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1、(10)申请公布号 CN 102901440 A(43)申请公布日 2013.01.30CN102901440A*CN102901440A*(21)申请号 201210397354.5(22)申请日 2012.10.18G01B 7/14(2006.01)G01L 9/00(2006.01)G01L 1/10(2006.01)G08C 17/02(2006.01)(71)申请人黑龙江大学地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号(72)发明人刘盛春 丁树春 张金涛(54) 发明名称隧道环境无线传感检测装置和方法(57) 摘要隧道环境无线传感检测装置和方法，涉及隧道环境检测装置和方法。
2、，为了解决现有检测装置和方法存在仪器笨重、安装复杂、成本高的问题。隧道环境无线传感检测装置，它由N个无线传感发射节点和无线信息收集节点组成；隧道环境无线传感检测方法，它包括步骤如下：步骤一、无线传感发射节点中的一号单片机处理单元给传感器以一固定频率激励信号fL开始扫频；步骤二、判断传感器是否出现共振：是，则执行步骤四；步骤三、fL+，判断fL+fm；步骤四、检测电路将检测到的信号通过电磁波发送给无线信息收集节点；步骤五、无线信息收集节点接收信息进行处理；判断出环境参数为危险值，则报警。适用于隧道环境检测装置和方法。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书5页 附图6页(19)中华人民共和国。
3、国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页1/2页21.隧道环境无线传感检测装置，其特征是，它由N个无线传感发射节点(1)和无线信息收集节点(2)组成，N为大于2的整数，所述N个无线传感发射节点(1)与无线信息收集节点(2)的数据交换采用无线方式通讯；无线传感发射节点(1)由传感器(1-2)、一号单片机处理单元(1-1)、一号供电单元(1-5)和一号无线通信单元(1-6)组成，传感器(1-2)的信号的输出端与一号单片机处理单元(1-1)的传感信号的输入端连通，一号供电单元(1-5)的电源输出端与一号单片机处理单元(1-1)的电源的输入端连通，一号无线通信。
4、单元(1-6)的一个数据交换端与一号单片机处理单元(1-1)的通信数据交换端连通，一号无线通信单元(1-6)的另一个数据交换端为无线传感发射节点(1)的数据交换端；无线信息收集节点(2)由二号单片机处理单元(2-1)、显示控制单元(2-3)、报警单元(2-4)、二号供电单元(2-5)和二号无线通信单元(2-6)构成，二号无线通信单元(2-6)的一个数据交换端为无线信息收集节点(2)的数据交换端，二号无线通信单元(2-6)的另一个数据交换端与二号单片机处理单元(2-1)的通信数据交换端连通，二号供电单元(2-5)的电源输出端与二号单片机处理单元(2-1)的电源的输入端连通，显示控制单元(2-3)。
5、的数据交换端与二号单片机处理单元(2-1)的显示控制数据交换端连通，二号单片机处理单元(2-1)的报警启动控制的输出端与报警单元(2-4)的启动控制输入端连通。2.根据权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，一号单片机处理单元(1-1)包括单片机、传感器驱动及检测电路和程序软件，传感器驱动及检测电路的输出端与传感器(1-2)的输入端连通，传感器驱动及检测电路信号的输入端与传感器(1-2)的信号的输出端连通，传感器驱动及检测电路控制信号的输入端与单片机的传感及检测控制信号的输出端连通，所述程序软件由扫频程序、测频程序、传感数据处理程序和无线传输程序组成，程序软件固化在单片机的存储器中。
6、。3.根据权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，二号单片机处理单元(2-1)包括单片机和程序软件，程序软件固化在单片机的存储器中，所述程序软件由传感数据处理程序、无线传输程序和显示控制程序组成。4.根据权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，传感器(1-2)采用振弦式测缝计、振弦式渗压计或振弦式土压力盒的传感器。5.根据权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，无线传感发射节点(1)与无线信息收集节点(2)的无线通信采用433MHz的频率通讯。6.根据权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，所述报警单元(2-4)采用高音喇叭或蜂鸣器实现。7.根据。
