（物理学专业论文）面向结构健康监测的无线传感器网络系统及同步采集研究.pdf

摘要 无线传感器网络是当前国内外工程领域的研究热点，面向结构健康监测的无 线传感器网络是其中的一个重要分支，为了实时监测土木工程结构的安全状态， 避免由于重大结构与装备破坏引起的诸多安全事故的发生，并指导重大结构的维 护保养，建立一种无线传感器网络系统是当前研究重点之一。 结构健康监测中同步采集技术必不可少，是对服役结构的损伤进行全域或重 要区域诊断( 简称“场域诊断”) 的基础，各采集节点的数据如果没有空间和时 间信息是没有任何意义的，因此，同步采集和采样点时间信息对结构健康监测场 域诊断是至关重要的。 本文研究和设计了一套面向结构健康监测的无线传感器网络系统级方案，分 为硬件平台设计和软件开发两部分；基于系统之上，重点研究了时间同步协议和 同步采集方法；同步采集方法以同步采集始时方案、p i r 时间分离法和时间信息 柔性优化模型为特点，该方法适用于高频采集，保障了结构健康监测中采样点时 间信息的准确性和场域诊断的可靠性。 关键词：结构健康监测，无线传感器网络，时间同步，同步采集，时间信息 a b s t r a c t t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) i sc u r r e n ts t u d yh o t s p o ti nb o t hd o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a le n g i n e e r i n gf i e l d ，a n dw s n s f o rs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c h f o rr e a l - t i m em o n i t o r i n gs a f e t ys t a t u so fc i v i le n g m e e n n g , a v o i d i n gs a f e t ya c c i d e n tc a u s e db yl a r g es t r u c t u r e e q u i p m e n td a m a g e ，i n s t r u c t l n g m a i n t e n a n c eo fl a r g es t r u c t u r e ，c r e a t i n gas y s t e mo fw s n si s o n eo ft h ec u r r e n t i m p o r t a n ts t u d y s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi ns h mi s n e c e s s a r y , w h i c hi sb a s i so f g l o b a lp e r f o r m a n c eo rf i e l dp e r f o r m a n c e ( i n t e r r a c i a lp e r f o r m a n c e f o rs h o r t ) f o r s e r v i c es t 九l d i 】i e e a c hn o d ea c q u i r e dw i l lb em e a n i n g l e s sw i t h o u ts p a c e i n f o r m a t i o n a n dt i m ei n 内m a t i o n t h e r e f o r e ，s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o na n dn o d ea c q u i r e dt i m e i n f 0 h n a t i o ni se s s e n t i a lf o ri n t e r r a c i a lp e r f o r m a n c eo fs h m ht h i sp a p e r , as y s t e m 1 e v e lp r o p o s a lo fw s n s f o rs h mi ss t u d i e da n dd e s i g n e d i tc o n s i s t so ft w op a r t s ：h a r d w a r ep l a t f o r md e s i g na n d s o f t w a r ed e v e l o p ；b a s eo l lt h e s y s t e m ，at i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l a n ds y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nm