CN101551936A - 基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块及其监测节点、监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块及其监测节点、监测***，无线环境振动处理模块包括微处理器、电源管理电路和射频模块，微处理器与电源管理电路、射频模块均连接，微处理器上设置有输入输出接口。还可设置AD转换器、信号调理电路和环境振动传感器，以便直接监测。无线环境振动监测节点由无线环境振动处理模块，或者无线环境振动处理模块与传统环境振动监测仪的组合，能完成环境振动的数据采集、监测和传送的任务。无线环境振动监测***由控制电脑或者网关计算机与上述的无线环境振动监测节点组网而成。本发明扩展了传统振动测量仪器的功能，可遥控操作，对环境振动实现多点实时同步监测以及数据的自动采集、分析和处理。

Description

基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块及其监测节点、监测***

技术领域：

本发明涉及一种基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块及其监测节点、监测***，主要用于环境振动的多点实时同步监测。

背景技术：

传统的单通道环境振动测量仪器，一般由速度或加速度计采集信号、放大、A/D转换、简单处理、显示等部分组成，其简单处理模块决定了该仪器的功能较为单一，同时使用者一般要在仪器边操作，但装置的特点在于便携和读数简单。

传统的环境振动多点监测，相比噪声影响的评价在我国尚很少，目前主要仅限于对铁路与地铁等的轨道交通进行测量，为实现仪器的多通道功能，可沿用噪声的需要用延接电缆连接安置在远处的传感器；延接电缆限制了这种应用范围，不是成本太高，就是被障碍物阻挡使得测量困难。常用最简捷的替代方法是由多人、每人操纵一台振动测试仪来完成测量，但这种方法需通过高度协作来减少监测的难度与误差。

较环境噪声的远距离测量，目前尚很少有通过internet或电话线，实现对远距离的遥控环境振动进行监测。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块及其监测节点、监测***，将方便地扩展(或替换)传统振动测量仪器的功能，而改用遥控测量环境振动强度，不但能读数，而且能用比原有仪器多得多的方法处理数据。当多台这样扩展的仪器同时使用时，将具有强大的多点、实时和同步的网络化功能；但相比新增多点同步实时的网络功能，其需要的额外投资很少。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块，其特征在于包括微处理器、电源管理电路和射频模块，微处理器与电源管理电路、射频模块均连接，微处理器上设置有输入输出接口。

本发明还设置有AD转换器、信号调理电路和环境振动传感器，微处理器通过输入输出接口与AD转换器连接，AD转换器与信号调理电路连接，信号调理电路由前置放大器与抗混叠滤波器连接组成，信号调理电路与环境振动传感器连接。

本发明还设置有存储器，微处理器与存储器连接。

本发明所述AD转换器设置有温度传感器。

本发明所述AD转换器设置有电池电量检测电路。

本发明无线环境振动处理模块电源采用充电电池、通用干电池、交流电源中的一种或者交流电源与充电电池、通用干电池之一的组合。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括一种无线环境振动监测节点，该无线环境振动监测节点包括上述的无线环境振动处理模块，还包括传统单通道环境振动监测仪的速度或加速度计、前置放大部分，传统单通道环境振动监测仪的前置放大部分与无线环境振动处理模块连接。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括一种无线环境振动监测节点，该无线环境振动监测节点包括上述的无线环境振动处理模块，还包括传统单通道环境振动监测仪，传统单通道环境振动监测仪的输出接口(可以通过RS232串行接口或USB接口实现连接)与无线环境振动处理模块连接。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括一种无线环境振动监测***，该无线环境振动监测***由控制电脑或者网关计算机与上述的无线环境振动监测节点组网而成。例如由控制电脑与若干个无线环境振动监测节点无线组网而成，控制电脑可盲与鲁棒地接受监测节点加入组网，与无线环境振动监测节点通过中断方式控制，控制电脑同步发送振动采集命令至设定的无线环境振动监测节点，实现在设定时段内同步监测同一监测断面(所述监测断面通常是线状声源——道路、高架桥梁、轨道交通、铁路之类和单幢建筑物内的许多点受到单一振动源的影响面，下同)的若干个监测点的振动情况，并由控制电脑进行分析统计。也可以由控制电脑、网关计算机和无线环境振动监测节点组网而成，网关计算机与控制电脑通过有线或者无线连接，网关计算机与无线环境振动监测节点无线连接，网关计算机与无线环境振动监测节点通过中断方式控制，控制电脑同步发送振动采集命令至设定的网关计算机，网关计算机同步发送振动采集命令至设定的无线环境振动监测节点，实现在设定时段内同步监测若干多个监测断面的若干多个批监测点的振动情况，并由控制电脑进行分析统计。