7、权利要求1所述隧道环境无线传感检测装置，其特征在于，一号供电单元(1-5)或二号供电单元(2-5)采用电池实现。8.隧道环境无线传感检测方法，其特征是，它包括具体步骤如下：N个无线传感发射节点(1)分别嵌固在隧道拱顶的N处水泥层中，无线信息收集节点(2)暴露或隐埋在隧道地面；步骤一、无线传感发射节点(1)中的一号单片机处理单元(1-1)给传感器(1-2)以一固定频率激励信号fL开始扫频；步骤二、判断传感器(1-2)是否出现共振：是，则执行步骤四；否，则执行步骤三；步骤三、fL+，判断fL+fm，是，则执行步骤二；否，则执行步骤一；fm为最高扫频频权 利 要 求 书CN 102901440 A2。
8、/2页3率，为扫描频率的步长；步骤四、检测电路将检测到的信号传到一号单片机处理单元(1-1)，一号单片机处理单元(1-1)的传感数据处理程序对所述信号处理，由无线传输程序控制传输到一号无线通信单元(1-6)，通过电磁波发送给无线信息收集节点(2)；步骤五、无线信息收集节点(2)接收信息到二号单片机处理单元(2-1)进行处理、显示和判断；二号单片机处理单元(2-1)判断出隧道环境参数为危险值，则启动报警单元(2-4)报警。权 利 要 求 书CN 102901440 A1/5页4隧道环境无线传感检测装置和方法技术领域0001 本发明涉及隧道环境检测装置和方法。背景技术0002 道路运输是国民经济的。
9、大动脉，而运输安全又是道路运输的重中之重。然而，由于我国地形复杂，道路路段中隧道是道路的重要组成部分。隧道的安全也就成了运输安全中重要的一项，也就是说隧道环境的安全关系着运输安全，甚至是人命关天的大问题。0003 目前对隧道工程中隧道环境的检测一般采用有线应变片或者弦振检测装置对隧道环境进行监测。但该检测装置和方法存在仪器笨重、安装复杂、成本高的问题，特别在施工过程中，有线的监测设备很容易被施工弄断，施工后成活率低，影响监测效果。发明内容0004 本发明的目的是为了解决现有检测装置和方法存在仪器笨重、安装复杂、成本高的问题，提供一种隧道环境无线传感检测装置和方法。0005 隧道环境无线传感检测。
10、装置，它由N个无线传感发射节点和无线信息收集节点组成，N为大于2的整数，所述N个无线传感发射节点与无线信息收集节点的数据交换采用无线方式通讯；无线传感发射节点由传感器、一号单片机处理单元、一号供电单元和一号无线通信单元组成，传感器信号的输出端与一号单片机处理单元的传感信号的输入端连通，一号供电单元的电源输出端与一号单片机处理单元的电源的输入端连通，一号无线通信单元的一个数据交换端与一号单片机处理单元的通信数据交换端连通，一号无线通信单元的另一个数据交换端为无线传感发射节点的数据交换端；无线信息收集节点由二号单片机处理单元、显示控制单元、报警单元、二号供电单元和二号无线通信单元构成，二号无线通信。
11、单元的一个数据交换端为无线信息收集节点的数据交换端，二号无线通信单元的另一个数据交换端与二号单片机处理单元的通信数据交换端连通，二号供电单元的电源输出端与二号单片机处理单元的电源的输入端连通，显示控制单元的数据交换端与二号单片机处理单元的显示控制数据交换端连通，二号单片机处理单元的报警启动控制的输出端与报警单元的启动控制输入端连通。0006 隧道环境无线传感检测方法，它包括具体步骤如下：0007 N个无线传感发射节点分别嵌固在隧道拱顶的N处水泥层中，无线信息收集节点暴露或隐埋在隧道地面；0008 步骤一、无线传感发射节点中的一号单片机处理单元给传感器以一固定频率激励信号fL开始扫频；0009 。
12、步骤二、判断传感器是否出现共振：是，则执行步骤四；否，则执行步骤三；0010 步骤三、fL+，判断fL+fm，是，则执行步骤二；否，则执行步骤一；fm为最高扫频频率，为扫描频率的步长；0011 步骤四、检测电路将检测到的信号传到一号单片机处理单元，一号单片机处理单说 明 书CN 102901440 A2/5页5元的传感数据处理程序对所述信号处理，由无线传输程序控制传输到一号无线通信单元，通过电磁波发送给无线信息收集节点；0012 步骤五、无线信息收集节点接收信息到二号单片机处理单元进行处理、显示和判断；二号单片机处理单元判断出隧道环境参数为危险值，则启动报警单元报警。0013 本发明通过将N个。
13、无线传感发射节点设置在隧道一断面的N处水泥层中，检测隧道环境参数包括应变、多点位移和土压参数；当检测传感器出现共振时，无线传感发射节点通过电磁波将所述信号发送给无线信息收集节点，无线传感信息收集节点对接收信息进行处理、显示和判断隧道环境参数的信息。无线传感检测装置的特点包括体积小、便于安装铺设、成本低和低功耗；还包括施工威胁极小、使用方便和安全可靠。附图说明0014 图1为本发明装置处于工作状态的结构布置示意图，图中A标识隧道混凝土内墙，B标识隧道混凝土外墙；图2为本发明装置的无线传感发射节点的组成结构示意图，图3为本发明装置的无线信息收集节点的组成结构示意图，图4为单片机数据处理单元电路示意。