e t h o di s e s p e c i a u ys t u d i e d ；t h es y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nm e t h o di sc h a r a c t e r i z e db ys t a r t - t i m e p r o 粤砌o fs y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n ，p i p , t i m e s e p a r a t i o nm e t h o da n df l e x i b l e o p t i m i z a t i o nm o d e lo ft i m ei m f o r m a t i o n i ti sa p p l i c a b l et oh i g hf r e q u e n c ya c q u i s i t i o n a n de n s u r i 毒st h ea c c u r a c yo ft i m ei n f o r m a t i o no fs a m p l ei ns h m a n dt h er e l i a b i l i t yo f f i e l dp e r f o r m a n c e k e yw | o r d s ： s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t i m e s y n c h r o n i z a t i o n , s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n ，t i m ei n f o r m a t i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：之篁：! 二；垦日期：堡! ! 垒! 曰瑚 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 捌：孙乌导师( 签名啜次日期b ，鲫面 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理= 大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 面向结构健康监测的无线传感网络【l 】是当前国内外工程领域的研究热点，近 年来地震、洪水、山体滑坡等地质灾害造成结构工程事故频繁发生，如桥梁折断、 房屋倒塌等，也引起了人们对重大工程结构安全性的重视，为了实时监测土木工 程结构的安全状态，避免由于重大结构与装备破坏引起的诸多安全事故的发生， 并指导重大结构的维护保养，建立大型结构的无线传感器网络以监测和捕获结构 损伤信息是当前结构健康监测领域研究的重点之一2 】【3 1 。 结构健康监测中同步采集【4 】技术必不可少，是对服役结构的损伤进行全域或 重要区域诊断( 简称“场域诊断”) 【5 】的基础，各采集节点的数据如果没有空间 和时间信息是没有任何意义的，因此，同步采集和采样点时间信息对结构健康监 测场域诊断是至关重要的。 结构健康监测传统的办法是采用有线方式监测获取结构状态信息，同步采集 通过“硬同步 方法【6 1 ，即主控芯片给各采集节点提供采样时钟，各节点按照统 一的系统时钟进行数据采集和传输，后期数据处理以系统时钟作为采样点的时间 信息，但这种传统的方案需要大量布线，且布线对信号衰减和干扰极大，特别是 大面积或多处的监测信息获取，更是不可想象。 而对于无线传感器网络，同步采集以时间同步协议作为前提，现有的时间同 步协议已经广泛应用于无线传感器网络中，这些协议虽然实现了无线传感器节点 与无线网关的时钟一致，但对于结构健康监测来说，由于数据采集量大，采集频 率高，现有的时间同步技术很难实现在采集过程中的时间同步操作和同步采集， 各传感器节点的时钟在采集过程中出现的纵向和横向偏移会导致各节点同步采 集时间信息紊乱，采样点时间信息有效性得不到保障，而且由于采集频率高，丢 包的问题出现会严重影响后期对各节点数据的对齐和数据处理等工作，也就无法 保证结构健康监测中场域诊断的可靠性。 1 1 1 结构健康监测综述 结构健康监测属于仿生智能系统的一种，可以实时在线地监测结构的各种状 态及其参数，通过植入或粘贴的各种类型的传感器作为神经系统，来感知和诊断 结构内部各种缺陷及损伤，广泛运用于建筑桥梁，航空航天、船舶工业等诸多领 武汉理一1 ：人学硕十学位论文 域【j 7 1 。近年来，还有人研究出一种碳纤维技能层来实现结构健康监测中对结构的 场域诊断。 结构健康监测系统主要目的是对结构在整个服役期间的运行状态进行监测 和评估，即在投入使用后是否可以在正常荷载情况下工作、在一次偶然事件( 如 地震、台风或爆炸等) 作用后结构是否有损伤、整体的工作状态如何等等。 