一種提高采樣頻率的大型建筑結構無線傳感監測網絡系統的制作方法

本發明涉及一種大型建筑結構的無線傳感監測網絡系統，尤其涉及一種提高采樣頻率的大型建筑結構無線傳感監測網絡系統。

背景技術：

無線傳感系統通過將傳感技術和無線傳輸技術相結合，將分散在結構各部分的傳感器組合為一個傳感網絡，在實際使用中只需經過少數的信號中轉即可實現建筑結構內部或表面的無線信號全覆蓋，從而可以不受限制的布置監測測點，繼而可以得到更加全面完整地健康監測信息。然而，當無線傳感系統應用到大型建筑結構的健康監測領域中，由于監測測點的類型和數量都很多，且測點之間的距離通常相當遠，必須使用特定的適應性強的無線組網系統才能實現大型建筑結構無線健康監測的信號全覆蓋。

在現有的無線傳感系統中，通常使用低功耗單片機作為中央處理器，而單片機由于性能不足通常只能進行單線程操作，因此，采集數據和回傳數據通常無法獨立運行。與此同時，由于無線傳感系統傳輸的數據較為簡單且系統對功耗的要求非常嚴格，因此現有的無線傳感系統通常采用自定義無線通訊協議，而小功率自定義通訊協議最大的弊端就是在傳輸過程中同一時刻只能接收或發送一條指令，否則會導致指令之間相互沖突。因此，現有的無線傳感系統只能通過遍歷通訊的方式進行數據通訊，對于小規模的結構健康監測，這種數據通訊模式還可以勉強適用，如果健康監測的對象是大型建筑結構，系統中可能會有成百上千個不同類型的測點，此時再使用這種通訊模式則單個測點的采樣頻率將會大幅度降低。此時不僅所有測點采集數據的同步性不能得到有效的保證，單個測點若想實現高頻率的動態監測也不再可能。

技術實現要素：

本發明的目的是通過在無線傳感健康監測系統中引入通訊地址id機制以及rom存儲模塊，實現了可高頻采集的大型建筑結構無線傳感健康監測網絡系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種提高采樣頻率的大型建筑結構無線傳感監測網絡系統，該系統由若干獨立的監測測點、若干用于通訊的路由節點和采集終端通過無線網絡組成，所述監測測點由動態傳感采集模塊、低功耗中央控制模塊、無線通訊模塊以及動態存儲模塊組成；所述路由節點僅由低功耗中央控制模塊和無線通訊模塊組成。

為了保證無線傳感網絡在復雜的網絡形式下能夠正常有效的通訊，無線傳感網絡中每個監測測點和路由節點均被賦予一個獨立的本機id和唯一的上級設備id，路由節點還擁有多個子路由id，通過在指令中添加相應的id信息可對任意監測測點或路由節點進行操作而不影響其他測點或路由節點。

所述采集終端發送無線采集指令，監測測點和路由節點均通過判斷無線采集指令中的id信息和指令編號來確定對指令的響應方式，監測測點只能響應來自上級id的指令，路由節點既可以轉發來自上級id的指令給下級子路由和監測測點，又可以轉發來自監測測點和下級子路由的回傳數據；監測測點根據無線采集指令實現多次自動采集，且采集數據后可直接將數據保存至動態存儲模塊中而不進行數據回傳，從而可以實現高頻率的多次自動采集且無需進行大量無線通訊操作，存儲結束后可立即進行下一次采集操作而無需等待下一次采集指令。所述動態存儲模塊內部建立相應的存儲索引，監測測點可根據所需采樣精度和采集數據類型進行智能數據壓縮，并對錯誤值和異常值進行智能剔除，當進行數據壓縮、數據剔除、數據覆蓋時，存儲索引將自動更新。當需要讀取監測測點內動態存儲模塊中的數據時，測點的中央控制模塊根據存儲索引將數據進行分割處理，逐個數據包回傳給采集終端，大幅降低了無線通訊次數，降低了測點功耗。

進一步地，所述動態存儲模塊由多個rom存儲芯片組合而成。

進一步地，為了保證動態采集的數據可以高效有序的進行存儲和讀取，測點內的低功耗中央控制模塊采用智能存儲算法。具體操作為：測點收到自動采集并存儲的命令后，中央控制模塊首先根據采集次數計算出所需的存儲空間，并將存儲空間的索引地址保存至測點內存中；其次，中央控制模塊將每次采集的原始數據直接記錄在存儲中，待到采集完畢后中央控制模塊根據所采集數據特征對原始數據進行智能識別，對于錯誤值或明顯偏離正常范圍的數據進行剔除；接著，中央控制模塊根據采集數據的類型和所需精度對原始數據進行智能數據壓縮并保存，并將改變后的存儲索引進行更新；最后，測點在收到取回數據命令后按照相應的索引進行數據返回操作。智能數據壓縮算法可根據所需精度和采集數據類型進行數據壓縮，采集前通過設置合理的精度可以保證既能夠滿足監測的要求又能夠節省大量的存儲空間；此外，通過對于不同類型的監測數據在不同的時間范圍內進行平均，將波動的原始數據分解為平均值和脈動值進行存儲亦可以節約存儲空間。

進一步地，當多次自動采集結束之后，需要采集終端發送具體的取回數據命令，中央控制模塊從動態存儲模塊中讀取出所需數據的首末地址，將首末地址之間的存儲數據取出并打包成固定大小的數據包，將數據包依次通過無線通訊模塊回傳給采集終端。

進一步地，當存儲空間被完全占滿后，中央控制模塊將會自動把最先一次的存儲空間進行釋放，清除相應的存儲索引值，重新建立新的索引值并將數據存儲到清空的區域中，如若單塊索引區域空間不足，則自動刪除多段索引區域空間。