14、图，图5为传感器驱动和检测电路示意图，图6为数据显示单元电路示意图，图7为报警部分电路原理示意图，图8为实施方式一无线通信单元的电路示意图，图9为传感器检测程序框图。具体实施方式0015 具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述隧道环境无线传感检测装置，它由N个无线传感发射节点1和无线信息收集节点2组成，N为大于2的整数，所述N个无线传感发射节点1与无线信息收集节点2的数据交换采用无线方式通讯；无线传感发射节点1由传感器1-2、一号单片机处理单元1-1、一号供电单元1-5和一号无线通信单元1-6组成，传感器1-2的信号的输出端与一号单片机处理单元1-1的传感信号的输入端连通。
15、，一号供电单元1-5的电源输出端与一号单片机处理单元1-1的电源的输入端连通，一号无线通信单元1-6的一个数据交换端与一号单片机处理单元1-1的通信数据交换端连通，一号无线通信单元1-6的另一个数据交换端为无线传感发射节点1的数据交换端；无线信息收集节点2由二号单片机处理单元2-1、显示控制单元2-3、报警单元2-4、二号供电单元2-5和二号无线通信单元2-6构成，二号无线通信单元2-6的一个数据交换端为无线信息收集节点2的数据交换端，二号无线通信单元2-6的另一个数据交换端与二号单片机处理单元2-1的通信数据交换端连通，二号供电单元2-5的电源输出端与二号单片机处理单元2-1的电源的输入端连。
16、通，显示控制单元2-3的数据交换端与二号单片机处理单元2-1的显示控制数据交换端连通，二号单片机处理单元2-1的报警启动控制的输出端与报警单元2-4的启动控制输入端连通。0016 一号单片机处理单元1-1的原理图如图4所示，传感器1-2的信号驱动电路和检测电路如图5所示，一号无线通信单元1-6的原理图如图8所示，一号供电单元1-5的电源由3.3V可充电锂电池提供；0017 二号单片机处理单元2-1的基本原理如图4所示，显示控制单元2-3原理如图6所示，报警单元2-4原理如图7所示，二号无线通信单元2-6的原理图如图8所示，二号供说 明 书CN 102901440 A3/5页6电单元21-5的电。
17、源由3.3V可充电锂电池提供。0018 本发明通过将N个无线传感发射节点设置在隧道拱顶的N处水泥层中，检测隧道环境参数；当监测到物理量时，无线传感发射节点通过电磁波将所述信号发送给无线信息收集节点，无线传感信息收集节点对接收信息进行处理、显示和判断隧道环境参数的信息，如果超过隧道安全值，即发出预警警报。无线传感检测装置的特点包括体积小、便于安装铺设、成本低和功耗低；同时施工过程损伤小、使用方便和传感器成活率高。0019 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，一号单片机处理单元1-1包括单片机、传感器驱动及检测电路和程序软件，传感器驱动及检测电路的。
18、输出端与传感器1-2的输入端连通，传感器驱动及检测电路信号的输入端与传感器1-2的信号的输出端连通，传感器驱动及检测电路控制信号的输入端与单片机的传感及检测控制信号的输出端连通，所述程序软件由扫频程序、测频程序、传感数据处理程序和无线传输程序组成，程序软件固化在单片机的存储器中。0020 具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，二号单片机处理单元2-1包括单片机和程序软件，程序软件固化在单片机的存储器中，所述程序软件由传感数据处理程序、无线传输程序和显示控制程序组成。0021 具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述。
19、隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，传感器1-2采用振弦式测缝计、振弦式渗压计或振弦式土压力盒的传感器，来完成隧道环境的监测。0022 振弦式测缝计由振弦式传感器测量单元及经过热处理应力释放的精密弹簧组成，弹簧的一端与振动钢弦相连接，而另一端连接在接杆上，当接杆发生位移时，改变了精密弹簧和钢弦的张力，相应地引起钢弦的振动频率的改变，这一频率信号通过电缆传输到单片机处理单元，单片机处理单元能够处理出其频率数据，并将频率数据通过无线通信单元进行发射。0023 振弦式渗压计的振动钢弦与一个灵敏膜片相连，设在钢弦附近的电磁线圈即可拔动钢弦，又可将振动钢弦转化为电量。这个电量的频率能反映其钢弦固有共振。
