本发明涉及桥梁安全技术领域，尤其涉及一种公路桥安全监测系统。
背景技术：
桥梁是公路的重要组成部分，桥梁安全直接关系到公路交通的安全和畅通。我国中小型公路桥呈现出分布广、旧桥多、里程长的特点，占全国总桥梁数量的87％，随着我国经济发展，交通量迅速增加，车辆载重提高，桥梁的安全监测显得日益重要。
现有的中小型公路桥监测方式以人工监测为主，但这种监测方式的成本高、频率低、精度差。且由于不具备实时监测和预警功能，难以面对突发状况。为了对中小型公路桥运行的安全情况进行实时监测预警，需要在桥梁上安装传感器监测系统。但现有的监测系统的设计对象一般是针对大型桥梁，应用在中小型桥梁时成本过高且过于复杂。此外，传感器一般通过内置电源供电，电池更换与保养耗费较大的人力物力，不适用于分布广、数量多的中小型公路桥。因此，采用内置电源供电的传统监测系统难以在中小型公路桥中使用。
技术实现要素：
本发明提供了一种公路桥安全监测系统，以解决现有技术中桥梁监测系统中采用内置电源供电导致维护成本高，难以适用于数量众多中小型公路桥的问题。
一种公路桥安全监测系统，包括传感器模块、第一单片机、无线发送模块及第一发电装置；
所述传感器模块、无线发送模块均与所述第一单片机连接；
所述第一发电装置包括中心旋转轴、连接于所述中心旋转轴下端的装置外壳；所述装置外壳的一端设置有尾舵；所述装置外壳另一端上部设置有固定支柱，所述固定支柱上远离所述尾舵的一侧设置有悬臂梁，所述悬臂梁靠近所述固定支柱的一端固定有压电片，所述悬臂梁的另一端设置有能发生驰振的迎风钝体；所述压电片与设置于所述装置外壳内的储能模块连接；
所述传感器模块、第一单片机、无线发送模块均与所述储能模块连接。
实施本技术方案提供的公路桥安全监测系统时，传感器模块贴装于桥梁底部，尾舵在风力的作用下，带动装置外壳整体以中心旋转轴为中心轴转动进而跟踪风向，使迎风钝体正对风向，迎风钝体在风力的作用下发生驰振，带动悬臂梁做周期性摆动，此过程中压电片会受力产生形变，压电片通过压电效应产生电流，产生的电流储存在储能模块中，通过储能模块为传感器模块、第一单片机、无线发送模块供电。传感器模块采集的数据发送至第一单片机，第一单片机接收传感器模块发送的数据后经无线发送模块发送出去，以便进行公路桥安全监测。通过采用压电式驰振发电的第一发电装置，利用风能为公路桥安全监测系统进行独立供电，无需进行电池更换等维护工作，节省大量的人力物力，适用于分布广、数量多的中小型公路桥。
进一步地，还包括第二单片机、显示屏、无线接收模块及第二发电装置，所述显示屏、无线接收模块均与所述第二单片机连接，所述第二发电装置与所述第一发电装置结构相同，所述第二单片机、显示屏、无线接收模块均与所述第二发电装置的储能模块连接。
第二发电装置与第一发电装置结构相同，都是利用风能为第二单片机、显示屏、无线接收模块进行独立供电，无需进行电池更换等维护工作，节省大量的人力物力。无线接收模块用于接收无线发送模块发送的数据，并将接收的数据发送至第二单片机，若第二单片机接收的数据达到预设的预警阈值，第二单片机发出预警信号给显示屏，显示屏显示预警信号，以便对过往车辆或人群进行预警，降低了中小型公路桥的事故发生率。
进一步地，所述储能模块为ltc3588-1芯片，ltc3588-1芯片自带整理滤波功能及稳压电容，可将压电片产生的电流经整理滤波后，将电能储存至稳压电容中。第一发电装置中的稳压电容与传感器模块、第一单片机、无线发送模块连接进行供电，第二发电装置中的稳压电容与第二单片机、显示屏、无线接收模块连接进行供电。
在本发明其他实施例中，所述储能模块包括整流滤波电路、超级电容，所述压电片、整流滤波电路、超级电容依次连接。首先由整流滤波电路将压电片产生的电流进行整流滤波，然后将电能储存至超级电容中。第一发电装置中的超级电容与传感器模块、第一单片机、无线发送模块连接进行供电，第二发电装置中的超级电容与第二单片机、显示屏、无线接收模块连接进行供电。
