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结构健康监测的无线传感器及其网络系统

喻言  
【摘要】: 随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发展,结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器及其网络系统由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。 本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术的基础上,针对土木工程结构整体性态监测的无线加速度传感器集成、结构局部性态监测的无线应变传感器集成以及相应的无线传感器网络拓扑结构、网络通信协议、网络能耗处理、网络试验等问题进行了系统的研究,主要研究内容如下: 1.针对结构整体性态监测的需要,从设计的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出发,对相关电子器件进行了比较、分析、选择;在此基础上,采用模块化设计方法,对传感处理模块、微处理模块、无线收发模块以及能源模块分别设计、调试,进而集成了基于数字接口的无线加速度传感器节点。在设计过程中,对无线加速度传感器节点的数字接口问题、校正问题进行了重点研究。标定实验表明研制的无线加速度传感器能够满足土木工程结构加速度测量的要求。 2.针对传统应变采集设备体积较大、要求使用导线精度高等问题,提出了应变监测的无线采集传输系统的方案,并集成了用于局部性态监测的无线应变传感器及其采集系统;系统设计中,对无线应变传感器放大处理模块的集成和测试进行了重点研究。文中提出的基于电阻应变片的无线采集传输系统具有小型化的特点,能克服传统有线采集系统的不足,更适合在现场测试中应用。 3.针对结构健康监测无线传感器组网的问题,以相关的传感器网络拓扑结构模型为基础,提出了节点—子基站—主基站三层无线传感器网络拓扑结构。通过主基站,无线传感器网络系统可以同Internet连接,实现远程访问;针对所提出的三层无线传感器网络拓扑结构,以传统的无线通信协议理论为基础,借鉴国际标准化组织的七层通信协议,提出了无线传感器网络的通信协议模型,并重点分析了数据链路层和网络层的协议设计。 4.针对结构健康监测的无线传感器网络系统能耗问题,分析了能耗影响因素,并从节点和网络角度提出了节能措施。在节点方面,采用硬件、软


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