20、频率。压力的变化引起膜片的变形，改变钢弦的张力及其共振频率，这样每个压力都有一个相应的频率输出。0024 振弦式土压力盒属于静态、单向、边界型力传感器。它采用薄板式结构，当其内部的弹性薄板受力挠曲后，通过嵌固在薄板上的两根钢弦柱，使钢弦应力发生变化，弦的自振频率也发生相应变化。利用脉冲激励，使钢弦起振，并接收其频率。按照压力频率关系曲线即可得出压力值。0025 上诉三种传感器感受的物理量变化能够改变钢弦的共振频率，通过测量钢弦的共振频率就可以测得隧道环境信息。其工作原理如下，一号单片机处理单元1-1固化的扫频程序通过处理器与传感器驱动和检测电路输入端连接，通过2个三极管组成驱动电路后，连接到传。
21、感器1-2的驱动输入端，与弦共振频率一致的频率将产生较大的振动，然后输入检测电路，检测电路由两级有源滤波器和1个放大器组成。其监测信息在输入一号单片机处理单元1-1中，通过固化在单片机中的传感器检测程序来完成弦振共振频率监测，传感器检测程序框图如图9所示。检测到的弦振仪的共振信息通过无线信息机发射节点一号无线通信单元1-6发射出去。说 明 书CN 102901440 A4/5页70026 具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，无线传感发射节点1与无线信息收集节点2的无线通信采用433MHz的频率通讯。0027 一号无线通信。
22、单元1-6和二号无线通信单元2-6是采用射频芯片在433MHZ频率上实行信息的传送和接收。多个无线传感发射节点的信息汇集到一个无线信息收集节点上，所述无线通信方式采用无线芯片在433MHz上通信，能够透过8厘米的水泥层，实现无线传感通信的有效传输。但不限于433MHz频率的无线通信，只要能满足无线通信要求的频率都在本发明保护范围。0028 具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，所述报警单元2-4采用高音喇叭或蜂鸣器实现。0029 如果隧道环境参数为危险值将通过高音喇叭或蜂鸣器报警。但报警单元2-4不限于高音喇叭或蜂鸣器，只要能满足报警作用的其他器。
23、件都在本发明保护范围。0030 具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述隧道环境无线传感检测装置的进一步限定，一号供电单元1-5或二号供电单元2-5采用采用电池实现。0031 工作人员可以随时读取无线信息收集节点2的数据，并可让无线传感发射节点1和无线信息收集节点2处在睡眠节电状态；在需要其工作时再开启。一号供电单元1-5或二号供电单元2-5采用3.3V可充电锂电池提供。0032 具体实施方式八：本实施方式所述隧道环境无线传感检测方法，它包括具体步骤如下：0033 N个无线传感发射节点1分别嵌固在隧道拱顶的N处水泥层中，无线信息收集节点2暴露或隐埋在隧道地面；0034 步骤一、无线传感。
24、发射节点1中的一号单片机处理单元1-1给传感器1-2以一固定频率激励信号fL开始扫频；0035 步骤二、判断传感器1-2是否出现共振：是，则执行步骤四；否，则执行步骤三；0036 步骤三、fL+，判断fL+fm，是，则执行步骤二；否，则执行步骤一；fm为最高扫频频率，为扫描频率的步长；0037 步骤四、检测电路将检测到的信号传到一号单片机处理单元1-1，一号单片机处理单元1-1的传感数据处理程序对所述信号处理，由无线传输程序控制传输到一号无线通信单元1-6，通过电磁波发送给无线信息收集节点2；0038 步骤五、无线信息收集节点2接收信息到二号单片机处理单元2-1进行处理、显示和判断；二号单片机。
25、处理单元2-1判断出隧道环境参数为危险值，则启动报警单元2-4报警。0039 具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述隧道环境无线传感检测方法的进一步限定，无线传感发射节点1嵌固在不超过8厘米深的水泥层中。0040 N个无线传感发射节点1按需嵌固在隧道顶上的水泥层中，无线传感发射节点1可以离水泥外层8厘米深；无线信息收集节点2可以暴露或隐埋在隧道地面。无线传感发射节点1中的一号单片机处理单元1-1给传感器1-2以一固定频率激励信号fL开始扫频，当传感器1-2出现共振现象则停止扫频，由检测电路将感知到的信息传到一号单片机处理单元1-1核心，一号单片机处理单元1-1在按照系统内部编好的程序进行处理和传输；传输到说 明 书CN 102901440 A5/5页8一号无线通信单元1-6通过电磁波发送给无线传感信息收集节点2。无线传感信息收集节点2接收信息到二号单片机处理单元2-1进行处理、显示和判断。在显示控制单元2-3的液晶屏上将出现隧道哪处、哪种隧道环境参数的信息。如果隧道环境参数为危险值将通过高音喇叭或蜂鸣器报警。说 明 书CN 102901440 A1/6页9图1图2说 明 书 附 图CN 102901440 A2/6页10图3图4说 明 书 附 图CN 102901440 A10。