一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统

摘要

本发明公开了一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，包括前端采集模块、无线传输模块和后台管理服务器，前端采集模块包括应力采样信号放大电路、复合稳定电路、降噪滤波电路、A/D转换器和微处理器，应力采样信号放大电路采用测量放大器来对应力传感器的检测信号进行放大处理，避免零漂干扰精度，有效降低系统误差，复合稳定电路对应力采样信号放大电路的输出信号进行幅值稳定和消除纹波，提升系统的分辨度；降噪滤波电路利用低通滤波器原理可以很好地消除外界电磁干扰，提升了应力检测信号的处理精度；本发明系统监控精度高，抗干扰能力强，达到了对建筑结构应变信号高精度的采集与无线传输，取得了较好的监测效果。

权利要求

1.一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，包括前端采集模块、无线传输模块和后台管理服务器，其特征在于：所述前端采集模块包括应力采样信号放大电路、复合稳定电路、降噪滤波电路、A/D转换器和微处理器，所述应力采样信号放大电路包括用于采集建筑结构形变情况的 应力传感器，所述应力传感器的检测信号经测量放大器进行信号放大后送入所述复合稳定电路中，所述测量放大器包括运放器U1、U2、U3，运放器U1的同相输入端通过电阻R2连接电阻R1、电容C1的一端和所述应力传感器的第一输出端，并通过电阻R4接地，运放器U2的同相输入端通过电阻R3连接电阻R1、电容C1的另一端和所述应力传感器的第二输出端，并通过电阻R4接地，运放器U1的反相输入端连接电阻R6、R7的一端，运放器U1的输出端连接电阻R7的另一端和运放器U3的反相输入端，运放器U2的反相输入端连接电阻R6的另一端和电阻R8的一端，运放器U2的输出端连接电阻R8的另一端和运放器U3的同相输入端，并通过电阻R9接地，运放器U3的输出端连接所述复合稳定电路的输入端，并通过并联的电阻R10、电容C2连接运放器U3的反相输入端；

所述复合稳定电路用于对所述应力采样信号放大电路的输出信号进行幅值稳定和消除纹波，然后将处理后的检测信号送入所述降噪滤波电路中，所述复合稳定电路包括三极管T1、T2和MOS管Q1，三极管T1的基极连接稳压二极管DZ1的阴极和变阻器RP1的引脚3，稳压二极管DZ1的阳极接地，变阻器RP1的引脚1连接+5V电源，变阻器RP1的引脚2通过电阻R11接地，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极连接二极管VD1的阴极、三极管T2的基极和电阻R12的一端，二极管VD1的阳极与三极管T2的发射极连接电阻R13的一端和稳压二极管DZ2的阴极，稳压二极管DZ2的阳极接地，电阻R13的另一端连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极、三极管T2的集电极与电阻R12的另一端连接运放器U3的输出端，MOS管Q1的源极连接所述降噪滤波电路的输入端，并通过电容C3接地；

所述降噪滤波电路包括三极管T3、T4，三极管T3的发射极通过电阻R14连接电阻R15、电容C4的一端和所述复合稳定电路的输出端，电阻R15、电容C4的另一端连接三极管T4的发射极，三极管T3的基极、集电极与T4的基极通过电阻R16接地，三极管T4的集电极连接运放器U4的同相输入端，并通过并联的电阻R17、电容C5接地，运放器U4的反相输入端连接电阻R18、电容C6的一端和运放器U5的反相输入端，运放器U4的输出端连接电阻R22的一端、MOS管Q2的漏极和电阻R18的另一端，并通过电阻R19连接运放器U5的同相输入端和电阻R20的一端，电阻R20的另一端接地，运放器U5的输出端连接电容C6的另一端，并通过电阻R21连接三极管T4的发射极，MOS管Q2的栅极连接电阻R22的另一端和稳压二极管DZ3的阴极，稳压二极管DZ3的阳极接地，MOS管Q2的源极连接电感L1、电容C7的一端，电感L1的另一端连接电容C8的一端和所述A/D转换器的输入端，电容C7、C8的另一端接地，所述A/D转换器的输出端连接所述微处理器，所述微处理器用于将应力采集数据通过所述无线传输模块远程传输到所述后台管理服务器。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，其特征在于：所述应力传感器选用箔式电阻应变片。

3.根据权利要求1或2所述的基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，其特征在于：所述微处理器选用型号为CC2430单片机。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，其特征在于：所述无线传输模块选用ZigBee无线模块。

说明书

一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑结构应变监测技术领域，特别是涉及一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统。

