一种智能振动频谱传感器自动监控系统和方法技术方案

本发明专利技术利用微型超低功耗智能振动频谱传感器，对生命体，机电设备及建筑物等的受迫振动频谱进行测试分析，找出其与监控对象正常工作状态时频谱的差异，必要时参照其它相关传感器信息，利用预先建立的数学模型对监控对象进行诊断，将中医诊脉，医生听心音，工人监听机器振动声，巡道工人监听铁轨敲击声等模拟量经验性感知，判断监控对象工作状态的方法科学地量化和自动化。并利用超低功耗无线通信技术联网，低成本地实现家电汽车等各种机电设备的自动预防性维护；对桥隧道路，特别是高速铁路公路，城市道路安全及建筑施工安全的实时远程监控。它体积小且平常不工作，只在外力激活后才工作，电池寿命长，可安装或预埋在监控对象中，可广泛用于各行各业。

【技术实现步骤摘要】
一种智能振动频谱传感器自动监控系统和方法
本专利技术涉及人，机电设备，建筑物等某个部件或整体的固有频率的自动测试和分析，涉及这些固有频率变化与监控对象自身健康状态或工作状态的关联关系，涉及低功耗无线通信技术。
技术介绍
人体健康，机电设备以及建筑物等的预防性维护，已经成为当今物联网应用领域重要的研究方向。它涉及如何利用各种传感器对人体健康，机电设备运行状态，以及建筑物安全状况进行实时监测。除了一般温度，电流，电压，压力，流量，应力应变等传感器外，监控对象的整体或特定部分的受迫振动频率，实际上是一个能够反映监控对象健康与否，建筑物安全状态是否发生变化的很好指标。就像我们中医通过诊脉的方式来感知血管的振动频谱，医生通过助听器监听心脏跳动，铁路工人监听敲击轨道的回音，老工人通过监听运转中机电设备的振动噪声，来判断机电设备是否运转正常一样，他们采用的是传统模拟量经验性感知方式，没能更加精确科学地将它量化和数字化。我们知道琴弦的张力与琴弦的振动频率直接相关，金属杆件的振动频率与它的自由段长度有关，建筑物的裂缝一定会导致相关部分自振频率的变化，城市道路下方的路基松软和沉陷将导致关联结构振动频谱的变化等。因而，通过探测脚手架金属杆振动频谱的变化，我们就可以知道固定扣件是否松动，通过探测桥梁关键部位自振频谱的变化，路轨振动频谱的变化就可知道是否存在安全隐患等。尽管在对机电设备和建筑物检测中，市场上已有各种用于测量振动频谱的仪器设备，但他们一般体积都较大，功耗较大。而且往往根据现场需要，临时安排工作人员携带测试设备到现场来对监测对象进行监测。除了特殊情况外，很难将频谱测试设备作为一种长期监控设备运行状态的工具，长期固定安装在监控对象上。而作为对有生命或使用寿命的监控对象而言，要实现所谓的“预见性维护”，就需要一个能够随时监测与监控对象工作正常与否密切相关的，监控对象某个部位受迫振动频谱变化的低成本智能振动频谱传感器，例如监控人体健康的脉象传感器。这个传感器必须体积小，成本低，电池驱动功耗小；而且还应具有一定的数据处理能力，将所测得的振动数据进行筛选和简化，还能够将数据通过网络实时上传给后台管理计算机。而目前市场上并没有这样一种普遍急需的智能传感器。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种利用智能振动频谱传感器对人(生命体)，机电设备及建筑物进行自动实时监控的系统(图1)，该系统包括至少一个低成本低功耗的智能振动频谱传感器(以后简称频谱传感器)，一个可以与频谱传感器进行低功耗无线通信的网关读写器，和一个与网关读写器连接的后台管理计算机，还包括一个可与所述网关读写器进行通信的机电设备控制开关；这里的频谱传感器(图2)，是由相互连接的一个无线收发机单元，一个或多个可测量监控对象在外力作用下发生受迫振动的振动频谱的传感器单元(以后简称振动测量单元)，一个振动传感器开关以及一个单片机组成；所述智能振动频谱传感器一