一种分布式无线结构振动采集装置、系统及结构振动监测方法

摘要

本发明提供一种分布式无线结构振动采集装置、系统及结构振动监测方法。其中装置包括上壳体、下壳体、底座以及测振传感器；所述上壳体和下壳体扣合后形成中置容纳空间，所述中置容纳空间内设置有电路板、单片机模块以及WIFI模块；所述电路板上设置有信号线焊盘、电源线焊接盘以及LED灯焊盘；所述信号线焊盘上设置有若干个信号线焊点，任意所述信号线焊点均连接一路测振传感器。本发明采集单元体积小，易于部署。系统采用串联方式，将单元节点布置于待测位置附近，所以传感器布线可大幅减少，也大量节省了布线和更换采集单元电池的时间。系统还采用分布式组网，可进行大规模监测。

说明书

技术领域

本发明涉及无线振动监测领域，具体而言，尤其涉及一种分布式无线结构振动采集装置、系统及结构振动监测方法。

背景技术

结构振动监测是对飞机、列车、汽车和桥梁等工程和机械结构在工作状态振动下的短期或长期的状态监测，是获得被测对象的固有频率、阻尼、响应、模态等动态性能信息的重要方式，用于对结构进行故障诊断、环境控制、等级评定等。现有结构振动信号采集设备涉及到的技术有传感器技术、信号处理技术、无线通讯技术、计算机编程技术等。

传统的模拟信号监测系统(以下简称模拟类系统)是由模拟信号转换成电信号进行采集监测，物联网类型结构振动监测系统(以下简称物联网类系统)多采用多无线节点，组网进行监测。但是以上两类振动监测系统和方案，存在许多弊端：

1、物联网类的无线采集节点每个节点自带电池，当振动信号采集频率较高的时候，耗能较快。如轨道交通行业结构振动监测频率不低于400Hz。进行该类振动监测时，节点自带的电源很快就消耗光，监测时间过短，不能满足长期监测需要。如果物联网类节点大批量监测时，由于电池消耗快而频繁充电或更换电池，工作量巨大、耗时巨大。且由于耗能大，物联网类振动监测节点一般难以将高速率的采集数据无线发送，所以将采集的数据存储到监测节点的存储卡里，然后将数据拷贝出来进行分析。这种方式实时性差，当汇总大批量监测节点数据时，耗时巨大。

2、模拟类系统的监测由采集仪器和传感器组成。当振动监测时，采用并行布线方式。当需要监测的点多时，这种方式布线耗时长，成本高，而且耗费被监测空间和线材。比如要监测动车组要整节车厢几十个甚至上百个振动节点时，并行布线工作难以展开。如果进行长期无电源的监测时，得对物联网内每个节点的电池进行跟踪管理，当监测节点数量大时，工作量较大。

3、由于物联网类的无线振动监测每个监测节点都自带电池，所以体积较大，一些结构如轨道列车设备舱内空间狭小，无法进行部署。模拟类系统的体积更大，更难以部署。

4、价格高昂，如果在在结构上大批量监测使用成本太高。且进行大批量、大面积采集时，组网过程复杂，难以进行大规模分布式采集，难以与现有的互联网以太网网络节点进行交换数据。

发明内容

根据上述提出的现有监测方案部署困难且组网复杂的技术问题，而提供一种分布式无线结构振动采集装置、系统及结构振动监测方法。本发明装置体积小，结构简单，适合部署到空间狭小位置。采用分布式布置方式，能够将传感器布置在各个需要测量的位置，形成传感器网络，从而实现大面积测量。