背景技术

[0002] 建筑结构监测主要包含钢筋混凝土结构、木结构和钢结构等建筑上部结构施工过程和运营阶段监测。建筑结构监测是了解现阶段结构健康状况的重要手段，也可以作为建
筑结构鉴定以及安全性与可靠性评估的参考。近几年桥梁、房屋、隧道等大型建筑倒塌事故
发生频繁，给国家造成了重大经济损失，而传统的建筑结构应变监测技术精度差、误差较
大，且布线繁琐，在应用上存在较大的局限性。

[0003] 物联网（Internet of Things）技术主要指让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络，可以很好地优化建筑结构的监测流程，因此基于物联网的建筑结构应
变无线监测系统逐渐得以发展与应用。目前的基于物联网的建筑结构应变无线监测系统主
要由前端采集模块、无线传输模块和后台管理模块组成，前端采集模块通过设置传感器节
点来完成应变数据采集，而在实际采集过程中应力检测信号的传输会受到外界因素的干
扰，例如外界电磁干扰、温度影响，以及制造工艺产生的零点漂移现象等等，都会造成测量
数据出现误差，从而影响整个无线监测系统的监控精度。

[0004] 所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。

发明内容

[0005] 针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统。

[0006] 其解决的技术方案是：一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，包括前端采集模块、无线传输模块和后台管理服务器，所述前端采集模块包括应力采样信号放大电
路、复合稳定电路、降噪滤波电路、A/D转换器和微处理器，所述应力采样信号放大电路包括
用于采集建筑结构形变情况的应力传感器，所述应力传感器的检测信号经测量放大器进行
信号放大后送入所述复合稳定电路中；所述复合稳定电路用于对所述应力采样信号放大电
路的输出信号进行幅值稳定和消除纹波，然后将处理后的检测信号送入所述降噪滤波电路
中；所述降噪滤波电路包括三极管T3、T4，三极管T3的发射极通过电阻R14连接电阻R15、电
容C4的一端和所述复合稳定电路的输出端，电阻R15、电容C4的另一端连接三极管T4的发射
极，三极管T3的基极、集电极与T4的基极通过电阻R16接地，三极管T4的集电极连接运放器
U4的同相输入端，并通过并联的电阻R17、电容C5接地，运放器U4的反相输入端连接电阻
R18、电容C6的一端和运放器U5的反相输入端，运放器U4的输出端连接电阻R22的一端、MOS
管Q2的漏极和电阻R18的另一端，并通过电阻R19连接运放器U5的同相输入端和电阻R20的
一端，电阻R20的另一端接地，运放器U5的输出端连接电容C6的另一端，并通过电阻R21连接
三极管T4的发射极，MOS管Q2的栅极连接电阻R22的另一端和稳压二极管DZ3的阴极，稳压二
极管DZ3的阳极接地，MOS管Q2的源极连接电感L1、电容C7的一端，电感L1的另一端连接电容
C8的一端和所述A/D转换器的输入端，电容C7、C8的另一端接地，所述A/D转换器的输出端连
接所述微处理器，所述微处理器用于将应力采集数据通过所述无线传输模块远程传输到所
述后台管理服务器。

[0007] 优选的，所述测量放大器包括运放器U1、U2、U3，运放器U1的同相输入端通过电阻R2连接电阻R1、电容C1的一端和所述应力传感器的第一输出端，并通过电阻R4接地，运放器
U2的同相输入端通过电阻R3连接电阻R1、电容C1的另一端和所述应力传感器的第二输出
端，并通过电阻R4接地，运放器U1的反相输入端连接电阻R6、R7的一端，运放器U1的输出端
连接电阻R7的另一端和运放器U3的反相输入端，运放器U2的反相输入端连接电阻R6的另一
端和电阻R8的一端，运放器U2的输出端连接电阻R8的另一端和运放器U3的同相输入端，并
通过电阻R9接地，运放器U3的输出端连接所述复合稳定电路的输入端，并通过并联的电阻
R10、电容C2连接运放器U3的反相输入端。

[0008] 优选的，所述复合稳定电路包括三极管T1、T2和MOS管Q1，三极管T1的基极连接稳压二极管DZ1的阴极和变阻器RP1的引脚3，稳压二极管DZ1的阳极接地，变阻器RP1的引脚1
连接+5V电源，变阻器RP1的引脚2通过电阻R11接地，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集
电极连接二极管VD1的阴极、三极管T2的基极和电阻R12的一端，二极管VD1的阳极与三极管
T2的发射极连接电阻R13的一端和稳压二极管DZ2的阴极，稳压二极管DZ2的阳极接地，电阻
R13的另一端连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极、三极管T2的集电极与电阻R12的另一端
连接运放器U3的输出端，MOS管Q1的源极连接所述降噪滤波电路的输入端，并通过电容C3接
地。

