【摘要】：橋梁的安全直接關系到車輛和行人的安全,傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測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)濟也不環(huán)保。本文根據(jù)傳統(tǒng)監(jiān)測的不足,結合橋梁振動監(jiān)測現(xiàn)狀,對于橋梁的無線、集群監(jiān)測以及振動能量收集技術進行了研究,研發(fā)出無線低功耗加速度傳感器、無線網(wǎng)關以及云平臺,構成了一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),對不同位置的橋梁進行了架構與監(jiān)測,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)點進行供電。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下所示。研發(fā)了一種低功耗、高靈敏度的無線加速度傳感器。通過集成電路設計、數(shù)據(jù)采集與無線通信設計、封裝設計等,完成了無線加速度傳感器感知節(jié)點的制作。通過標定和性能對比測試,驗證了該傳感器在數(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)無線傳輸,解決了傳統(tǒng)布線監(jiān)測的困難,適用于橋梁振動監(jiān)測。研制了一種無線壓電懸臂梁傳感器。根據(jù)特定的橋梁環(huán)境,使用理論計算結果結合仿真結果優(yōu)化設計了壓電懸臂梁結構,通過試驗驗證壓電懸臂梁的自振頻率與數(shù)據(jù)產(chǎn)生能力,設計了一種矩形壓電懸臂梁結構。通過研發(fā)信號轉換模塊、微控制器模塊和無線傳輸模塊等硬件集成系統(tǒng),結合壓電懸臂梁形成了一種新型的無線壓電懸臂梁傳感器,適用于基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁振動監(jiān)測。設計了一種新型橋梁振動能量收集裝置。針對如何提高壓電懸臂梁在橋梁環(huán)境中的能量輸出問題,研究了不同形狀對懸臂梁壓電振子發(fā)電能力的影響,通過模擬以及實驗發(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,在三角壓電懸臂梁中間鏤空出兩個較小的三角壓電懸臂梁,通過建模仿真分析,鏤空三角壓電懸臂梁在低頻以內(nèi)共產(chǎn)生四次共振,相對更加適合橋梁低頻環(huán)境的應用。研究了基于彈簧的矩形壓電懸臂梁結構,實驗表明,彈簧矩形懸臂梁結構可以加寬共振點的頻率范圍,并且相比較無彈簧的矩形懸臂梁結構具有較高的輸出電壓。設計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)集成并無線傳輸?shù)木W(wǎng)關。通過集成電路設計、無線數(shù)據(jù)接收以及無線傳輸模塊設計,完成了對網(wǎng)關的制作。通過通信性能測試,得出了網(wǎng)關與傳感器的有效通信距離。網(wǎng)關作為傳感器與服務器的中樞,其使用470M頻段與感知節(jié)點傳感器進行通信,無線接收方圓600米內(nèi)的傳感器的數(shù)據(jù)并進行處理,然后通過4G數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)傳輸至服務器。網(wǎng)關設計有電能管理模塊,通過鋰電池和太陽能雙重供電,具有自供電的功能。開發(fā)了云平臺終端。平臺遠程接收存儲網(wǎng)關傳來的傳感器數(shù)據(jù),并進行可視化動態(tài)展示。云平臺采用Browser/Server模式、Model-View-Controller架構進行開發(fā),包括數(shù)據(jù)層、邏輯層、表現(xiàn)層與客戶層。云平臺作為物聯(lián)網(wǎng)終端,可對所有監(jiān)測目標進行統(tǒng)一管理。本研究成果作為國家863課題研究內(nèi)容,已通過技術驗收,獲得專家認可。示范工程測試也驗證了該系統(tǒng)的可行性。本研究研發(fā)的橋梁振動監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結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,也為綠色能量收集、應用探索出新的路徑,提供了新的思路。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U446
【圖文】：

逑壓電換能器通過電源管理芯片給節(jié)點中的低功耗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)點的電路圖如圖３－２所示。逡逑ＡＤＸＬ３４５邋內(nèi)置實時時鐘逡逑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)結構圖逡逑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，對內(nèi)置電池以及外接電源進行管理。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，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；逡逑＊其他元器件

逑ＣＰＵ模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、多個數(shù)字接口等，其中，傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過４３３逡逑通信模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸至網(wǎng)關。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嚴丨逡逑應力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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