本发明采用的技术手段如下：

本发明实施例一方面提供了一种分布式无线结构振动采集装置，包括：上壳体、下壳体、底座以及测振传感器，其中下壳体与底座固定连接；

所述上壳体和下壳体扣合后形成中置容纳空间，所述中置容纳空间内设置有电路板、单片机模块以及WIFI模块；

所述电路板上设置有连接单片机模块采集端口与测振传感器的信号线焊盘、连接所述电路板与供电单元的电源线焊接盘以及连接电路板与LED工作指示灯的LED灯焊盘；

所述信号线焊盘上设置有若干个信号线焊点，任意所述信号线焊点均连接一路测振传感器。

进一步地，所述中置容纳空间内还设置有存储模块。

进一步地，所述上壳体侧面设置有散热孔组。

进一步地，所述测振传感器为MEMS加速度传感器或者MEMS位移传感器。

进一步地，所述测振传感器设置于外壳内部。

本发明实施例的另一方面还提供了一种串联无线结构振动监测系统，包括：电源单元、无线路由单元、数据处理单元以及采集单元，所述电源单元通过分线器给所述无线路由单元、数据处理单元以及采集单元供电；

所述采集单元包括串联的若干如上述任意一项所述的振动采集装置。

进一步地，还包括电量监控单元。

本发明实施例的另一方面还提供了一种分布式的串联无线结构振动监测系统，其特征在于，包括：服务器单元以及能够在所述服务器单元控制下进行任意组网的子采集组，其中所述子采集组为权利要求7中所述的串联无线结构振动监测系统。

本发明实施例的另一方面还提供了一种基于上述系统的分布式的串联无线结构振动监测方法，包括：

S1、将子采集组分布式布置在待检测位置；

S2、组建分布式WIFI路由器网络，启动并初始化各个功能单元；

S3、为各子采集组内的各采集单元分配动态IP地址，并向所述数据处理单元的IP以TCP协议实时传送采集数据，同时，为提高数据冗余可靠性，将采集数据存储于采集单元SD卡中；

S4、所述数据处理单元将TCP协议接收到的时域采集数据以文本或二进制形式实时存储到硬盘空间中，并对采集的数据进行处理从而获取特征值数据，一方面送至存储单元保存，一方面发送至服务器进行汇总分析；

S5、如果有新的采集单元或新采集组接入子网，执行S1-S4，便可以使新的单元接入原子网，如果有节点断开连接,数据处理单元、服务器停止记录该节点。新单元入网和退网可在不中断原采集情况下进行。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的无线结构振动采集装置体积小，结构简单，适合部署到空间狭小位置。且布置方式灵活，进行多点测量时，可将每个单元的四个传感器分布在各个需要测量的地方，形成传感器网络，实现大面积测量。单点重点测量时，可将各个单元的传感器汇聚到测量点，对测点各个方向和角度振动信号进行测量。另外，装置采用存储模块存储提供冗余备份。

2、本发明提供的结构振动监测系统由于采用串联方式，将单元节点布置于待测位置附近，所以传感器布线可大幅减少，也大量节省了布线时间。当采用电池仓为系统供电时，电量不足时一次性更换系统电池即可，节省了更换每个采集单元电池的时间。

3、本发明中系统各设备的采集数据可以通过WIFI模块实时传输给数据处理单元。且在服务器单元上直观地反应振动情况，方便操作人员了解结构的实时状态。

4、本发明具备分布式特性，支持mesh组网或路由组网，采集单元原则上可以无限扩充。系统交互为以太网协议，所以和互联网端无缝衔接。

基于上述理由本发明可在无线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为本发明无线结构振动采集装置结构示意图。

图2为本发明无线结构振动采集装置结构爆炸图。

图3为本发明串联无线结构振动监测系统结构示意图。

图4为本发明串联无线结构振动监测系统中采集单元结构示意图。

图5为本发明分布式的串联无线结构振动监测系统结构示意图。

图6为本发明分布式的串联无线结构振动监测系统供电方案示意图。

图中：1、采集单元；11、电路板；111、单片机；112、WIFI模块；113、SD卡模块；114、电源线焊盘；115、信号线焊盘；116、电路板安装孔；12、测振传感器；121、信号线；122、拼接线；123、接线器；124、传感器线；13、上壳体；131、散热孔组；14、下壳体；141、壳体固定孔；142、电路板安装座；15、底座；151、底座固定孔；16、LED工作指示灯；161、LED灯焊盘；162、LED灯导线；17、电源线；2、电源单元；21、电池仓；211、电量传感器；212、LED电量显示灯；213、电池组；214、分线器；3、无线路由单元；4、数据处理单元；5、服务器单元。