在结构健康监测系统中，主要监测对象有应力、应变、位移、压力、温度等 多种参数，而最常用的传感器有：光纤传感器、压电元件和应变元件。其中，光 纤传感器有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高， 设备也比较复杂。压电元件既可以作为传感器也可以用作驱动器，其灵敏度高， 动态性能好，应用范围也比较广泛，但它有脆性大、不易埋入结构中，低频特性 等缺点。应变元件具有灵敏度较高、静态性能好和性能稳定等特点。对传感器的 选择不仅应该满足相应测量点的要求，而且应该能够组成一种经济可靠的分布式 传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。 结构健康监测系统可以监测结构性能，检测结构损伤，评价和诊断结构健康 状况，是一种可靠、有效、经济的监测方法，使结构的安全性和功能性大大提高。 所以该技术被应用于航空航天、船舶行业、民用建筑等诸多领域，然而由于结构 健康监测系统成本高，目前我国在土木工程结构中主要应用于大型桥梁，如香港 的青马大桥、虎门大桥、上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等【8 】【9 1 。但在一些经济 发达地区( 如美国、德国、加拿大、日本等) 结构健康监测系统的应用已经扩展 到高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑等领域【1 0 1 。 1 1 2 无线传感器网络综述 无线传感器网络( w s n s ) 综合了微型传感器技术、通信技术、嵌入式计算 技术、分布式信息处理技术，使其能协调实时监测、感知和采集网络分布区域内 的各种环境参数或监测对象的信息，并对这些数据和信息进行处理和传送，被认 为是2 1 世纪最重要的技术之一，在工业、农业、军事、环境、医疗、家庭及商 务等领域具有极为广泛的应用前景【i l j 【1 2 】。 典型的无线传感网络系统结构如图1 1 所示，通常包括：子节点( 传感器 节点) 、主节点( 网关或汇点) 、因特网、用户端等。其中传感器节点的典型结构 包括4 个部分：传感单元、处理单元、通讯单元和电源单元【1 3 】【1 4 】。 2 武汉理r 入学硕士学位论文 厂执0 00 0“￥ ooo o o ，oo 一 汇点 ln t e r n e t 用户墉 能叠 图1 1 无线传感器网络系统结构示意图 传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力相对较弱，通过电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点可以兼顾传统网 络节点和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还可能要对其 他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，有时还会与其他节点协作完 成些特定任务。 汇点是具有较强处理能力、存储能力和通信能力的节点，从功能上它有时作 为无线网的网关负责将传感器网络与i n t e r a c t 等外部网络进行连接，实现通信协 议之间的转换，从而把收集的数据转发到外部网络和用户终端上。终端作为无线 传感器网络最终的使用对象，会对采集到信息进行详细深入的处理和分析，最终 根据特定规则制定决策。 无线传感器网络无需固定基站支持，具有快速展开，抗毁能力强等独特的优 点，而且利用无线传感器网络所构成的分布式监测网络能够大大减少器件有线引 线的数量，这是因为无线传感器节点可以方便地安装在所监测对象比较复杂或不 便于引线的位置。另外无线传感器网络在设计中所重点考虑的低功耗特点也可以 减少能源供给部件的重量并可实现对所监测对象的长期在线监测。这些特点对结 构健康监测需要来说，都是非常合适且必要的，相对传统的有线采集监测方式来 说，具有很大优势。 3 r o o 咋 o o ! 【 逸 武汉理j ：人学硕十学位论文 1 1 3 结构健康监测同步采集概述 同步采集技术是结构健康监测实际应用中非常重要的技术。由于结构健康监 测中的传感器采集节点是离散的分布于待监测结构体上，各采集节点数据相对独 立，必须将这些独立的采集节点以一个统一的节奏和周期同步进行采集，才能得 到一个具有时间和空间信息的监测数据。因此，在对结构的全域或者重要区域进 行场域诊断时，要想获得一个结构面或结构体的整体监测信息，传感器节点的采 集数据如果没有时间信息是没有任何意义的，同步采集技术的概念和必要性也由 此体现。 结构健康监测传统的办法是采用有线方式监测获取结构状态信息，同步采集 因此通过“硬同步”方法，即主控芯片给各传感器节点提供采样时钟，各传感器 节点按照统一的系统时钟进行数据采集和传输，后期数据处理以系统时钟作为采 样点的时间信息，但这种传统的方案需要大量布线，且布线对信号衰减和干扰极 大，特别是大面积或多处的监测信息获取，更是不可想象。因此面向结构健康监 测的无线传感器网络更具优势。 