物理拼接，然后使用步骤1将其BLE对进行初始化。如果加入新的独立单元，使用步骤1使其BLE对初始化。配对连接成功后，新的采集模块1完成入网。

本发明还提供了一种振动监测方法，基于上述系统实现，包括以下步骤：

S1、根据使用要求，将振动传感器布置在待检测位置；

S2、系统BLE通讯初始化，将所有采集模块1和服务器单元端的BLE通讯配对；

S3、启动系统，BLE陆续连接成功后，组网完成，采集模块1通过BLE协议无线实时传输采集数据，同时服务器单元进行实时显示和存储；

S4、采集数据冗余备份，将采集数据存储到SD卡上；

S5、判断有加入新的拼接单元时，将新的采集模块1进行物理拼接后，对其BLE对进行初始化，配对连接成功后，新的采集模块1完成入网。

下面通过一个具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。

本实施例系统整体所占空间较小，易于部署。其中采集模块1的体积很小，如图1所示，其尺寸为60×60×22mm。而且本套系统在传输数据的过程中，既能满足高速率的传输数据，又能做到功耗很低。具体地：

1.拼接单元电子元件的选取：

单片机：目前市场上流行的单片机有很多种，例如：ATM32、MSP430、PIC、AVR等等。对于本系统来说采用基于AVR的arduino nano更优，其他单片机亦可。

振动传感器：振动传感器有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器等，本系统可选用加速度传感器，型号为ADXL345和MPU6050。本实例以每个采集单元具有四个振动传感器为例。

电源接口：当前市场上流行的电子接头样式颇丰，对于本系统采用磁吸接头更优。

储存数据模块：储存数据的模块可根据储存能力和体积选择，对于本系统选用miniSD卡更优。

电池仓拼接单元的电池：当前电池的型号和电容量有很多种，本系统选用电池为18650型号的电池更优，也可选用其他型号的电池。该电池的电容量选择3400mAh，相比与其他电池有效的增加了电池仓拼接单元的电容量。

采集独立单元的电池：为了使该单元的电源模块与采集独立单元拼接的美观，该单元选用的电池尺寸应尽量不要超出壳体尺寸，对于该采集单元采用Beston9V可充电方块电池更优。该电池的电容量选1000mAh。

2.如图1所示，基于所提出的系统组建方法，将各采集单元根据测量数量的要求进行拼接，然后与电池模块拼接成的电池仓拼接单元和电源模块进行拼接，启动服务器单元，接好USB HUB，将BLE无线通讯模块主设备插在USB HUB上。将各个BLE无线通讯模块进行初始化设置(具体初始化步骤参照前面所述)，BLE无线通讯模块主设备在服务器单元端生成各自的串口及串口号，通过选择串口接收数据。

3.采集拼接单元组连接如图2所示，各个采集拼接单元接电方式如图4所示，各采集拼接单元通过并联的方式连接到电池仓拼接单元上。各单元通过磁吸接头相连，构成系统电路的通路。

4.如图8所示，系统运行时，每个采样单元的Arduino nano同时控制各自单元的4个通道加速度传感器对测量点进行采集振动信号，将采集的数据储存在SD卡模块中，同时BLE无线通讯模块(从设备)将数据以高采集率(如500HZ)发送服务器单元处的BLE无线通讯模块(主设备)。服务器单元通过USB HUB接收数据。

5.服务器单元将各个采集单元采集的数据根据串口号(如com1)和对应的采集点号(如A1-1)进行实时显示和存储，服务器单元端通过对采集数据进行实时FFT、取得频域数据。得到处理数据后，通过程序，实时绘制出各个采集点的时域和频域的波形图。波形图可直观的显示振动情况。服务器记录下时域和频域数据。如当振动幅值出现异常，振动的幅值持续一段时间超过阈值时，此时测量点振动异常，服务器单元发出警告。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。