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。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供了本发明实施例一方面提供了一种无线结构振动采集装置，包括：上壳体13、下壳体14、底座15以及测振传感器12，其中下壳体14与底座15固定连接。上壳体13和下壳体14扣合后形成中置容纳空间，所述中置容纳空间内设置有电路板11、单片机111以及WIFI模块112。电路板上设置有连接单片机111采集端口与测振传感器12的信号线焊盘115、连接所述电路板11与外部单元的电源线焊盘114以及连接电路板11与LED工作指示灯16的LED灯焊盘161。信号线焊盘115上设置有若干个信号线焊点，任意所述信号线焊点均连接一路测振传感器12。优选地，测振传感器12为MEMS加速度传感器或者MEMS位移传感器，并放置在金属外壳内。

进一步优选地，中置容纳空间内还设置有存储模块，优选为SD卡模块113。上壳体侧面设置有散热孔组131。

具体地，如图1-2所示，无线结构振动采集装置配备一个单片机111，一个WIFI模块112，一个SD卡模块113，并连接四个测振传感器12，本实例优选采用ARDUINO NANO作为控制系统的核心，通过通信接口控制传感器采集数据，以及控制WIFI模块112传输数据。目前常用的ARDUINO，51，STM32树莓派等系列单片机也可以应用于本实施例。

进一步优选的，本实例采用ADXL345、MPU6050两种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System：微机电系统)加速度传感器或者能够实现振动采集功能的其他MEMS传感器。每个加速度传感器提供X、Y、Z三个轴这三个通道，本实施例中传感器通过I2C协议与单片机111进行通信，由于I2C协议是开漏输出，需要上拉电阻将信号线拉到高电平。在此通信协议下，每个传感器通过拉高降低ALR_ADDRESS引脚来选择不同的地址将彼此区别开，独立工作。

进一步地，因为WIFI传输模块传输速率高的特性，适用于振动信号的无线传输领域。优选的，本实例采用HC-25作为WIFI传输模块。其他如ESP8266，DT-06等WIFI模块都可以应用于本专利，但不仅限于这几种。WIFI模块通常采用AT指令，或者进行WEB配置等方式对其参数进行配置，使其接入网络热点，并通过TCP/IP协议进行数据无线传输。

本实例中无线结构振动采集装置结构紧凑，外部壳体尺寸为85mm×42mm×22mm，每个装置体积很小、便于携带和部署。单元之间串成一条线，使得系统便于布置在狭小的空间，进行大批量快速部署和测量。装置通过将底座粘在指定位置进行固定。上壳体13，下壳体14，底座15均带有底座固定孔151，用螺钉将三者连接起来达到整体固定的目的，壳体固定孔141将上壳体13，下壳体14固定，防止在将采集单元1从底座15拆卸过程中上下壳体分离。为提高系统可靠性，振动数据在远程实时传输的同时，将采集单元1采集到的振动信号及其对应的时间以文件形式存储到SD卡模块113里作为冗余备份。

当需要多点测量时，可以将传感器分布在不同测点，实现大面积测量；当需要对某个关键部件进行测量时，可以将多个传感器布置在关键部件的各个方向和角度，进行集中测量。

实施例2

如图3-4所示，在实施例1的基础上，本发明还提供了还提供了一种基于上述装置的串联无线结构振动监测系统，包括：电源单元2、无线路由单元3、数据处理单元4以及采集单元1，所述电源单元2通过分线器214给所述无线路由单元3、数据处理单元4以及采集单元1供电；采集单元1包括串联的若干如实施例1中所述的振动采集装置。进一步优选的，还包括电量监控单元。

其中，电源单元2包含可选的电池仓21或变压电源。电池仓包括：电量传感器211，LED电量显示灯212，电池组213，分线器214。无线路由单元3为带mesh功能的无线高速以太网路由器。数据处理集单元4采用计算机、工控机或树莓派微型电脑。