本发明控制电脑或者网关计算机可以采用各种计算机，例如便携式笔记本电脑，控制电脑通过射频接收发送模块与无线环境振动处理模块交换信息，控制电脑或其他计算机构成网关，为全功能设备。多个台无线环境振动处理模块或者无线环境振动处理模块与环境振动测量仪器的组合就可以由一台控制电脑(即网关)来遥测，这样每一台无线环境振动处理模块(又可以是无线环境振动处理模块与传统单通道环境振动监测仪的组合，或者无线环境振动处理模块与传统单通道环境振动监测仪的振动传感器、前置放大部分的组合)构成了一个无线环境振动监测节点，控制电脑构成了网络网关接点，所有的节接点形成了一种网络化多点实时同步的无线环境振动监测***。

本发明可使用USB接口或RS-232转换器(或者使用开发工具JTAG)连接调试电脑直接下载程序，而不需再有编程器。为了最大限度地节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，微处理器通常选用嵌入式CPU，射频单元主要由低功耗、短距离、基于Zigbee协议标准的无线通信模块组成。无线环境振动监测节点具有振动传感器、信号处理和无线通信功能，既是信息包的发起者，也是信息包的转发者，通过网络自组织和中继路由，将数据向网关(控制电脑，通常采用笔记本电脑，是一个移动的平台)发送；网关还可以使用多种方式与外部网络通信，如移动通信网络、Internet或GPRS等。

去掉无线装置的振动测量仪器将保持其原有功能。另一种选择是，只保留传统单通道环境振动监测仪中的振动传感器(探头)、前置放大部分(包括抗混叠滤波)，去除后续的放大、简单处理、显示等部分功能，与无线通信模块结合甚至集成，构成新型、低成本的无线环境振动监测节点，可构成强大的网络化多点实时同步的无线环境振动监测***。而无线通信模块，随着计算机芯片集成技术的高度发达，已可以采用将单片机与AD转换功能嵌入无线通信模块的芯片，其现有许多产品已达到仅有7mm×7mm的微小平方尺寸，这样无线环境振动监测节点的构成成本可实现最大幅度地降低，很容易实现构造巨大的网络。

本发明所提供的环境振动测量功能与传统的环境振动测量装置相比，具有如下优点：

1、本装置可使用充电电池、通用干电池或交流电源，便于携带和使用，适用于室内与室外最大间距达200m以内的复杂环境的振动测量。这一距离范围为环境振动评价技术规范通常所要求的研究范围，恰巧也是Zigbee无线技术所能覆盖的作用距离，为本技术低成本无缝衔接地应用与实现提供了前提条件。

2、多个无线环境振动监测节点形成网络使用，可以同步或间隔一定微小时间差、实时、方便地应用于对线状声源(桥梁、道路、公路、高架桥梁/道路、轨道交通、铁路、磁浮交通)和单幢建筑物内的许多点受到单一振动源(高层建筑电梯、水泵房等)进行振动随距离(或高度，或方向，或空间，如高层建筑的不同楼层剖面)衰减规律的监测。无线化可从根本上解决被障碍物阻挡使得振动监测仪应用范围受到很大的限制、以及延接电缆缠绕与不便和成本过高等一系列的问题。此外，可以利用特定频率的无线通讯信号，自动测量出所布置环境振动传感器节点模块之间以及与网关之间的距离，通过这一自动定位的功能，为完成监测布点提供方便的辅助手段。同时，对于地铁一类的线状振动源，可在活塞风道内外，通过设置无线信号中继接力的无线模块，实现在地下隧道轨枕和地面监测剖面或建筑物内的多点实时同步监测；而用现在的多台仪器与人工的方法，地面以上的协作，因为难于感知列车何时由远而近的进近过程，较难准确启动仪器采样，只能简单地提早很长时间开始采样，来避免延误。