无线传感器网络中的同步采集是以时间同步技术作为前提条件的。无线传感 器网络中，不同的传感器节点有着自己的本地时钟，每个节点各自的晶体振荡器 控制着本地时钟的节奏，由于晶体振荡器的频率在生产时就存在先天上的偏差， 还有外界环境( 如：温度、压力的变化和电磁波的干扰等) 的影响，在运行一段时 间后，网络中个采集节点间的时间就会出现差别，这种差别直接影响到结构健康 监测同步采集的可靠性，只有各传感器节点时钟时钟保持相对一致，同步采集才 能有一个统一的标准和节奏。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 无线传感器网络 目前，无线传感器网络已经引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极 大关注，各种领域的相关研究都在广泛而深入的开展。 在国外，美国军方有包括c 4 k i s r 计划、s m a r ts e n s o rw e b 、“灵巧传感器网 络通信 计划、无人值守地面传感器群、传感器组网系统等研究。美国海军也确 立了“传感器组网系统 研究项目以及网状传感器系统c e c 等。工业和学术界 也在无线传感器网络的基础理论和关键技术上开展了大量的研究工作，比较有代 表性的研究项目有s m a r td u s t 和w i n s ，加州大学伯克利分校( u cb e r k e l e y ) 开发 无线配套的t i n y o s 内嵌操作系统，以及c r o s s b o wt e c h n o l o g y 公司研制的相关无 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 线传感器网络集成产品【1 5 】【1 6 】。目前，美国英特尔公司等工业界巨头也开始了无 线传感网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。同本、英国、意大利、 巴西等国家也对无线传感网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工 作。 在国内，对无线传感节点的研究才起步不久，对于无线传感网络具有研究性 质的工作在2 0 0 4 年才逐渐开始，2 0 0 5 年一年间发展的非常迅速。近两年来，国 家8 6 3 和国家自然科学基金等亦设专项资助该领域的理论、方法和关键技术的研 究。孙利民等在无线传感器网络一书中对无线传感网络用中文作了详细的解 释并提出了自己的一些看法和研究成果。目前，中国很多学者和研究人员在无线 传感器网络的节点硬件设计、操作系统、组网技术、网络路由技术、节能技术等 领域进行开发和研究，在理论和实践上进行着探索，但研究和应用水平相对于欧 美等发达国家还存在一定的差距，主要体现在缺乏整个系统的创新性研究和缺少 关键技术的自主知识产权【1 7 】【1 8 】。 就目前国内外有关无线传感器网络的研究现状来看，主要集中在军事研究、 工业现场控制和环境监控领域，面向结构健康监测的研究涉及不多。 i 2 2 时间同步 面向结构健康监测的无线传感器网络同步采集的前提是时间同步技术。有关 时间同步技术的研究在国内外也很多。 时间同步技术在传统网络中已经得到了广泛的应用，1 9 9 1 年m i l l s 教授提出 的网络时间协议n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) t 1 9 】，是因特网采用的时间同步协议。 这个协议很好的解决了因特网的时间同步问题。但对于通过无线传输的传感器节 点来说，n t p 协议并不适合。2 0 0 2 年，j e l s o n 等人首次提出和阐述了无线传感 器网络时间同步的研究课题，并指出了在无线传感器网络研究中时间同步技术的 特殊性和重要性 2 0 1 ，同年，他们便提出了无线传感器网络的参考广播同步协议 ( r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ，r b s ) t 2 1 】，这个协议是第一个比较系统的无线 传感器网络时间同步方法，为后来的研究开辟了思路。2 0 0 3 年p i n gs 等人提出 了时延测量时间同步( d e l a ym e a s u r e m e n tt i m es y n c h r o n i z a t i o n ，d m t s ) ；0 1 , 带i j 【2 z 。，同 年，g a n e r i w a l 等人又提出了传感器网络时间同步协议( t i m i n g s y n cp r o t o c o l f o r s e n s o rn e t w o r k s t p s n ) t 2 3 1 。2 0 0 4 年m a r o t i 等人提出了泛洪时间同步协议 ( f l o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l ，f t s p ) 1 2 4 ，这个协议综合考虑了能量感 知、扩展性、鲁棒性、稳定性和收敛性等方面的同步要求。 