进一步地，所述中心旋转轴包括上半轴和下半轴，所述上半轴与所述下半轴之间通过旋转轴承连接。上半轴用于固定在桥梁上，下半轴用于带动装置外壳整体进行转动。
进一步地，所述上半轴顶端设置有安装板，可通过螺钉将安装板固定于桥梁上。
进一步地，所述传感器模块为应变传感器，用于采集公路桥的应变量。
进一步地，所述迎风钝体的横截面为半圆形、矩形、正方形、三角形、梯形、y形中的一种。
进一步地，所述尾舵包括与所述装置外壳一端连接的支撑杆，以及竖直设置于所述支撑杆上的翼状板。装置外壳一端加装尾舵，可对风向进行实时追踪，提高风能的利用效率。
进一步地，所述第二单片机内预设有预警阈值，当所述传感器模块采集到的数据的数值达到所述预警阈值的0.95倍、1.05倍或1.15倍时，所述显示屏对应显示三种不同颜色的指示信号。
上述技术方案提出了一种公路桥安全监测系统，其具有如下优点：
(1)只使用了风能作为动力，无需有人操作，完全自动运行，无需进行电池更换等维护工作，节省大量的人力物力。充分利用驰振原理和压电效应，供电装置体积小，将风能转化为电能为装置供电，并且能够储存一部分电能在风力不足时保证装置正常工作，能有效节约能源，适用于分布广、数量多的中小型公路桥。
(2)装置外壳后端安装尾舵，具有跟踪风向的能力，保证发电装置的能量转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的第一发电装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的公路桥安全监测系统的结构框图；
图3是本发明实施例提供的第一发电装置的电路原理框图；
图4是图3提供的实施例的具体电路图；
图5是本发明另一实施例提供的第一发电装置的电路图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例中提供了公路桥安全监测系统，包括传感器模块01、第一单片机02、无线发送模块03及第一发电装置；
所述传感器模块01、无线发送模块03均与所述第一单片机02连接；
所述第一发电装置包括中心旋转轴1、连接于所述中心旋转轴1下端的装置外壳2；所述装置外壳2的一端设置有尾舵7；所述装置外壳2另一端上部设置有固定支柱3，所述固定支柱3上远离所述尾舵7的一侧设置有悬臂梁5，所述悬臂梁5靠近所述固定支柱3的一端固定有压电片4，所述悬臂梁5的另一端设置有能发生驰振的迎风钝体6；所述压电片4与设置于所述装置外壳2内的储能模块连接；
所述传感器模块01、第一单片机02、无线发送模块03均与所述储能模块连接。
实施本技术方案提供的公路桥安全监测系统时，传感器模块01贴装于桥梁底部，尾舵7在风力的作用下，带动装置外壳2整体以中心旋转轴1为中心轴转动进而跟踪风向，使迎风钝体6正对风向，迎风钝体6在风力的作用下发生驰振，带动悬臂梁5做周期性摆动，此过程中压电片4会受力产生形变，压电片4通过压电效应产生电流，产生的电流储存在储能模块中，通过储能模块为传感器模块01、第一单片机02、无线发送模块03供电，第一单片机02、无线发送模块03可安装于装置外壳1内。传感器模块01采集的数据发送至第一单片机02，第一单片机02接收传感器模块01发送的数据后经无线发送模块03发送出去，以便进行公路桥安全监测。通过采用压电式驰振发电的第一发电装置，利用风能为公路桥安全监测系统进行独立供电，无需进行电池更换等维护工作，节省大量的人力物力，适用于分布广、数量多的中小型公路桥。当然，需要明白的是，实际实施时，可根据公路桥的长度来选择上述公路桥安全监测系统的设置个数，如分别设置于公路桥的四分之一、四分之三及跨中三处。
