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面向桥梁应变监测的无线传感器网络关键技术研究

许强  
【摘要】:桥梁是投资巨大且使用期长的重要基础设施,桥梁使用的安全性对国民经济有着举足轻重的影响。对桥梁状态进行监测,防患桥梁结构毁坏,具有重要意义。随着微电子技术、通信技术、结构监测技术的发展,桥梁状态无线监测成为了无线技术的一个应用热点。与传统桥梁监测系统相比,无线桥梁监测系统的成本低、维护简单、智能化程度高,具有重大的应用价值。本文对适用于桥梁应变监测的无线通信技术、无线桥梁应变监测系统的传感器部署、无线桥梁应变监测系统的研制三个方面进行了研究。首先,对适用于桥梁应变监测的无线通信技术进行了研究。研究了桥梁的分类及其结构,对桥梁监测现场的环境进行了分析。引入了无线通信方案的评价指标,并结合这些指标对比分析了目前较为常用的无线通信技术。为了更具体地分析本应用背景下较为合适的无线通信方案,对TI公司基于Wi-Fi技术的CC3200芯片、基于蓝牙技术的CC2640芯片、基于ZigBee技术的CC2530芯片进行的对比分析,得出在桥梁应变监测的背景下,ZigBee方案为性价比较高的无线通信方案,并对ZigBee技术的原理进行了研究。其次,为了保证系统具有较高的覆盖率和可靠性,同时考虑到成本问题,本文研究了桥梁监测背景下的无线传感器节点部署方法。研究了无线节点的感知与通信模型,包括概率感知、自由传播模型、双径反射模型、阴影模型。在对比了各模型后,确定了使用概率感知和阴影模型来进行仿真环境的设置。研究了无线传感器网络节点的部署方法,从覆盖率的角度研究了随机部署、正四边形部署、正六边形部署的具体方案。介绍了NS2网络仿真环境及其一般使用方法,针对监测桥梁全域,使用正六边形和正四边形部署方法确定了四种部署方案,结合网络仿真软件(Network Simultation Version 2,NS2)进行仿真,得到了最佳的部署方案,并对其在雨天、电磁干扰、障碍物阻挡场景下进行可靠性考察。此外,为了本文的系统样机提供实验参考,对本系统进行了部署方案的确定,并分析了可靠性表现。最后,本文对无线桥梁应变监测系统进行研究,开发了一套可用于桥梁应变监测的系统样机。系统样机包括无线传感器、路由器、电源模块、网关、上位机以及云端服务器。无线传感器包括电阻式应变片,信号调理模块,信号采集模块,配置终端程序的无线传输模块;路由器为配置路由节点程序的无线传输模块;无线传感器和路由器由电源模块供电;网关为三个配置协调器程序的无线传输模块和一个基于STM32F103ZET6的主控模块;上位机采用Qt设计,接收网关传输的信号,对不同节点,不同通道的信号进行分拣并显示其波形,此外,将各通道的数据存储至本地及云端。实验证明了本系统能够高精度地、无线地监测结构应变,并具有实时显示信号波形、存储数据至本地及云端、太阳能能量回收续航的功能。


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