而在国内，研究传感器网络时间同步主要集中在一些科研单位，例如浙江大 学、西安交通大学、中科院计算所等【2 5 。2 7 1 。研究主要还处于理论和仿真阶段，而 5 武汉理1 ：人学颁十学位论文 且多是对现有时问同步技术的改进。 总体来说，目前国内外有关无线传感器网络时间同步的研究主要是提高时间 同步本身的精度和降低由时问同步信息交换带来的功耗，但对于结构健康监测来 说，现有的时间同步技术在同步采集中的问题还有很多。 1 3 本文的研究意义和内容 1 3 1 研究意义和创新点 首先，对于传感器节点，很多相关研究机构都是以购买国外研制的无线传感 器节点为主，自行研制的无线传感器节点相对较少，而专门针对结构健康监测的 需要进行开发的传感器节点更少； 其次，对于无线传感器网络，主要应用对象集中在军事研究、工业现场控制 和环境监控等领域，面向结构健康监测的研究并不多，且符合结构健康监测要求 的无线传感器网络系统级方案目前还是空白； 更为重要的是，针对结构健康监测同步采集的要求，由于数据采集量大，采 集频率高，现有的时间同步技术很难实现在采集过程中的时间同步操作和同步采 集，各传感器节点的时钟在采集过程中出现的纵向和横向偏移会导致各节点同步 采集时间信息紊乱，采样点时问信息有效性得不到保障，而且由于采集频率高， 丢包的问题出现会严重影响后期对各节点数据的对齐和数据处理等工作，也就无 法保证结构健康监测中场域诊断的可靠性。 本文就上述这些问题，研究和设计了一种面向结构健康监测的无线传感器网 络系统，集自行研制的无线传感器节点，无线传感器网络协议、网关服务器、远 程客户端监控和模态分析于体，为结构健康监测提出了一套系统级方案，并重 点针对结构健康监测的同步采集要求，创新性研究并提出了一种同步采集方法， 以同步采集始时方案、p i r ( p h y s i c a lt i m e ，i n i t i a l i z et i m e , r e l a t i v et i m e ) 时间分离法 和时间信息柔性优化模型为特点，保证了高频采集通信的效率和在高频采集过程 中的时间同步操作，解决了时间同步操作和丢包问题对同步采集时间信息的影 响，为结构健康监测场域诊断提供了可靠性保障。 1 3 2 文章组织结构和内容 本文工作按内容分为6 章，每章研究的主要内容包括： 第l 章是绪论。首先从宏观上介绍了课题的背景，并对结构健康监测、无线 传感器网络和同步采集三方面做了一个概述，然后介绍了国内外有关无线传感器 6 武汉理+ r ：火学硕十学位论文 网络和时间同步技术的一些研究现状，最后针对研究现状的不足阐述了本文的研 究意义和创新点； 第2 章是系统的硬件平台设计。分为传感器节点部分和无线网关部分。传感 器节点部分从三大硬件模块组成上进行论述；无线网关部分分两种面向不同应用 环境的方案上进行了设计； 第3 章是系统的软件开发。主要是基于系统硬件平台，研究和开发一套了系 统的软件，包括客户端上位机监控软件、无线网关嵌入式系统和无线传感器网络 协议栈，其重点在协议栈方面，为后面研究做铺垫； 第4 章是时间同步协议。从时间同步的意义和方法入手，分析了几种主流类 型的时间同步协议，改进和提出了一种适用于结构健康监测的时间同步协议，具 有高精度和低开销的特点，为同步采集提供基础； 第5 章是同步采集方法。这章也是本文的研究重点和创新点，主要从理论方 面对结构健康监测高频采集中的一些问题展开讨论和研究，并提出一种同步采集 方法，以同步采集始时方案、p i r 时间分离法和时间信息柔性优化模型为特点， 其主要目的是保障采样点时间信息的准确性； 第6 章是总结与展望。总结了本文的主要工作和进展，并针对其中的一些不 足对今后的工作做了一个规划。 7 武汉理j ：大学硕十学位论文 第2 章系统的硬件平台设计 本章主要从硬件平台上研究和设计了面向结构健康监测的无线传感器网络 的系统组成，包括组成无线传感器网络的传感器节点、无线网关及其服务器方案， 并针对这些组成部分的硬件结构作了详细的介绍。 2 1 无线传感器节点设计 无线传感器节点是组成无线传感器网络的基础设备。下面分4 个小节从设计 要求和节点各个硬件组成部分着手，详细介绍了本文所设计的无线传感器节点。 2 1 1 设计要求和节点架构 面向结构健康监测而设计的无线传感器节点，需要同时考虑无线传感器网络 和结构健康监测两方面对传感器节点设计的要求，并合理权衡各种需要考虑到的 因素。 无线传感网络是由部署于监测区域内大量无线传感器节点构成，通过无线通 信方式而形成的一种网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网路覆盖面内 的对象信息，然后发送给监测者。因此，单个网络无线传感器节点的设计，不 能脱离整个网络环境的制约。