具体来说，本实施例中优选将采集单元1建成串联组，将采集单元1的电源连接接口设计为上下两端，通过两端的电源线17与上一级采集单元1或电源单元2的电源输出端和下一级采集单元1的电源输入端连接，以此供电方法对采集单元1组供电。采集单元1两端的的电源线17带有接线器123，可根据需要灵活选择1米、3米、5米等多种规格的拼接线122。同样，传感器亦采用上述方式扩展传感器线124长度。如果考虑运行环境中高强度的电磁场对信号的干扰，传感器线124采用带屏蔽网的信号线，并且测振传感器12外壳采用金属壳体，以达到屏蔽干扰信号的目的。线端部的接线器123，采用防水的航空接头，以保证单元在电磁干扰和潮湿恶劣的化境下一样能够可靠工作。

该系统通过串组的方式将所有单元串成一整个系统，电源经过变压器降压到单片机111可用的电压为每个单元供电，采集单元1之间布置方式是串接的，每个采集单元1通过并联的方式接入供电总线进行供电，即便其中某个单元损坏，不影响其它设备工作。

另外，如果测试环境不提供电源，则使用电池仓21的供电方式。电池仓21根据监测时间长短可通过并联新的电池组213增加电容量。可根据测量任务所需时间的增加来拼接更多电池组213，扩展电池仓21，达到增加续航时间的目的。进一步优选的，可充电电池如18650锂电池，26650锂电池等，但不仅限于这几种电池。电池仓21内装有一个单片机111，一个WIFI模块112，一个电量传感器211。采用WIFI模块112作为通信模块，通过TCP/IP协议将采集到的振动信号实时传输给数据处理单元4，WIFI模块112的高速以太网传输特性可以保证数据处理单元4实时高速地接收振动信号，从而保证较高的采样精度。

实施例3

本实施例提供了一种分布式的串联无线结构振动监测系统，包括：服务器单元5以及能够在所述服务器单元5控制下进行任意组网的子采集组，其中所述子采集组为实施例2中所述的串联无线结构振动监测系统。通过数据处理单元对各组采集单元1的信号进收集处理，并通过服务器单元5对信号进行汇总，之后对信号进行处理，比如绘制时域或者频域波形，从而更直观地反应故障信息，使操作人员能够实时观测到列车振动情况。服务器单元5采用为计算机、工控机或树莓派微型电脑。

优选地，还可以采用服务器单元5上的系统分析软件来实时监测电池仓21电量，当电量不足，电压会下降，这时通过上位机程序进行报警，告知操作人员更换电池。

具体来说，系统中采集组和采集组之间通过Ethernet通信，可通过无线路由的mesh中继功能或路由功能拓展无线网络采集范围。该系统采用分布式组网，如果有新的采集器入网，可串联更多采集单元1，或增加采集串联组，从而增加采集距离和采集范围来增加子采集组。

系统布置在需要测量位置附近进行监测。如果需要用于大批量多点测量时，则在多个待监测点附近布置采集节点，以形成大面积的传感器网络。每个采集单元1可提供4个MEMS传感器，监测振动信号，该传感器可以是加速度传感器或者位移传感器。系统通过导线将多个采集单元1串起来，并和一个电池仓21或变压电源连接而构成一个串联组，仅通过一个电源即可为该串联采集单元1组供电，提高续航时间。供电总线电路在形式上是串联形式，在电路上采用并联的方式将各个单元并联起来，保证整个系统在某个单元损坏时其他单元仍能正常运行。电池仓21可根据测量任务需求，通过并联多组电池，来增加它的电容量，提升独立供电时系统的续航时间。且电池仓21上装有LED电量显示灯212，实时显示电量。为应对操作人员不在场无法观察电量的情况，它的内部装有电量传感器211，单片机111以及WIFI模块112，组成的电源监测系统，实时监测电量值，电量不足电压下降，并进行低电量报警。