3、采集的数据可根据需要用软件编程作任意的、使用者想要的处理，一个程序即仪器的一项功能，实现虚拟仪器的功能。至少可以实现以下两种方案的传送与处理：

第一种方案，是将每台传统振动仪本身赋予的测量与处理结果(主要评价量为最大Z振级、统计振级及其偏差等)发给网关，通过带接收为主模块同步收集至笔记本电脑，画制规范要求的振动与结构和时间关系的衰减曲线图；

第二种方案，是将每个无线环境振动监测节点的瞬时或某个时间周期测量值同步发给网关，由控制电脑进行设计所需要的数据处理与画图。

以上所述的无线环境振动监测节点可以是无线环境振动处理模块(包括AD转换器、信号调理电路和环境振动传感器)，又可以是传统单通道环境振动监测仪的全部或者其前端部分与无线环境振动处理模块的组合。

无线环境振动监测***可同时监测甚至多至上百个环境监测点的振动数据，可进行长时间的不间断环境振动测量，根据监测要求输出数据报告与画图。

4、将传统环境振动监测仪中的振动传感器与前置放大部分保留，去除A/D转换、处理、显示等部分功能，与单片机、AD转换和无线通信模块等集成，极易构成新型、低成本的无线环境振动监测节点，可广泛应用于环境振动各个领域的监测。

5、由于集成化的无线化环境振动处理模块很容易做到极小的体积，还可将其应用于多点实时同步监测与汇集建筑物中的固体传声，如来自电梯井的振动影响，用于诊断、研究与优化防治措施；其中，通过在电梯井内和各楼层内附加设置单纯的无线化环境振动处理模块(非环境振动传感器)，可在网关计算机或手提电脑上实现定位计算，同步跟踪电梯振动源的实时方位和移动轨迹，为监测提供常规振动测量方法所根本无法提供的重要数据。

6、环境振动监测时，按监测技术规范，需要避开许多人为的干扰。传统仪器使用时必须有操作者和仪器同时在现场，极易引起过路行人和动物的好奇与围观，因而常常干扰测量。传统振动仪经无线功能扩展后，人机分离，可很好地解除相关问题。

7、利用无线电磁波的穿透功能，本发明将可很容易地克服许多使用常规振动监测仪器所不能逾越的障碍，包括穿透土壤，但带有钢筋等金属屏蔽的情景除外。例如：可应用本发明构成的新型监测***，监测河流、遮挡建筑物等描述其隔振性能的相关振动参数，避免诸如传统环境振动测量仪因不能布线或看不见到来振动事件的麻烦，因而可避免对特定监测时因采用替代简化方案所可能引入的不必要误差，将具强大的应用潜力与前景。

8、去掉无线装置的振动测量仪器将保持其原有功能。

9、本装置也可将网关便携式电脑通过internet、电话线、手机等技术，或作为GPRS环境振动监测网络布点技术中的一种终端，通过已广泛配置的蓝芽超短程通信技术或无线上网，实现与远程实验室的对接，实现现场测试数据向实验室传送的超远程处理，实现动态、准确地跟踪被研究现场环境振动的变化，以便采取对策与优化防治措施，包括专设延伸性局部加密布设振动探头，以提高监测精度。