[0009] 优选的，所述应力传感器选用箔式电阻应变片。

[0010] 优选的，所述微处理器选用型号为CC2430单片机。

[0011] 优选的，所述无线传输模块选用ZigBee无线模块。

[0012] 通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

[0013] 1.应力采样信号放大电路采用测量放大器来对应力传感器的检测信号进行放大处理，很好地提升输入阻抗，且对称性好，具有很高的共模抑制比，从而可以很好地避免引
入干扰，运用差分放大原理避免零漂干扰精度，有效降低系统误差，消除周期性噪声和脉冲
噪声干扰，改善检测信号输出波形；

[0014] 2.复合稳定电路对应力采样信号放大电路的输出信号进行幅值稳定和消除纹波，提升系统的分辨度；

[0015] 3.降噪滤波电路利用低通滤波器原理可以很好地消除外界电磁干扰，并利用双运放反馈调节提升滤波器的Q值，具有良好的低通滤波效果，同时保证滤波过程具有很好的稳
定度，能有效滤除应变检测信号中的干扰，极大地提升了应力检测信号的处理精度；

[0016] 4.本发明系统监控精度高，抗干扰能力强，达到了对建筑结构应变信号高精度的采集与无线传输，取得了较好的监测效果。

附图说明

[0017] 图1为本发明的系统框图。

[0018] 图2为本发明前端采集模块的组成结构图。

[0019] 图3为本发明应力采样信号放大电路和复合稳定电路原理图。

[0020] 图4为本发明降噪滤波电路原理图。

具体实施方式

[0021] 有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图4对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书
附图为参考。

[0022] 下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

[0023] 如图1、2所示，一种基于物联网的建筑结构应变无线监测系统，包括前端采集模块、无线传输模块和后台管理服务器。前端采集模块包括应力采样信号放大电路、复合稳定
电路、降噪滤波电路、A/D转换器和微处理器，应力采样信号放大电路包括用于采集建筑结
构形变情况的应力传感器，具体设置时，应力传感器选用箔式电阻应变片，适用于各种弹性
体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便，且本身性能稳定，受温度变化的影响小。

[0024] 如图3所示，应力传感器的检测信号经测量放大器进行信号放大后送入复合稳定电路中，其中，测量放大器的具体结构包括运放器U1、U2、U3，运放器U1的同相输入端通过电
阻R2连接电阻R1、电容C1的一端和应力传感器的第一输出端，并通过电阻R4接地，运放器U2
的同相输入端通过电阻R3连接电阻R1、电容C1的另一端和应力传感器的第二输出端，并通
过电阻R4接地，运放器U1的反相输入端连接电阻R6、R7的一端，运放器U1的输出端连接电阻
R7的另一端和运放器U3的反相输入端，运放器U2的反相输入端连接电阻R6的另一端和电阻
R8的一端，运放器U2的输出端连接电阻R8的另一端和运放器U3的同相输入端，并通过电阻
R9接地，运放器U3的输出端连接复合稳定电路的输入端，并通过并联的电阻R10、电容C2连
接运放器U3的反相输入端。

[0025] 由于应力传感器的检测信号属于毫伏级别的微弱信号，很容易淹没在噪声干扰之中，因此采用测量放大器来对应力传感器的检测信号进行放大处理。应力传感器运用全桥
电原理构成双输出，其两路输出信号经电容C1稳定后分别送入运放器U1、U2的同相输入端，
运放器U1、U2形成对称同相放大器对两路检测信号进行放大，可以很好地提升输入阻抗，且
对称性好，具有很高的共模抑制比，从而可以很好地避免引入干扰。运放器U3运用减法器原
理对运放器U1、U2的输出信号进行差分输出，从而使应力检测信号得以准确放大，避免零漂
干扰精度。电容C2在运放器U3的放大过程中起到信号补偿的作用，有效降低系统误差，消除
周期性噪声和脉冲噪声干扰，改善检测信号输出波形。

