用于应变监测的无线传感器网络的研究

论文摘要

结构健康监测和无线传感器网络都是当前国内外工程领域的研究热点,近年来,监测系统越来越多的应用在要求更高的实践工程中,传感器数目、有待处理的数据量以及系统的复杂性都大大增加,传统有线的方式不仅接线繁琐,而且大量布线会增加监测对象的负重,后期维护所耗费的时间和经费也是相当可观的。同时这种传统的串行集中式监测系统也会在很大程度上影响系统的处理速度及系统的可靠性和灵活性。无线传感器网络为实现大型结构的状态监测提供了很好的智能化分布式监测网络,采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量,从而大大降低引线的复杂程度及由此带来的结构重量的增加,并且无线传感器网络节点具有局域信号处理功能,很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成,将大大减少所需传输的信息量,并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统,变为一种并行的分布式信息处理系统,很大程度上提高了监测系统的运行速度及决策的可靠性。国内外无线传感器网络的应用主要集中在环境监测和保护、医疗护理、大型建筑结构和军事领域方面,针对在飞行器结构上的结构健康监测应用还是比较少的。针对上述情况,本文进行了用于应变监测的无线传感器网络的研究,具体内容如下:(1)结合结构健康监测的需求以及无线传感器网络的特点,设计了模块化独立分层设计的系统构架,开发了可直接配接无线传感器网络节点的低功耗多通道应变传感采集模块,并对其静态误差和灵敏度进行了标定,完成了用于应变监测的无线传感器网络的硬件设计。(2)本文在了解无线传感器网络在其他应用问题上的网络协议基础之上,提出了应用在结构健康监测的双层无线传感器网络结构,开发了多通道应变传感采集,网络簇首数据融合、转发,多跳节点和Sink节点四个软件模块,完成了用于应变监测的无线传感器网络的软件设计。(3)基于用于应变监测的无线传感器网络的软硬件的设计,在碳纤维复合材料壁板实现了结构的在线应变场分布监测和完成了基于无线传感网络的某型战斗机前起落架的地面静力试验,实验结果证明研制的无线传感器网络很好地完成了应变信号的多点、网络化监测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络的概念
• 1.3 无线传感器网络的体系结构
• 1.4 无线传感器网络与传统网络的区别
• 1.5 无线传感器网络应用
• 1.5.1 军事领域
• 1.5.2 环境检测
• 1.5.3 医疗保健
• 1.5.4 空间探索
• 1.5.5 其它商业用途
• 1.5.6 学术理论
• 1.6 研究的背景、意义和内容
• 第二章 用于应变监测的无线传感器节点的研制
• 2.1 多通道传感采集模块的设计
• 2.1.1 应变桥路
• 2.1.2 桥压电路
• 2.1.3 前置放大电路
• 2.1.4 二阶低通滤波电路
• 2.1.5 多通道传感采集模块的PCB 板的设计
• 2.2 多通道传感采集模块的标定实验
• 2.2.1 重复性、静态误差的标定
• 2.2.2 灵敏度系数的标定
• 2.3 数字处理模块和无线收发模块的设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 无线传感器网络的层次路由协议的开发
• 3.1 无线传感器网络的网络层路由算法
• 3.1.1 平面结构路由
• 3.1.2 聚类分层结构路由
• 3.2 用于应变监测的无线传感器网络层次路由的研究
• 3.2.1 TinyOS 操作系统
• 3.2.2 nesC 语言
• 3.3 程序模块的开发
• 3.3.1 多通道应变传感采集模块
• 3.3.2 簇首数据融合、转发模块
• 3.3.3 多跳节点模块
• 3.3.4 Sink 节点模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 用于应变监测的无线传感器网络的工程应用研究
• 4.1 应变场分布监测系统总体介绍
• 4.1.1 应变数据采集子系统
• 4.1.2 无线传感网络子系统
• 4.1.3 终端监控子系统
• 4.1.4 实验结果
• 4.2 基于无线传感器网络的某型战斗机前起落架静力试验系统研究
• 4.2.1 应变传感器布置
• 4.2.2 无线传感器节点布置
• 4.2.3 无线传感器网络设置
• 4.2.4 实验结果对比、分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 在硕士学习期间发表的主要论文
• 附录