进一步地，采集单元1的电源连接接口设计为上下两端，通过两端的电源线17与上一级采集单元1或电源单元2的电源输出端和下一级采集单元1的电源输入端连接，以此供电方法对采集单元1组供电，并将采集单元1之间彼此串接。具体来说，供电方案也分为以下两种：

方案一：在结构中没有电源时，可以使用电池仓21对系统供电。

方案二：有电源时，直接使用系统电源变压给系统提供直流电。

进一步地优选地，采集单元1节点和电源单元2通过DHCP服务器获取IP地址，组建采集网络。采用WIFI模块112作为通信模块，通过TCP/IP协议将采集到的振动信号实时传输给数据处理单元4，WIFI模块112的高速以太网传输特性可以保证数据处理单元4实时高速地接收振动信号，从而保证较高的采样精度。通过其对各组采集单元1的信号进收集处理，并通过服务器单元5对信号进行汇总，之后对信号进行处理，比如绘制时域或者频域波形，从而更直观地反应故障信息，使操作人员能够实时观测到列车振动情况。

实施例4

本发明实施例的另一方面还提供了一种基于上述系统的分布式的串联无线结构振动监测方法，包括：

S1、将子采集组分布式布置在待检测位置。

S2、组建WIFI路由器网络，启动并初始化各个功能单元。

具体地，给路由器设置网络名称HostName、登陆密码和IP。当子网内部由于距离远而信号弱时，采用mesh无线路由器的mesh组网中继功能，拓展采集网络的覆盖范围。如果两个以上子网可设置好子网内无线路由IP后，路由器通过网线或无线连接，使用路由功能将路由器连接两个子网，进一步拓展采集无线网络覆盖范围。采集组数据处理单元4启动分析软件，TCP服务器和Web服务器。初始化每个采集组的采集单元1和电池仓21。以采集组为单位，为采集单元1节点和电池仓21节点设置本节点名称NodeName。给本组的路由器设置网络名称HostName、密码，以及设置数据处理单元4的IP地址均为运行配置。本步骤只需设置一次，下次启动根据以上运行配置组网，无需重新设置。

S3、为各子采集组内的各采集单元分配动态IP地址，并向所述数据处理单元的IP以TCP协议实时传送采集数据。

具体地，在采集组子网内采集单元1和电池仓21通过HostName、密码连接本组WIFI无线路由单元3，无线路由单元3使用DHCP服务给采集单元1和电池仓21分配动态IP地址。

组网成功后，采集单元1向采集组网内数据处理单元4的IP以TCP协议实时传送采集数据。电池仓21采用同样方式，以时间间隔T2向数据处理单元4传送电量数据。

S4、所述数据处理单元将TCP协议接收到的时域采集数据以文本或二进制形式实时存储到硬盘空间中，并对采集的数据进行处理从而获取特征值数据，一方面送至存储单元保存，一方面发送至服务器进行汇总分析。

具体来说，数据处理单元4将TCP协议接收到的时域采集数据以文本或二进制形式实时存储到硬盘空间中，分析软件实时读取采集数据，进行傅里叶变换和功率谱密度转换操作，得到RMS、功率谱密度频域数据等特征值数据。把每个节点NodeName对应的x、y、z轴采集数据转换后的特征值数据每隔时间间隔T3向硬盘存储一次。

此外数据处理单元4分析软件实时通过TCP包中的源地址，显示子网内有效采集单元1节点名称、数量和电池仓21节点电量的节点状态数据。如果采集单元1节点或采集端出现读取采集数据错误、或失效，采集单元1节点进行判断并上报故障节点到数据处理单元4。

如果有新的采集单元1，电源单元2接入子网，执行S2-S3，便可以使新的单元接入子网。同样，新采集组直接入网亦采用上述方式。如果有节点断开连接,数据处理单元4服务器停止记录该节点。

数据处理单元4以TCP方式或Webservice方式输出特征值数据、节点状态数据给服务器单元5，由服务器单元5进行汇总分析。用户可通过浏览器连接服务器单元5查看采集结果：以网页可视化方式观察到每个采集节点的特征值数据，还可以显示采集节点数量，是否故障，以及电池单元剩余电量。

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。