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1、利用无线传感器网络实现大跨度桥梁的振动检测 学校代码：10904 机械工程测试技术课程设计利用无线传感器网络实现大跨度桥梁的振动检测姓 名：闫程贺学 号：201315310136指导教师：卢纪丽院系(部所)：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2014.12.13摘要桥梁作为国家基础设施的重要组成部分，在国民经济和社会生活中的作用越来越重要，人们对大型桥梁的安全性、耐久性及正常使用功能日益关注和重视。对于大跨度桥梁的结构健康监测，传统的人工检测方法存在主观性强,整体性，时效性差等不足.目前广泛使用的有线健康监测在应用中也存在着布线难，系统易受环境影响等困难。利用无线传感器网络技
2、术对桥梁结构健康状态进行监测。不仅保留了有线健康监测的优点，而且弥补了其在应用中的不足。文章首先对整个系统的组成进行了说明，接着分别对无线传感器网络节点以及基站的组成和作用进行了说明。在此基础上，提出温度漂移对无线传感器网络节点的加速度传感器输出的影响，并对如何利用温度补偿技术来校准加速度传感器的输出值进行了探讨。且给出了数据校准前和数据校准后的对比图。接下来提出节点时钟同步的必要性，并对网络的时钟同步原理进行了探讨。在润扬长江大桥锚索上安装无线传感器网络，利用节点采集锚索的振动信息，并将其发送到基站节点。经数据分析可以得出锚索的振动频率，根据振动频率，便可以分析其受力情况，最终可以判断桥梁的
3、结构健康状态。关键词：桥梁无线测试系统 无线通信 数据采集AbstractAs an important part of the national infrastructure of the bridge, and role in the national economy and social life of the more important, people on the large bridge safety, durability and function of normal use of increasing concern and attention. For structural
4、 health monitoring of long-span bridges, the traditional manual detection method such as strong subjectivity, integrity, lack of poor timeliness. Cable health monitoring is currently widely used in the application also exists in the wiring is difficult, the system is easily affected by environment a
5、nd so difficult. Monitoring the health state of bridge structure by using the technology of wireless sensor network. Not only retains the advantages of cable health monitoring, and make up for the deficiencies in the application. Firstly, on the composition of the whole system are described, then th
6、e wireless sensor network node and the base station components and functions are described. On this basis, the influence of temperature drift of accelerometer output is proposed for wireless sensor network node, output and to calibrate the acceleration sensor on how to use the technique of temperatu
7、re compensation value is discussed. And gives the comparison of data before and after calibration the calibration data. Then put forward the necessity of node clock synchronization, and clock synchronization principle of network are discussed. The installation of wireless sensor network in cable, us
8、ing the vibration information acquisition of anchor nodes, and send it to the base station node. Through the data analysis of vibration frequency can be obtained according to the anchor cable, vibration frequency, can force analysis, structural health state eventually can determine the bridge.Keywor
9、ds: wireless communication data acquisition and wireless measurement system for bridge目录1桥梁结构振动监测中无线传感器网络关键技术分析11.1 无线传感器网络11.2 无线传感器网络在桥梁结构振动监测中的关键问题32 多数据汇集点网络拓扑结构62.1网络拓扑结构优化设计62.2网络自组织方法83 基于贪婪启发式的时间同步方法93.1桥梁结构振动监测中的传感器网络时间同步要求93. 2 基于贪婪启发式的时间同步方法104 基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统原型设计144.1桥梁结构振动无线传感器网络监测构架
10、144.2 监测区数据采集环节设计174.3 无线网络传输机制设计184.4 传感器节点程序设计与实现204.5 数据终端程序设计245 实验与分析275.1数据采集实验275.2网络性能测试分析306小结33参考文献34致 谢361桥梁结构振动监测中无线传感器网络关键技术分析1.1 无线传感器网络无线传感器网络是近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展而出现的一种新型网络，它由大量的传感器节点组成，各节点通过传感或控制参数实现与环境的交互，是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。无线传感器网络提供了一种全新的数据采集模式。相
11、对于传统的数据采集系统，其感知范围扩大了很多，在单位区域内节点密集部署使得整个系统具有更好的容错能力，也提高了整个系统测量的准确性，从系统的安装、维护和使用等方面来看，无线传感器网络的成本降低。但是，由于无线传感器网络的应用支持非常广泛，目前尚无一套具体的准则将其具体的分类，并且无线传感器网络在面向不同的应用需求时，其可移植性和网络构建也是一项具有挑战性的工作，尚不存在固定的解决方案。在大多数的应用中，无线传感器网络的体系结构如图2.1所示，通常包括传感器节点、汇集节点和数据终端，呈现出较为完整的多层次的网络结构。大量的传感器节点被部署在监测区域内，这些无线传感器节点通过自组织的方式组成无线网
12、络。传感器所感知的信息通过网络以多跳（Multi-hop）的方式在网络中传播，并可能被多个传感器节点处理，最终到达汇集节点,汇集节点通过互联网或其它通信线路将感知数据发送给管理节点,负责监控的工作人员通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监控任务，收集监控数据。图1.1 无线传感器网络体系结构从网络的体系结构上看，无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处。但是，他们之间也存在很大的差别：无线传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；通常
13、情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都非常有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才是考虑节点能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网络与传统网络最主要的区别之一。无线传感器网络具有如下技术特征：规模大：传感器网络可能包含多达成千上万个节点。高冗余：为了保证网络的可用性、可靠性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。动态拓扑：除了几节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网
14、络中有些几节点可能进入休眠状态，或者为了提高网络的数据传输速率和数据吞吐量，引起工作节点的数量和网络传输结构的变化。面向应用性强：无线传感器网络针对不同的应用实例，其存在形式和支持技术往往差别很大。网络自组织：网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器节点通过分布式网络拓扑控制协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围等因素的变化。流量不均衡：无线传感器网络中流向处理中心的数据量远远大于反向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。节点数据融合与压缩：由于无线传感器的能量、传输带宽的限制，传感器网络
15、在数据传输过程，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合和压缩，再传输给处理中心。数据融合与压缩可以减少冗余数据，节省通信所带来的电量损耗，减轻通信压力。传感器节点能力有限：由于低成本、低能耗、体积小等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力受到很大的限制。在无线传感器网络设计的过程中，需要在上述的各个指标之间取得折中。针对在系统运行的不同时期各个指标重要程度的不同，算法和通信协议要有很强的适应能力。1.2 无线传感器网络在桥梁结构振动监测中的关键问题无线传感器网络技术的发展为桥梁结构振动监测提供了新的思路，用无线传感器网络监测模式来构建无线、分布式桥梁结构振动监测系统，可以较好地解决大规模多测点数据同步采集、精度与监测成本之间的矛盾，实现系统自由扩展，并以较低的成本实现大规模监测。但是，由于无线传感器网络的硬件技术和软件技术发展尚不成熟，在针对具体的工程应用中需要在其各个技术层面做修改和完善。本研究认为无线传感器网络在以下几个方面制约了其在桥梁结构振动监测中的应用：（1）需要进行适合桥梁结构振动监测的无线测振传感器的研制。现有的各种常用的测振传感器由于不能满足无线传感器网络节点低功耗、小体积的要求，不能直接应用到基于无线传感器网络的桥梁结构振动监测中。目前，虽然已经出现了可用于桥梁、建筑物