般采用电池或太阳能供电，直接安装在监控对象身上，或预埋在建筑物内；智能振动频谱传感器中的振动测量单元平常并不工作，在监控对象在外力作用下发生受迫振动时，通过被外力振动激活的振动传感器开关启动后才进入工作状态，然后按照预定的方式测量监控对象产生的受迫振动频谱，并将测量结果或经过处理后的测量结果储存起来，等待网关读写器读取，或通过网关读写器直接传给后台管理计算机；这里的网关读写器，是一个可与智能振动频谱传感器进行低功耗无线通信，同时通过有线或无线方式与后台管理计算机连接的一个读写装置，它既可安装在一个固定的位置，也可安装在无人机，车辆等移动设备上。这里的后台管理计算机，储存有针对某一特定监控对象，包括某个特定生命体，特定建筑物，或建筑物的某个特定部位，或某一特定型号的机电设备，及它们所处的特定“生命”时段(人的年龄，设备新旧)的受迫振动频谱与监控对象工作状态及健康状况对应的数学模型。利用这个数学模型，后台管理计算机就可以根据监控对象在外力作用下(人的心跳作用，电机的驱动，车辆通过时造成的路基和桥梁的振动)，实际测量得到的监控对象的受迫振动频谱与正常状态的受迫振动频谱的差异比较，必要时再参考与监控对象工作状态相关的其他传感器信息(温度，电流，血压等)，对监控对象的工作状态和健康状况做出诊断，并采取预见性维护措施或进行康养治疗，可通过网关读写器及所述机电设备控制开关，及时关闭出现问题的机电设备，或将病人及时送往医院治疗。本专利技术频谱传感器还具有以下特征：低成本，体积小，电池驱动功耗低，并能够通过低功耗无线通信方式与管理计算机进行实时双向通信连接。为了减少传感器通过无线方式上传的数据量，本专利技术频谱传感器还能将所采集到振动数据进行预先处理，将直接测得的时域振动数据进行傅里叶变换得到振动频谱，同时将与监控对象工作状态密切相关的振动频点及其振幅筛选出来，并找出它们与监控对象正常工作状态下振动频谱的差异，这种差异主要是指与监控对象工作状态密切相关的几个主振频率点振幅的变化，或/和由于监控对象突然发生的结构变化，具有较大振幅的新振动频点的出现。频谱传感器自身还具有一个能感知外力作用的振动传感器开关，当监控对象受到外力作用产生振动时，将激活所述振动传感器开关。对于不同性质的外力作用，例如长期运行中电动机所产生的振动，或频繁经过的车辆产生的振动等，此时，振动传感器开关可能被频繁激活，为了降低功耗，振动传感器开关将根据后台管理计算机预先设定的监控对象振动频谱测量的时间间隔，决定启动(被激活的时间间隔大于设定的时间间隔)，或不启动(被激活的时间间隔小于设定的时间间隔)频谱传感器中的振动测量单元，使其从非工作状态进入测量监控对象振动频谱的工作状态；所述振动测量单元被启动后，将在一段尽可能短但足以测量出可用于分析监控对象工作状态的振动频谱后停止工作，等待下一次被启动。除此之外，频谱传感器中的无线收发机单元还通过一个内部时钟控制，采用周期性睡眠，(睡眠周期一般为几秒)，苏醒后在预先指定的频道上监听信号一瞬间，等待接收来自网关发来的工作指令信号的低功耗工作方式。频谱传感器中的无线收发单元除了按照预先设定的睡眠周期，苏醒后监听网关读写器发来的指令信号，以及周期性(一般周期很长)主动通过网关读写器向后后台管理计算机发送心跳包信息外，平常并不主动向外发射任何射频信号，只有当频谱传感器测量得到的与监控对象工作状态密切相关的振动频谱变化，超过预设的报警门限值时，频谱传感器才会主动将报警信息及时上传给后台管理计算机，包括立即发射，或在频谱传感器暂时无法与网关读写器建立通信联系时，按照适当的频率，重复发射，或伴随定时发送的心跳包信息上传给后台管理计算机。