結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).pdf

1、隨著人們對結(jié)構(gòu)安全性重視程度的提高以及各種監(jiān)測、檢測相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為土木工程結(jié)構(gòu)研究中的重要方向。無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費用、少安裝時間等特點而成為近年來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點。
　　本文在充分研究傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對土木工程結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測的無線加速度傳感器集成、結(jié)構(gòu)局部性態(tài)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器集成以及相應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

2、、網(wǎng)絡(luò)能耗處理、網(wǎng)絡(luò)試驗等問題進行了系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.針對結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測的需要，從設(shè)計的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，對相關(guān)電子器件進行了比較、分析、選擇；在此基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計方法，對傳感處理模塊、微處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源模塊分別設(shè)計、調(diào)試，進而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器節(jié)點。在設(shè)計過程中，對無線加速度傳感器節(jié)點的數(shù)字接口問題、校正問題進行了重點研究。標定實驗表明研制的無

3、線加速度傳感器能夠滿足土木工程結(jié)構(gòu)加速度測量的要求。
　　2.針對傳統(tǒng)應(yīng)變采集設(shè)備體積較大、要求使用導線精度高等問題，提出了應(yīng)變監(jiān)測的無線采集傳輸系統(tǒng)的方案，并集成了用于局部性態(tài)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器及其采集系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計中，對無線應(yīng)變傳感器放大處理模塊的集成和測試進行了重點研究。文中提出的基于電阻應(yīng)變片的無線采集傳輸系統(tǒng)具有小型化的特點，能克服傳統(tǒng)有線采集系統(tǒng)的不足，更適合在現(xiàn)場測試中應(yīng)用。
　　3.針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感

4、器組網(wǎng)的問題，以相關(guān)的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，提出了節(jié)點—子基站—主基站三層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。通過主基站，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以同Internet連接，實現(xiàn)遠程訪問；針對所提出的三層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以傳統(tǒng)的無線通信協(xié)議理論為基礎(chǔ)，借鑒國際標準化組織的七層通信協(xié)議，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議模型，并重點分析了數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議設(shè)計。
　　4.針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗問題，分析了能耗影響因

5、素，并從節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)角度提出了節(jié)能措施。在節(jié)點方面，采用硬件、軟件以及軟硬件協(xié)同措施來減少能量消耗；在網(wǎng)絡(luò)方面，以無線傳感器的能量為參量，提出一種改進的螞蟻路由算法，并進行能耗仿真分析。研究表明，所提出的節(jié)能策略在一定程度上可以減少能量損失，延長網(wǎng)絡(luò)運行時間。
　　5.完成了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多項試驗研究。無線應(yīng)變傳感器對鋼筋混凝土梁在靜荷載作用下應(yīng)變變化情況進行了測試，測試數(shù)據(jù)進行了融合處理，試驗結(jié)果表明無線應(yīng)變傳感器及

6、其測量系統(tǒng)能夠完成對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的局部性態(tài)測試；利用無線傳感技術(shù)對裝配減擺控制系統(tǒng)的大型起重鋪管船吊鉤模型的擺動進行了測試分析，表明用無線技術(shù)能夠正確監(jiān)測到大型起重鋪管船吊鉤擺動情況，并驗證了所提出的減擺控制模型系統(tǒng)能實現(xiàn)吊鉤減擺的目的；對海洋平臺模型在冰激振作用下、對超高層建筑深圳地王大廈在臺風荷載作用下，結(jié)構(gòu)總體變化情況進行了監(jiān)測，試驗結(jié)果顯示無線加速度傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠正確地反映海洋平臺結(jié)構(gòu)和超高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性態(tài)。