[0026] 复合稳定电路用于对应力采样信号放大电路的输出信号进行幅值稳定和消除纹波，具体结构包括三极管T1、T2和MOS管Q1，三极管T1的基极连接稳压二极管DZ1的阴极和变
阻器RP1的引脚3，稳压二极管DZ1的阳极接地，变阻器RP1的引脚1连接+5V电源，变阻器RP1
的引脚2通过电阻R11接地，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极连接二极管VD1的阴
极、三极管T2的基极和电阻R12的一端，二极管VD1的阳极与三极管T2的发射极连接电阻R13
的一端和稳压二极管DZ2的阴极，稳压二极管DZ2的阳极接地，电阻R13的另一端连接MOS管
Q1的栅极，MOS管Q1的漏极、三极管T2的集电极与电阻R12的另一端连接运放器U3的输出端，
MOS管Q1的源极连接降噪滤波电路的输入端，并通过电容C3接地。

[0027] 其中，三极管T1、T2与MOS管Q1形成复合管对运放器U3的输出信号进行稳定处理，三极管T1、T2充当基准管作用，三极管T1的基极电压由串联的变阻器RP1和电阻R11对+5V电
源分压得到，稳压二极管DZ1对三极管T1的基极电压起到稳定作用，通过调节变阻器RP1的
阻值即可改变三极管T1的基极电压值，从而使三极管T1达到稳定工作条件。当运放器U3的
输出信号流经三极管T2的集电极，并经电阻R12分流后流入三极管T2的基极（即三极管T1的
集电极），此时三极管T1的工作稳态会对三极管T2发射极的输出信号进行快速校准，从而使
信号放大输出的线性度提升，提升系统的分辨度。稳压二极管DZ2对三极管T2的发射极输出
信号进行稳压后，经电阻R13向MOS管Q1提供持续稳定的栅极导通电压，并利用MOS管自身良
好的温度特性，使MOS管Q1的输出信号更加稳定，很好地消除文波。

[0028] MOS管Q1的输出信号经电容C3滤波后送入降噪滤波电路中进一步处理，如图4所示，降噪滤波电路的具体结构包括三极管T3、T4，三极管T3的发射极通过电阻R14连接电阻
R15、电容C4的一端和复合稳定电路的输出端，电阻R15、电容C4的另一端连接三极管T4的发
射极，三极管T3的基极、集电极与T4的基极通过电阻R16接地，三极管T4的集电极连接运放
器U4的同相输入端，并通过并联的电阻R17、电容C5接地，运放器U4的反相输入端连接电阻
R18、电容C6的一端和运放器U5的反相输入端，运放器U4的输出端连接电阻R22的一端、MOS
管Q2的漏极和电阻R18的另一端，并通过电阻R19连接运放器U5的同相输入端和电阻R20的
一端，电阻R20的另一端接地，运放器U5的输出端连接电容C6的另一端，并通过电阻R21连接
三极管T4的发射极，MOS管Q2的栅极连接电阻R22的另一端和稳压二极管DZ3的阴极，稳压二
极管DZ3的阳极接地，MOS管Q2的源极连接电感L1、电容C7的一端，电感L1的另一端连接电容
C8的一端和A/D转换器的输入端，电容C7、C8的另一端接地，A/D转换器的输出端连接微处理
器。

[0029] 在降噪滤波电路的工作过程中，为了避免外界高频杂波对检测信号带来干扰，MOS管Q1的输出信号流入由三极管T3、T4形成的组合放大电路中，电阻R15、R17与电容C4、C5在
组合放大电路中形成二阶RC低通滤波网络，利用低通滤波器原理可以很好地消除外界电磁
干扰。为了提高滤波效果，将三极管T4的输出信号送入运放器U4中进行同相放大，并采用运
放器U5对U4的输出信号进行深度反馈，利用双运放反馈调节提升滤波器的Q值，具有良好的
低通滤波效果，同时保证滤波过程具有很好的稳定度，能有效滤除应变检测信号中的干扰。
运放器U4的输出信号经MOS管Q2稳定后，送入由电容C7、C8和电感L1组成的π型LC滤波器中
进一步精确滤波，从而极大地提升了应力检测信号的处理精度。

[0030] 降噪滤波电路的输出信号经A/D转换器进行模数转换后送入微处理器中，微处理器用于将应力采集数据通过无线传输模块远程传输到后台管理服务器。本发明在具体使用
时，微处理器选用型号为CC2430单片机，CC2430单片机从A/D转换器中连续读取采样数据，
然后通过内部处理后将采样数据送至无线传输模块中，无线传输模块选用ZigBee无线模
块，利用成熟的ZigBee技术将应力采集数据远程传输到后台管理服务器中。

[0031] 后台管理服务器对接收到的应力采集数据进行集中管理，并对每一个数据在线实时监测判别，从而实现建筑结构应变情况的远程监控。本发明系统监控精度高，抗干扰能力
强，达到了对建筑结构应变信号高精度的采集与无线传输，取得了较好的监测效果。

[0032] 以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术
方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。