本实施例中，还包括第二单片机05、显示屏06、无线接收模块04及第二发电装置，所述显示屏06、无线接收模块04均与所述第二单片机05连接，所述第二发电装置与所述第一发电装置结构相同，所述第二单片机05、显示屏06、无线接收模块04均与所述第二发电装置的储能模块连接。该部分实际实施时，安装于公路桥的两端。
第二发电装置与第一发电装置结构相同，包括中心旋转轴、连接于所述中心旋转轴下端的装置外壳；所述装置外壳一端上部设置有固定支柱，所述固定支柱上设置有悬臂梁，所述悬臂梁靠近所述固定支柱的一端固定有压电片，所述悬臂梁的另一端设置有迎风钝体；所述装置外壳的另一端设置有尾舵；所述压电片与设置于装置外壳内的储能模块连接。第二发电装置同样利用风能为第二单片机、显示屏、无线接收模块进行独立供电，无需进行电池更换等维护工作，节省大量的人力物力。无线接收模块用于接收无线发送模块发送的数据，并将接收的数据发送至第二单片机，若第二单片机接收的数据达到预设的预警阈值，第二单片机发出预警信号给显示屏，显示屏显示预警信号，以便对过往车辆或人群进行预警，降低了中小型公路桥的事故发生率。
优选地，所述第二单片机内预设有预警阈值，当所述传感器模块采集到的数据的数值达到所述预警阈值的0.95倍、1.05倍或1.15倍时，所述显示屏对应显示三种不同颜色的指示信号，如显示屏分别显示黄灯、橙灯和红灯。实时监测桥梁安全状况，实现精准预警。
其中，所述储能模块为ltc3588-1芯片，ltc3588-1芯片自带整理滤波功能及稳压电容，可将压电片产生的电流经整理滤波后，将电能储存至稳压电容中，其电路原理框图如图3所示，其具体接线电路如图4所示。第一发电装置中的稳压电容与传感器模块、第一单片机、无线发送模块连接进行供电，第二发电装置中的稳压电容与第二单片机、显示屏、无线接收模块连接进行供电。图3和图4中负载指传感器模块、第一单片机、无线发送模块或第二单片机、显示屏、无线接收模块。
本实施例中，所述中心旋转轴1包括上半轴11和下半轴12，所述上半轴11与所述下半轴12之间通过旋转轴承13连接。所述上半轴11顶端设置有安装板14，可通过螺钉将安装板14固定于桥梁上，下半轴12用于带动装置外壳2整体进行转动。
具体实施时，所述传感器模块01为应变传感器，优选贴片式应变传感器，用于采集公路桥的应变量。所述迎风钝体6的横截面为半圆形、矩形、正方形、三角形、梯形、y形中的一种，优选横截面为y形。尾舵7包括一支撑杆和竖直设置于支撑杆上的翼状板，支撑杆与所述装置外壳1一端连接，装置外壳后端加装尾舵，可对风向进行实时追踪，提高风能的利用效率。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于储能模块结构不同，本实施例中所述储能模块包括整流滤波电路、超级电容，所述压电片、整流滤波电路、超级电容依次连接，其电路图如图5所示。首先由整流滤波电路将压电片产生的电流进行整流滤波，然后将电能储存至超级电容中。第一发电装置中的超级电容与传感器模块、第一单片机、无线发送模块连接进行供电，第二发电装置中的超级电容与第二单片机、显示屏、无线接收模块连接进行供电。图5中负载指传感器模块、第一单片机、无线发送模块或第二单片机、显示屏、无线接收模块。
当然，在其他实施例中，储能模块也可选择用ltc3588-1芯片和超级电容，ltc3588-1芯片实现整流滤波，用超级电容代替ltc3588-1芯片中的稳压电容。其电路与实施例1中类似，区别仅在于用超级电容代替了稳压电容。
在具体实施时，第一单片机和第二单片机均可采用msp430单片机，传感器模块可采用hy-65b3000b贴片式应变传感器，显示屏可采用led显示屏。固定支柱与装置外壳之间、固定支柱与悬臂梁之间，悬臂梁与迎风钝体之间可采用焊接，固定支柱与悬臂梁之间，悬臂梁与迎风钝体之间也可采用螺钉连接。