10、除了网关和重要中继节点，利用Zigbee协议，新的环境振动传感器节点可实现盲的自动加入与移除。

11、本发明将主要应用于基于环境振动测量规范的多点实时同步的监测，因此借助正在兴起并蓬勃进展的Zigbee技术可以很容易、简捷地和低成本地实现。但是，也可以应用于其他振动监测***的建立，例如对含有高频机械振动进行测量与研究，其最大的区别是对采样率和数据处理容量的要求，如仅用Zigbee技术将可能造成协议帮绑定的掉线，以及传送数据的堵塞，解决方案之一是提高硬件的性能，诸如利用DMA功能，或者采用高位(从8位提高增加到16位或32位，根据计算机集成度18个月加倍的莫尔Gordon Moore定理，已经有类似的产品可供应用)的计算机处理技术，以及其他的非Zigbee技术。根据现有的计算机技术并不难实现，但其目前最大的障碍是可能需要增加实现的成本。

12、配置与常规仪器相同的校正。

13、某些Zigbee芯片厂家在其芯片引出了跟踪电池电量的功能，经必要的修正，可借助其观察所操纵的庞大***处于正常的工作状态，必要时迅速更换电池。

本发明同时具有对环境振动实现多点实时同步监测，避免应用常用振动监测仪时需大量人力物力和布线连接复杂等困难；利用电磁波的穿透力，克服某些许多使用常规振动监测仪器所不能逾越的障碍；同时还可以自动实现各个监测点位之间距离的测定，以及应用附加设置无线信号参考节点，完成对振源的自动跟踪监测等功能，生产成本低，可大量应用。

附图说明：

图1为本发明实施例无线环境振动处理模块的一种结构示意图。

图2为本发明实施例无线环境振动处理模块的另一种结构示意图。

图3为本发明实施例第二种无线环境振动监测***的结构示意图。

图4为本发明实施例第一种无线环境振动监测***控制电脑无线模块流程图。

图5为本发明实施例第一种无线环境振动监测***控制电脑无线模块发送信号至各节点的流程图。

图6为本发明实施例第一种无线环境振动监测***无线环境振动处理模块的流程图。

具体实施方式：

参见图1～图6，本发明实施例无线环境振动处理模块的第一种结构适用于对传统单通道环境振动监测仪的扩展，即将传统单通道环境振动监测仪(或者传统单通道环境振动监测仪的速度或加速度计、前置放大部分)和本发明实施例无线环境振动处理模块的微处理器1的输入输出接口11(例如USB或RS232转换器)连接构成无线环境振动监测节点，无线环境振动处理模块包括微处理器1、电源管理电路2和射频模块3，以上模块集成形成微型化的嵌入式***，这一种结构的好处是充分利用原有的环境振动监测仪，成本低、改建工作量小。参见图2、本发明实施例无线环境振动处理模块的另一种结构包括微处理器1、电源管理电路2、射频模块3、存储器4、AD转换器5、信号调理电路6和环境振动传感器7(一般推荐使用精度较高的电容式)，微处理器1与电源管理电路2、射频模块3、存储器4、AD转换器5均连接，AD转换器5与信号调理电路6连接，信号调理电路6与环境振动传感器7连接，该结构构成了无线环境振动监测***中的最常用的一种无线环境振动监测节点，是本发明无线环境振动监测***的支持基础与实现平台。本发明实施例无线环境振动监测***由若干个全功能设备(例如控制电脑、网关计算机等)与若干个削减功能设备即无线环境振动监测节点(例如无线环境振动处理模块，或无线环境振动处理模块与传统单通道环境振动监测仪的组合，或无线环境振动处理模块与传统单通道环境振动监测仪的振动传感器、前置放大部分的组合)组网而成，参见图3。目前，国内外已经出现了许多种无线网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信与协议方式，例如采用自定义协议、IEEE802.11协议、Zigbee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等等。

