桥梁结构健康监测无线传感器网络的设计与实验研究

论文摘要

在桥梁结构健康监测中,需要对远程环境、设备或设施的状况进行实时监测。传统的监测系统需要将大量传感器的测量数据,通过导线连接至控制中心,这不仅提高了监测系统的安装费用,延长了安装周期,还会使系统的可靠性降低。本论文提出的无线传感器网络系统是桥梁健康监测领域中一种新兴的信息获取和处理技术,系统中每个传感器节点都具有无线通信功能,各个测点的传感器节点对各处的参数进行测量,并组成一个无线网络,将测量数据通过该网络以无线方式传送到控制中心。本文针对桥梁结构健康监测的无线传感器网络系统进行研究,主要研究内容与成果如下:针对桥梁在使用过程中受应力耦合作用产生应变,对桥梁结构如何高效准确的进行健康监测,采用了应用振弦式应变传感器测量应变的这一方法。从振弦式传感器机理开始进行研究,分别从振弦式传感器的工作原理,以及振弦式传感器的结构和性能开始出发进行分析,得到了振弦式传感器准确监测结构应变量的理论依据。从无线传感器网络特性方面考虑以及低功耗、低成本角度出发,采用模块化设计方法,研制适合桥梁结构健康监测的无线振弦式传感器网络节点。系统选用由微控制器直接控制的ATmega128L加PTR8000无线收发模块来实现传感器节点之间的无线中短距离通信,无线通讯协议使用RFWaves公司的CSMA协议。节点的微处理器采用ATMEL公司的ATmega128L超低功耗单片机,通信传输器件采用讯通公司基于nRF905通讯芯片的无线通讯模块PTR8000,传感器使用北京基康公司的振弦式应变传感器BGK4000。对常用的各种无线传感器网络协议进行分析对比,从桥梁结构健康监测实际的实际需求考虑,设计出能够满足桥梁结构健康长期监测要求的无线振弦式传感器网络通讯协议。并且分析本文所开发的无线传感器网络系统的软件实现所考虑的问题,研究设计实现数据采集和信号收发的网络协议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 无线传感器网络的发展及应用
• 1.2.1 无线传感器网络的概念和特征
• 1.2.2 无线传感器网络国内外研究现状
• 1.2.3 无线传感器网络的应用
• 1.3 桥梁结构健康监测系统
• 1.3.1 桥梁结构健康监测的关键问题
• 1.3.2 桥梁结构健康监测的应用及发展
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 无线传感器网络节点设计
• 2.1 引言
• 2.2 振弦式应变传感器机理分析
• 2.2.1 自由振动弦的数学模型
• 2.2.2 受迫振动弦的数学模型
• 2.2.3 振动弦的温度补偿
• 2.2.4 振弦式应变传感器工作原理
• 2.2.5 振弦式传感器结构及性能分析
• 2.3 无线传感器网络节点电路设计
• 2.3.1 激励电路
• 2.3.2 检测电路
• 2.3.3 数据处理单元
• 2.4 系统各部分硬件设计
• 2.4.1 微控制器器对比分析
• 2.4.2 微控制器ATmega128L
• 2.4.3 无线通讯模块
• 2.4.4 能量单元模块
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器网络通信协议实现
• 3.1 引言
• 3.2 常用无线通信协议
• 3.2.1 lEEE802.11
• 3.2.2 ZigBee
• 3.2.3 ALOHA和CSMA协议
• 3.2.4 CSMA/CA协议
• 3.3 本系统软件实现
• 3.3.1 协议的软件实现所考虑的问题
• 3.3.2 数据链路层协议软件实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 无线振弦式传感器网络实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 网路节点功能测试
• 4.2.1 混凝土梁加载实验
• 4.2.2 实验数据分析
• 4.3 无线传感器网络系统测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