第一发电装置或第二发电装置的发电原理如下：
通过中心旋转轴1将发电装置安装于桥梁底部，为了应对桥下风向变化，装置外壳2尾部安装有尾舵7，当有风吹过来时且尾舵7不与风向平行时，尾舵7受到风的作用，产生旋转运动，并带动整个发电装置绕着旋转轴承13一起旋转，直到尾舵7与风向平行，发电装置稳定下来，使得迎风钝体6与风向垂直，实现迎风钝体6迎风。悬臂梁5可选用板状长条形结构，风绕迎风钝体6流动，当迎风钝体6和悬臂梁5竖直设置时，风会使得迎风钝体6产生驰振并带动悬臂梁5水平方向振动，当迎风钝体6和悬臂梁5水平设置时，风会使得迎风钝体6产生驰振并带动悬臂梁5竖直方向振动，固定在悬臂梁5上的压电片4受到周期性压力作用，产生电荷，并经储能模块整流滤波后将电能存储至电容中，以便为系统供电。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种公路桥安全监测系统，其特征在于，包括传感器模块、第一单片机、无线发送模块及第一发电装置；
所述传感器模块、无线发送模块均与所述第一单片机连接；
所述第一发电装置包括中心旋转轴、连接于所述中心旋转轴下端的装置外壳；所述装置外壳的一端设置有尾舵；所述装置外壳另一端上部设置有固定支柱，所述固定支柱上远离所述尾舵的一侧设置有悬臂梁，所述悬臂梁靠近所述固定支柱的一端固定有压电片，所述悬臂梁的另一端设置有能发生驰振的迎风钝体；所述压电片与设置于所述装置外壳内的储能模块连接；
所述传感器模块、第一单片机、无线发送模块均与所述储能模块连接。
2.根据权利要求1所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，还包括第二单片机、显示屏、无线接收模块及第二发电装置，所述显示屏、无线接收模块均与所述第二单片机连接，所述第二发电装置与所述第一发电装置结构相同，所述第二单片机、显示屏、无线接收模块均与所述第二发电装置的储能模块连接。
3.根据权利要求1或2所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述储能模块为ltc3588-1芯片。
4.根据权利要求1或2所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述储能模块包括整流滤波电路、超级电容，所述压电片、整流滤波电路、超级电容依次连接。
5.根据权利要求1或2所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述中心旋转轴包括上半轴和下半轴，所述上半轴与所述下半轴之间通过旋转轴承连接。
6.根据权利要求5所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述上半轴顶端设置有安装板。
7.根据权利要求1所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述传感器模块为应变传感器。
8.根据权利要求1所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述迎风钝体的横截面为半圆形、矩形、正方形、三角形、梯形、y形中的一种。
9.根据权利要求1所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述尾舵包括与所述装置外壳一端连接的支撑杆，以及竖直设置于所述支撑杆上的翼状板。
10.根据权利要求2所述的公路桥安全监测系统，其特征在于，所述第二单片机内预设有预警阈值，当所述传感器模块采集到的数据的数值达到所述预警阈值的0.95倍、1.05倍或1.15倍时，所述显示屏对应显示三种不同颜色的指示信号。
技术总结