由于交通和工业环境振动的传播距离范围与评价要求最远大都在100m范围以内，同时根据有关的环境振动监测规范，如最新的《声环境质量标准》(GB3096-2008)中对环境振动监测仪器的规范要求，环境振动采样时间间隔应不大于1s，数据量属于相对低传输范围，因此本发明无线环境振动监测节点可采用低功耗的微处理器、通信模块、电源管理电路等，节点功能模块示意图如图1、图2所示。控制电脑、网关计算机、无线环境振动监测节点间的联接可以采用各种网络连接模式，例如星形、树形或网状模式。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的无线技术，主要用于近距离无线连接。依据802.15.4标准，它可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及***成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。ZigBee协议有如下的技术优势：

■数据传输速率：可控制在10k字节/秒到250k字节/秒。

■待机模式下功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用六个月到两年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的独特优势。

■成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。

■网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。

■时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间，能满足本应用的要求。

■安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

■有效范围小：室内有效覆盖范围10～75米之间，室外具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖环境振动监测时的地形环境。

■工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

本发明可以将一台振动监测仪功能递增加为：在一定的距离范围外，不直接操作该台仪器，而改用遥控测量环境振动强度，不但能读数，而且能用比原有仪器多得多的方法处理数据。当多台这样扩展的仪器同时使用时，将具有强大的多点、实时和同步的网络化功能。但相比新增多点同步实时的网络功能，其需要的额外投资很少。

除了科研和一些特殊监测的少量情形要求外，随着我国有关环境标准与技术导则的规范化与系列化，我国国家环保部已针对相关规划、行业和项目的环境影响评价与环境竣工验收中，明文要求开展一系列多点同步实时环境振动的监测，使得环境振动的多点实时同步监测具有巨大的技术应用市场。

凡是本发明实施例技术方案和技术特征的简单变形或组合，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种基于Zigbee技术的无线环境振动处理模块，其特征在于：包括微处理器、电源管理电路和射频模块，微处理器与电源管理电路、射频模块均连接，微处理器上设置有输入输出接口。

2、根据权利要求1所述的无线环境振动处理模块，其特征在于：还设置有AD转换器、信号调理电路和环境振动传感器，微处理器通过输入输出接口与AD转换器连接，AD转换器与信号调理电路连接，信号调理电路与环境振动传感器连接。

3、根据权利要求2所述的无线环境振动处理模块，其特征在于：还设置有存储器，微处理器与存储器连接。

4、根据权利要求2所述的无线环境振动处理模块，其特征在于：所述AD转换器设置有温度传感器。

5、根据权利要求2所述的无线环境振动处理模块，其特征在于：所述AD转换器设置有电池电量检测电路。

6、根据权利要求1～5任一权利要求所述的无线环境振动处理模块，其特征在于：无线环境振动处理模块电源采用充电电池、通用干电池、交流电源中的一种或者交流电源与充电电池、通用干电池之一的组合。

7、一种无线环境振动监测节点，其特征在于：包括权利要求1所述的无线环境振动处理模块，还包括传统单通道环境振动监测仪的速度或加速度计、前置放大部分，传统单通道环境振动监测仪的前置放大部分与无线环境振动处理模块连接。

8、一种无线环境振动监测节点，其特征在于：包括权利要求1所述的无线环境振动处理模块，还包括传统单通道环境振动监测仪，传统单通道环境振动监测仪的输出接口与无线环境振动处理模块连接。

9、一种无线环境振动监测***，其特征在于：由控制电脑与若干个无线环境振动监测节点无线组网而成，控制电脑与无线环境振动监测节点通过中断方式控制，控制电脑同步发送振动采集命令至设定的无线环境振动监测节点，实现在设定时段内同步监测同一监测断面的若干个监测点的振动情况。

10、一种无线环境振动监测***，其特征在于：由控制电脑、网关计算机和无线环境振动监测节点组网而成，网关计算机与控制电脑通过有线或者无线连接，网关计算机与无线环境振动监测节点无线连接，网关计算机与无线环境振动监测节点通过中断方式控制，控制电脑同步发送振动采集命令至设定的网关计算机，网关计算机同步发送振动采集命令至设定的无线环境振动监测节点，实现在设定时段内同步监测若干个监测断面的若干批监测点的振动情况。

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