当后台管理计算机需要主动与频谱传感器通信时，例如向其下达采集监控对象振动频谱数据的指令，或者更改后台管理计算机预先设定的采集监控对象的振动频谱数据的时间间隔的指令，更改所述无线通信单元的睡眠苏醒周期，工作频道发射功率等，所述网关读写器则采用连续在一段大于频谱传感器睡眠苏醒周期的时间内，连续不间断且重复地向频谱传感器发送射频唤醒信号(图3)或工作指令信息，抓住频谱传感器睡眠苏醒监听信号的瞬间与之建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能振动频谱传感器自动监控系统，其特征在于，它包括至少一个具有唯一身份编号的智能振动频谱传感器，一个能够与智能振动频谱传感器进行低功耗无线通信的网关读写器，和一个与网关读写器连接的后台管理计算机，还包括一个可与所述网关读写器进行通信的机电设备控制开关；所述智能振动频谱传感器，是由相互连接的无线收发机单元，一个或多个可测量监控对象在外力作用下发生受迫振动时振动频谱的振动测量单元，振动传感器开关以及单片机组成；所述智能振动频谱传感器可采用电池或太阳能供电，直接安装在监控对象身上；所述智能振动频谱传感器中的振动测量单元在监控对象在外力作用下发生受迫振动情况下，通过被外力振动激活的振动传感器开关启动后才进入工作状态，然后按照预定的方式测量监控对象产生的受迫振动频谱，并将测量结果或经过处理后的测量结果储存起来，等待网关读写器读取，或通过网关读写器直接传给后台管理计算机；这里所述网关读写器，是一个可与智能振动频谱传感器进行低功耗无线通信，同时通过有线或无线方式与后台管理计算机连接的一个读写装置，它既可安装在一个固定的位置，也可安装在无人机，车辆等移动设备上；这里所述的后台管理计算机，储存有对应于监控对象受迫振动的振动频谱与监控对象工作状态对应的数学模型，利用这个数学模型，后台管理计算机就可以根据监控对象在外力作用下，实际测量得到的受迫振动频谱与正常状态的受迫振动频谱的差异比较，必要时再参考与监控对象工作状态相关的其他传感器信息，对监控对象的工作状态做出诊断，必要时可通过网关读写器及所述机电设备控制开关对所述机电设备进行及时的远程开关控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种智能振动频谱传感器自动监控系统，其特征在于，它包括至少一个具有唯一身份编号的智能振动频谱传感器，一个能够与智能振动频谱传感器进行低功耗无线通信的网关读写器，和一个与网关读写器连接的后台管理计算机，还包括一个可与所述网关读写器进行通信的机电设备控制开关；所述智能振动频谱传感器，是由相互连接的无线收发机单元，一个或多个可测量监控对象在外力作用下发生受迫振动时振动频谱的振动测量单元，振动传感器开关以及单片机组成；所述智能振动频谱传感器可采用电池或太阳能供电，直接安装在监控对象身上；所述智能振动频谱传感器中的振动测量单元在监控对象在外力作用下发生受迫振动情况下，通过被外力振动激活的振动传感器开关启动后才进入工作状态，然后按照预定的方式测量监控对象产生的受迫振动频谱，并将测量结果或经过处理后的测量结果储存起来，等待网关读写器读取，或通过网关读写器直接传给后台管理计算机；这里所述网关读写器，是一个可与智能振动频谱传感器进行低功耗无线通信，同时通过有线或无线方式与后台管理计算机连接的一个读写装置，它既可安装在一个固定的位置，也可安装在无人机，车辆等移动设备上；这里所述的后台管理计算机，储存有对应于监控对象受迫振动的振动频谱与监控对象工作状态对应的数学模型，利用这个数学模型，后台管理计算机就可以根据监控对象在外力作用下，实际测量得到的受迫振动频谱与正常状态的受迫振动频谱的差异比较，必要时再参考与监控对象工作状态相关的其他传感器信息，对监控对象的工作状态做出诊断，必要时可通过网关读写器及所述机电设备控制开关对所述机电设备进行及时的远程开关控制。