進一步地，當監測測點進入休眠掉電狀態后，動態存儲模塊中的數據仍然不會丟失，采集終端如果需要再次取回數據只需在喚醒監測測點后再次發送取回數據指令即可。

本發明的有益效果是：為了保證無線傳感網絡在大型建筑結構健康監測的復雜環境中仍能正常通訊，每個測點和路由節點均被設置了獨立的id信息，無線通訊指令中包含了相關的id信息和指令編號，路由節點和監測測點可通過識別相應信息進行操作。為了提高測點采樣頻率，每個監測測點可單獨進行多次自動采集，且采集數據直接存儲至動態存儲模塊中而不通過無線通訊進行數據回傳，每個測點可以獨立采集并存儲數據而無需遍歷傳輸數據，因此測點的采樣頻率可以大幅提高。采集結束后，測點可對采集的原始數據進行智能管理操作，通過建立相應的索引保證數據可以被高效的讀寫，通過智能數據壓縮和識別技術減少了所需的存儲空間。保存在動態存儲模塊中的數據可以通過分割打包的方式，逐個回傳給采集終端，大幅減少了無線通訊的次數，降低了測點功耗。本發明通過引入動態存儲模塊，可以讓原本需要實時無線傳輸數據的數據采集變為可實時存儲的高頻自動采集，數據在采集完畢后再依次取回數據，不僅大幅減少了無線通訊的次數，降低了系統功耗，在監測測點較多的情況下還可以保證系統仍能進行高頻率采集，從而得到實用價值更高的監測數據。

附圖說明

圖1為本發明中無線傳感健康監測系統示意圖；

圖2(a)為本發明中路由節點對指令信息的判斷邏輯示意圖；

圖2(b)為本發明中監測測點對指令信息的判斷邏輯示意圖；

圖3為本發明中監測測點的組成模塊相互關系示意圖；

圖4為本發明中不同采集模式的判斷流程框架圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

完整的健康監測系統由采集終端、路由節點以及監測測點組成，不同點之間均可通過自定義無線通訊協議進行數據通訊，采集終端收到的數據通過internet發送至監測數據云中。系統示意圖如圖1所示。

采集終端通常距離傳感測點距離較遠，無線信號難以直接傳達，因此需要使用帶有命令轉發功能的路由節點。在這種情況下，為了避免網絡中出現多重信號干擾，系統中每一個監測測點或路由節點都擁有一個本機id和上級設備id，路由節點還可以保存多個下級路由節點的id。每個id包含設備類型和設備的具體編號。無線通訊模塊之間傳遞指令的標準格式包括發送指令的源設備id、下發指令最末端的路由節點的id、最終指向的目標的id以及指令攜帶的附加參數。

當采集終端發送目標為監測測點的指令后，指令應逐級向下級發送至監測測點，路由節點將對指令內的id信息進行判斷，并決定如何對信息進行轉發。此時屬于數據下發指令過程，路由節點判斷步驟將如圖2(a)中虛線框內所示。當監測測點接收到指令時，測點亦將根據命令中的id信息進行判斷，對無關的指令將不做響應，具體判斷過程如圖2(b)所示。當監測測點任務執行完畢需要返回數據時，測點將發送標準格式的指令，指令應逐級上傳至采集終端，因此路由節點將對指令的id信息進行判斷，并決定該如何處理指令。此時屬于回傳數據過程，路由節點判斷步驟將如圖2(a)中實線框內所示。

每個監測測點均由動態傳感采集模塊、低功耗中央控制模塊、無線通訊模塊以及動態存儲模塊組成。低功耗中央控制模塊主要由單片機構成，它作為整個測點的核心部件，起到與其他模塊通訊和數據處理的作用；動態傳感采集模塊包含傳感器以及數字轉換模塊，傳感器將各種物理量轉化為模擬信號或數字信號，而數字轉換模塊則將采集到的信號轉化為系統所需的數字信號；無線通訊模塊負責發送與接收數據，采用自定義通訊協議進行通訊；動態存儲模塊采用低功耗存儲芯片，可通過串聯多個芯片的方式組合成大容量存儲芯片，存儲數據斷電情況下仍可以保留。四個主要模塊的相互關系如圖3所示。

當需要進行數據采集時，監測測點可以通過識別指令信息來決定不同的采集模式，單次采集情況下，中央控制模塊驅動傳感模塊采集并傳回數據，隨后中央控制模塊按照指令要求傳輸或存儲數據，單次采集操作至此完成。自動采集模式下，中央控制模塊啟動循環采集模式，即每隔一段時間執行一次單次采集操作，具體內容與單次采集操作完全相同，間隔時間由指令控制，當自動采集到達指令規定的采集次數后自動采集隨即結束。具體采集模式如圖4所示。

當采用自動采集模式并使用動態存儲模塊進行數據存儲時，中央控制模塊首先根據采集次數計算出所需的存儲空間，并將存儲空間的起止索引地址保存至測點內存中；之后中央控制模塊將每次采集的原始數據直接記錄在存儲中，在采集過程中中央控制模塊將不會響應除了停止采集之外的指令，從而保證傳感監測測點能夠穩定高速的進行采集，待到采集完畢后中央控制模塊根據所采集數據特征對原始數據數據進行智能識別，對于錯誤值或明顯偏離正常范圍的數據進行剔除；接著中央控制模塊將根據采集數據的類型和所需精度對原始數據進行智能數據壓縮并保存，并將改變后的存儲索引進行更新；采集過程結束后，當監測測點接收到數據取回指令時，中央控制模塊將根據之前記錄的首末存儲地址索引，將存儲的數據分割為多個數據包，并將數據包按照標準指令格式通過無線通訊模塊傳輸給采集終端。