基于无线传感技术和GPRS的金属结构应力远程监测系统

论文摘要

港口装卸机械是港口生产的命脉,其金属结构的安全问题是港口企业长期关注的重点。起重机械金属结构承受着各工作机构自重以及外部载荷,其承载能力直接关系到整机的工作性能、安全性和可靠性。应变片电测法是检测金属结构主要受力构件承载能力、评估结构安全以及预测金属结构剩余寿命的主要方法。为了避免安全事故的发生以及影响生产效率,起重机械的检测通常采用传统的方式定期检测,而且检测的时间短,这种传统的检测方法需要大量导线,用来在应变计和采集器之间传输数据,几乎一半的时间将会被浪费在导线的布置和拆除上,检测效率低且影响港口作业时间,同时导线也很容易受环境的影响(如温度、电磁干扰),测试信号将会被干扰,且无法获取长期动应力数据,达不到实时在线监测的目的,也难以实现对结构寿命的准确预测。本文在分析了传统的金属结构应力测试方法的基础上,介绍了一种基于无线传感技术和GPRS的远程无线动态应力监测系统,通过TDC技术测量电阻变化,采用太阳能和锂电池相结合的供电。讨论了该系统无线传感器网络节点各组成模块(包括焊接式电阻应变计、时间数字转换器、处理器模块、无线通讯模块、电源模块)的原理和关键技术以及系统软件,实现了基于无线传感器网络的应变数据无线采集和基于GPRS网络的无线数据传输。WSN能够摆脱电缆的束缚、大幅减少劳动强度、降低测试成本和提高测试效率,GPRS网络将应力数据送到远程主机,实时评估金属结构的安全,有利于增强结构的安全管理,具有应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外港口机械监测技术现状与发展动态
• 1.3 课题的主要工作及安排
• 第2章 金属结构应力远程监测系统总体设计方案
• 2.1 无线传感器网络技术
• 2.1.1 无线传感器网络协议研究
• 2.1.2 无线传感器网络应用及优势
• 2.2 GPRS数据传输技术研究
• 2.2.1 GPRS网络通讯协议
• 2.2.2 GPRS的特点及优势
• 2.3 系统的总体设计思想及功能模块划分
• 2.3.1 系统的组网方案和系统的结构
• 2.3.2 系统的特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 金属结构应力远程监测系统硬件设计
• 3.1 应力采集模块
• 3.1.1 焊接式电阻应变计
• 3.1.2 TDC原理芯片PSф21
• 3.1.3 采集模块外围电路
• 3.2 SM43-433MHz无线通讯模块
• 3.3 C8051处理器模块
• 3.4 能量供给模块
• 3.4.1 总体电源模块设计
• 3.4.2 太阳能板电源模块电路设计
• 3.4.3 传感器节点主要工作能耗计算
• 3.5 GPRS DTU硬件系统
• 3.5.1 GPRS DTU选型及性能
• 3.5.2 GPRS DTU接口电路
• 3.6 本章小结
• 第4章 金属结构应力远程监测系统软件设计
• 4.1 系统软件的总体设计
• 4.1.1 系统功能需求
• 4.1.2 系统设计特点
• 4.2 传感器节点软件设计
• 4.2.1 基于SM43-433MHz传感器网络通讯协议
• 4.2.2 基于SM43-433MHz传感器网络数据传输流程
• 4.3 基站节点软件设计
• 4.3.1 无线传感器网络通讯单片机部分程序设计
• 4.3.2 DTU数据传输协议
• 4.3.3 GPRS数据传输工作流程及流程图
• 4.4 远程服务器数据中心软件设计
• 4.4.1 服务器运行流程
• 4.4.2 数据库设计与实现
• 4.4.3 测点信息
• 4.4.5 数据存储及显示
• 4.4.6 报警系统
• 4.5 系统软件开发与运行环境设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统性能测试
• 5.1 传感器节点性能测试
• 5.1.1 精度测试
• 5.1.2 稳定性测试
• 5.1.3 动态性能测试
• 5.2 无线传感器网络性能测试
• 5.3 GPRS模块实际传输性能测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研项目