2.根据权利要求1所述的自动监控系统，其特征在于，所述受迫振动频谱是指所述监控对象，在受到长期或短期施加在其上的外力作用下，发生受迫振动时与其工作状态正常与否相关的一个振动频谱；所述监控对象受迫振动的振动频谱与监控对象工作状态对应的数学模型，是针对某一特定监控对象，包括某个特定生命体，特定建筑物，或建筑物的某个特定部位，或某一特定型号的机电设备，及它们所处的特定“生命”时段而言的；所述实际测量得到的受迫振动频谱与其在正常工作状态时受迫振动频谱的差异，包括但不限于所述振动频谱中与监控对象工作状态密切相关的几个主振频率点振幅的变化，或/和具有较大振幅的新的振动频点的出现。


3.根据权利要求1的自动监控系统，其特征在于，所述智能振动频谱传感器中的振动测量单元在监控对象在外力作用下发生受迫振动情况下，通过被外力振动激活的振动传感器开关启动后才进入工作状态，然后按照预定的方式测量监控对象产生的受迫振动频谱，是指所述振动测量单元每次激活后的工作时间，是一段尽可能短但足以测量出可用于分析监控对象工作状态的振动频谱所需的时间，所述外力是一个长期或频繁作用在监控对象身上的外力，例如运行中电动机所产生的周期性作用力等，则所述振动传感器开关被激活的频繁度，超过后台管理计算机根据监控对象的工作特征，预先设定的振动频谱测量频繁度时，则所述振动传感器开关，将不被激活或激活后也不启动所述智能振动频谱传感器中的振动测量单元。


4.根据权利要求1的自动监控系统，其特征在于，所述无线收发机单元，平常处于周期性睡眠，苏醒后监听来自网关读写器射频信号一瞬间的低功耗状态，随时等待接收来自后台管理计算机通过网关读写器发来的指令信息，包括但不限于更改智能振动频谱传感器工作方式的指令信息，采集储存在智能振动频谱传感器中的监控对象振动频谱信息，或反映监控对象偏离正常状态的振动频谱差异信息；所述网关读写器，在需要与所述智能振动频谱传感器进行通信时，将在一段大于智能振动频谱传感器中的微型无线收发机的睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断重复地向所述微型无线收发机单元，发送工作指令信号或射频唤醒信号，抓住所述无线收发机单元苏醒后监听信号的一瞬间，与其建立通信联系并进行信息交换。


5.根据权利要求4所述的无线收发机单元，其特征在于，所述微型无线收发机单元苏醒后监听来自网关读写器工作指令信号一瞬间的时间长度，是一个尽可能短的固定时间窗口，在这个固定时间窗口内，所述微型无线收发机单元足以通过所接收到的射频信号的射频特征，包括但不限于射频信号的编码特征判断，一个能够与之通信的网关读写器正在发送信号，它需要将这个监听时间窗口延长，以接收一个完整的工作指令信号包，并根据预先设定的通信协议对指令信号包进行解析：如果所述工作指令信号包与它无关，则它将立即回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态；如果所述工作指令信号包需要它执行某项任务，则它将在完指令信号包规定的任务后，重新回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态；如果延长监听的时间超过了预先设定的限值，仍然没能接收到一个完整的工作指令信号包，它也将要回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。

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【专利技术属性】
技术研发人员：符霞，
申请(专利权)人：符霞，
类型：发明
国别省市：四川;51