无线传感网桥梁结构健康监测系统数据通信研究与实现

论文摘要

无线传感网技术综合了传感器技术、无线通信技术、分布式信息处理技术、嵌入式计算技术等,其系统通过高度集成化的微型无线传感器节点实时感知和采集各种环境或监测对象的信息,采集完成后,通过无线方式实现网内传输。无线传感网技术搭建了物理世界与人类社会之间的桥梁。目前,无线传感网已被应用于多个领域,将无线传感网应用于结构健康监测领域,不仅保留了有线监测系统的优势,而且很好地解决了有线监测系统造价高、布线繁琐、维护困难等一系列问题。泰州长江公路大桥是一座三塔双跨式钢箱梁悬索桥,其在设计建造过程中应用了很多先进技术,特别是中塔采用“人”字形钢铁结构,桥型独特,结构受力状态复杂。因而,建立一套完善的结构健康监测系统对大桥进行长期在线监测,这对及时掌握桥梁结构状态、指导桥梁养护管理、延长桥梁使用寿命等都具有非常重大的意义。本文内容就是在基于无线传感网的泰州大桥结构健康监测系统基础上所做的研究。本文首先介绍了泰州大桥结构健康监测系统的构架,简要说明了用于获取三方向振动加速度数据的高精度传感采集板,概述了无线传感节点IRIS和高性能基站平台Imote2,介绍了用于无线传感网开发的嵌入式操作系统TinyOS及其使用的nesC语言。此外,还说明了整个监测系统在现场的安装布局情况。无线传感网网络协议栈在OSI七层协议模型和TCP/IP四层协议模型基础上,综合二者的优点,采用一种五层协议的体系结构,主要由物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层构成。IEEE 802.15.4是IEEE组织提出的、描述低速率无线个人局域网的底层协议,已成为WSN协议栈中物理层和数据链路层的事实标准,也是其他上层协议的基础。本系统在定制无线传感网网络协议栈基础上,提出一种基于轮询的传输控制流程,在IEEE802.15.4协议的星型拓扑结构基础上,通过控制基站与节点间的收发过程,有效地降低了信道中的相互干扰,增加了通信传输的可靠性。无线通信相比有线通信在传输过程中不确定因素更多,因而更容易发生错误。节点运动、空间遮挡、消息碰撞、相同或相邻频段的噪声等都会导致快速衰落或者码间干扰的发生,导致接收出错。泰州大桥结构健康监测系统作为实时性的监控平台,对数据的准确性和完整性要求很高。在比较现有差错控制方式基础上,同时考虑基于轮询的传输方式,我们提出了一种类似选择重传ARQ的群ACK机制,通过现场实验比较,发现可以有效地提高通信系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感网概述
• 1.2 无线传感网应用于结构健康监测
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本文主要完成的内容
• 本章小结
• 第二章 基于无线传感网的泰州大桥结构健康监测系统
• 2.1 系统硬件平台
• 2.1.1 无线传感器节点
• 2.1.2 高精度传感板
• 2.1.3 高性能基站平台
• 2.2 系统软件平台
• 2.3 系统现场布局
• 本章小结
• 第三章 无线传感网的网络协议栈
• 3.1 WSN网络协议栈概述
• 3.2 基于IEEE 802.15.4的底层协议
• 3.3 应用层协议
• 3.4 基于轮询的传输控制过程
• 本章小结
• 第四章 无线传感网差错控制研究
• 4.1 差错控制的必要性
• 4.2 现有差错控制技术简介
• 4.3 基于群ACK的差错控制技术
• 4.4 实验比较
• 本章小结
• 第五章 结束语
• 本章小结
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表文章
• 致谢