發(fā)布時(shí)間：2020-08-03 13:10

【摘要】：橋梁的安全直接關(guān)系到車輛和行人的安全,傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)已難以滿足目前多元化的需求,而傳感器電池的頻繁更換既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。本文根據(jù)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的不足,結(jié)合橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,對(duì)于橋梁的無(wú)線、集群監(jiān)測(cè)以及振動(dòng)能量收集技術(shù)進(jìn)行了研究,研發(fā)出無(wú)線低功耗加速度傳感器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)以及云平臺(tái),構(gòu)成了一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),對(duì)不同位置的橋梁進(jìn)行了架構(gòu)與監(jiān)測(cè),并研發(fā)了一種新型懸臂梁能量收集裝置,可為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下所示。研發(fā)了一種低功耗、高靈敏度的無(wú)線加速度傳感器。通過(guò)集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與無(wú)線通信設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)等,完成了無(wú)線加速度傳感器感知節(jié)點(diǎn)的制作。通過(guò)標(biāo)定和性能對(duì)比測(cè)試,驗(yàn)證了該傳感器在數(shù)據(jù)采集方面的精確性。該傳感器體積小、易安裝、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸,解決了傳統(tǒng)布線監(jiān)測(cè)的困難,適用于橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)。研制了一種無(wú)線壓電懸臂梁傳感器。根據(jù)特定的橋梁環(huán)境,使用理論計(jì)算結(jié)果結(jié)合仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證壓電懸臂梁的自振頻率與數(shù)據(jù)產(chǎn)生能力,設(shè)計(jì)了一種矩形壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)研發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、微控制器模塊和無(wú)線傳輸模塊等硬件集成系統(tǒng),結(jié)合壓電懸臂梁形成了一種新型的無(wú)線壓電懸臂梁傳感器,適用于基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)了一種新型橋梁振動(dòng)能量收集裝置。針對(duì)如何提高壓電懸臂梁在橋梁環(huán)境中的能量輸出問(wèn)題,研究了不同形狀對(duì)懸臂梁壓電振子發(fā)電能力的影響,通過(guò)模擬以及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三角形壓電振子相比于矩形和梯形壓電懸臂梁具有更大的發(fā)電能力,且固有頻率比矩形和梯形壓電懸臂梁低,在橋梁低頻環(huán)境中可以產(chǎn)生更大的電能輸出。為了拓寬三角壓電懸臂梁的共振頻率點(diǎn),在三角壓電懸臂梁中間鏤空出兩個(gè)較小的三角壓電懸臂梁,通過(guò)建模仿真分析,鏤空三角壓電懸臂梁在低頻以內(nèi)共產(chǎn)生四次共振,相對(duì)更加適合橋梁低頻環(huán)境的應(yīng)用。研究了基于彈簧的矩形壓電懸臂梁結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)表明,彈簧矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)可以加寬共振點(diǎn)的頻率范圍,并且相比較無(wú)彈簧的矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)具有較高的輸出電壓。設(shè)計(jì)了一種混合型壓電盒子,集成三角形與彈簧矩形壓電懸臂梁,可收集橋梁多個(gè)頻段的能量為傳感器供電。研發(fā)了一種數(shù)據(jù)集成并無(wú)線傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)。通過(guò)集成電路設(shè)計(jì)、無(wú)線數(shù)據(jù)接收以及無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì),完成了對(duì)網(wǎng)關(guān)的制作。通過(guò)通信性能測(cè)試,得出了網(wǎng)關(guān)與傳感器的有效通信距離。網(wǎng)關(guān)作為傳感器與服務(wù)器的中樞,其使用470M頻段與感知節(jié)點(diǎn)傳感器進(jìn)行通信,無(wú)線接收方圓600米內(nèi)的傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,然后通過(guò)4G數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有電能管理模塊,通過(guò)鋰電池和太陽(yáng)能雙重供電,具有自供電的功能。開(kāi)發(fā)了云平臺(tái)終端。平臺(tái)遠(yuǎn)程接收存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)傳來(lái)的傳感器數(shù)據(jù),并進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)展示。云平臺(tái)采用Browser/Server模式、Model-View-Controller架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā),包括數(shù)據(jù)層、邏輯層、表現(xiàn)層與客戶層。云平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)終端,可對(duì)所有監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一管理。本研究成果作為國(guó)家863課題研究?jī)?nèi)容,已通過(guò)技術(shù)驗(yàn)收,獲得專家認(rèn)可。示范工程測(cè)試也驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。本研究研發(fā)的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合新型壓電懸臂梁能量收集裝置,形成了一套自供電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),也為綠色能量收集、應(yīng)用探索出新的路徑,提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U446
【圖文】：

逑壓電換能器通過(guò)電源管理芯片給節(jié)點(diǎn)中的低功耗ＣＰＵ、低功耗ＲＦ通信模塊以及加逡逑速度傳感器供電。感知節(jié)點(diǎn)的電路圖如圖３－２所示。逡逑ＡＤＸＬ３４５邋內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘逡逑Ａ逡逑ＳＷＤ邋＜邐邋｜邋傳？采集邋｜邋｜邋ＲＴＣ］￣逡逑串邐邐ＳＴＭ３２Ｌ１５２邐￣￣電源逡逑外部ｉ．．ｏ邋Ｕ邐邋ＳＰＩ逡逑接口邐邐邐邐邐逡逑＿Ｉ邋［，；邋逡逑ＬＥＤ邐ＣＣ１１０１逡逑圖３－邋１基于ＡＲＭ的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖逡逑Ｉ－逡逑：曑邋ＢｇＴ—？＿ｑ＿＿邋—逡逑５茲二－二：二二＾二：：一邐，——Ｔ－邋Ｉ邋ｔ逡逑ＩＩ~枺掊義希蒎危疲荊咤義螻ｉｔｉ邋＝ｆｅ＞邋NN邐丨：徹一一二邋＂邋ｒ逡逑＊＊？邋＾邐ｐｉｔｕｒｕｉｎ逡逑Ｌ＿邋－－——Ｉ邋＇邐■邋－邐Ｉ邐」１邐］邐■■丨．．■“逡逑圖３－２數(shù)據(jù)采集與傳輸電路圖逡逑為保證低功耗和高處理性能，系統(tǒng)采用３２位低功耗ＡＲＭ處理器，并利用高逡逑性能的電池管理方案和高精度的精密ＭＥＭＳ加速度傳感器。采用低功耗的電源管逡逑理芯片，對(duì)內(nèi)置電池以及外接電源進(jìn)行管理。通信使用ＣＣ１１０１射頻芯片，利用逡逑ＧＦＳＫ傳輸方式，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，并利用低功耗喚醒技術(shù)，最大程度減少功逡逑耗。逡逑系統(tǒng)主要包含以下部分：逡逑？電源管理，用于電池、外接電源的充放電管理；逡逑＊加速度傳感器，用于米集加速度信號(hào)；逡逑＊其他元器件

逑ＣＰＵ模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、多個(gè)數(shù)字接口等，其中，傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)４３３逡逑通信模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至網(wǎng)關(guān)。傳感器封裝示意圖如圖３－４所示，電源管理芯片逡逑如圖３－５所示。逡逑Ｔ邐Ｆ裝口取逡逑ｉ邐W嚴(yán)丨逡逑應(yīng)力Ｋ變傳感邐？Ｖ邐ＣＰＵ逡逑＊數(shù)ＩＢ采免接逡逑圖３－３傳感器硬件示意圖逡逑蠢虐逡逑亁乫逡逑攀攀Ｉ逡逑圖３－４傳感器封裝示意圖逡逑＾ＱＯｍ邋ｆｉ！逡逑墨醒ＨＷ逡逑灥逡逑圖３－５電源管理芯片示意圖逡逑本文研發(fā)的無(wú)線加速度傳感器硬件的模塊功能介紹如下所示。逡逑（１）電源管理逡逑－２５邋－逡逑

逑ＣＰＵ模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、多個(gè)數(shù)字接口等，其中，傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)４３３逡逑通信模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至網(wǎng)關(guān)。傳感器封裝示意圖如圖３－４所示，電源管理芯片逡逑如圖３－５所示。逡逑Ｔ邐Ｆ裝口取逡逑ｉ邐W嚴(yán)丨逡逑應(yīng)力Ｋ變傳感邐？Ｖ邐ＣＰＵ逡逑＊數(shù)ＩＢ采免接逡逑圖３－３傳感器硬件示意圖逡逑蠢虐逡逑亁乫逡逑攀攀Ｉ逡逑圖３－４傳感器封裝示意圖逡逑＾ＱＯｍ邋ｆｉ！逡逑墨醒ＨＷ逡逑灥逡逑圖３－５電源管理芯片示意圖逡逑本文研發(fā)的無(wú)線加速度傳感器硬件的模塊功能介紹如下所示。逡逑（１）電源管理逡逑－２５邋－逡逑

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