无线传感器节点是一种微型化的计算机系统，对于 无线传感器网络来说数量庞大，且通常采用电池提供能量，传感器节点的能量耗 尽后就不能进行数据采集功能，将直接影响整个无线传感器网络的健壮性和生命 周期，因此，无线传感器节点是无线传感器网络中的一个重要研究方面。针对具 体应用的不同，节点的设计也不一样，但基本的组成结构还是类似的。如图2 1 所示，无线传感器节点的典型组成包括：传感单元、处理单元、通讯单元和电源 单4 个部分。 8 武汉理：i ：大学硕+ 学位论文 图2 1 典型无线传感器节点组成 作为一个完整的微型计算机系统，传感器节点要求其每个组成单元的性能是 协调和高效的，需要根据实际应用中的要求对其进行权衡和取舍。如图2 2 所 示，表示了构成无线传感器节点的每个组成部分性能要求的依赖关系。 图2 2 无线传感器节点组成部分性能需求的依赖关系 应用背景对传感器的选择、精度和采集频率提出要求，还对无线通信所使用 的协议、频段、传输距离等提出要求；电源技术则对传感器技术和无线通信技术 的能耗起约束作用，同时对处理器本身的功耗作出要求，休眠技术必不可少；传 感器的选择、应用背景要求的采集频率以及无线通信技术的协议对处理器的处理 能力、数据采集速度和精度以及片内资源等提出了具体要求；因此，作为无线传 感器节点的核心部件，处理器的选取受到所有技术要求的制约。 结构健康监测是本文所设计无线传感器节点的主要应用对象，除了考虑上述 无线传感器网络对节点设计的要求之外，还须考虑结构健康监测对节点设计的需 要。 结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以实时在线地监测结构的“健康 9 武汉理j i ：大学硕十学位论文 状态。结构健康监测通过埋入或表面粘贴的各种传感器作为神经系统，感知结构 内部缺陷和损伤。针对这种特点，传感器节点设计除了要满足无线传感器网络所 要求的低功耗、集成度高、处理速度快、资源丰富、成本低等要求外，还必须具 备以下特点： ( 1 ) 结构健康监测往往需要对大型结构进行长期安全的监测，节点的低功耗设计 不仅能降低整个网络的功耗，实现长期稳定地监测，更能降低整个系统的维 护成本，减少在无线传感器网络节点部署完成后大量更换电池所带来的繁琐 任务。 ( 2 ) 节点的无线通信距离必须满足一定的要求，一般单个节点的单跳通信距离至 少有5 0 m ，同时还须支持多跳技术，以满足结构健康监测全域诊断和远程监 测需要。 ( 3 ) 由于结构健康监测实际应用中的监测对象不同，要求节点要有良好的灵活性 来装配各种传感器，以满足结构健康监测的各种不同应用。 ( 4 ) 由于结构健康监测监测对象的特殊性，传感器节点的采集频率必须大于结构 自身振动频率的2 倍才能良好地捕获结构损伤信息，这就要求传感器节点的 设计必须满足高频采集的需要。 针对上述无线传感器网络要求和结构健康监测的特点，本文设计了一种分层 式模块化的传感器节点，其硬件构架如图2 3 所示，主要由三大模块组成：采集 模块、数据处理模块和电源管理模块。结构待监测信号通过采集模块传感器进入， 经放大电路、滤波电路处理，然后用a d 转换芯片将模拟信号转化成数字信号； 完成数据采集后，数据处理模块将这些数据进行压缩和整理后以无线通信的方式 实时发送给无线网关；电源管理模块主要负责锂离子电池的充电和整个系统的供 电，分为充电管理和放电管理。 1 0 武汉理。1 ：大学硕十学位论文 采 集 模 块 图2 3 无线传感器节点硬件构架 2 1 2 传感器节点采集模块 传感器节点采集模块的功能是将传感器采集来的各种模拟信号准确而有效 地传递给数据处理模块。采集模块的基本结构如图2 4 所示，主要包括：传感 器件及其辅助电路、调理电路和a d 采集芯片，其中调理电路由放大电路和滤波 电路组成，而传感器辅助电路是根据传感器件的需求而可选的，例如当采集振动 加速度信号时，加速度芯片需要一些辅助电路调理，而采集应力应变信号时则可 不需要辅助电路。 l a d 采集芯片 i ；滤波电路 ! 调理电路 ：= _ = - = 工_ = _ = - = _ = ： ；放大电路 ! i 一- l l i 传感器件斟 辅助电路 图2 - 4 采集模块基本结构图 1 1 武汉理t 大学硕士学位论文 应力应变信号是结构健康监测中最为重要的信号量，是判断结构损伤状况和 健康指标的基础。本文设计的传感器节点也以采集应变信号量为主。 应变信号属于微弱信号，属于毫伏级，在a d 采集前应对其进行放大。差分 放大器的增益有限，不能满足要求，而采用多级放大涉及阻抗匹配问题，并不是 几级放大倍数的简单相乘，而且容易引入干扰。本设计选用a d 6 2 3 信号放大芯 片，它是一种精密仪表放大器，具有尺寸小，精度高，价格低廉，零漂小( 1 i _ t v o c ) ， 共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差等特点，而且只要一个电阻就可 以设置增益为1 0 0 0 以内任意值。 p o ss t j 9 p l y 7 医gs u p p 毛l y 图2 5 a d 6 2 3 片内结构图 o u t 6 r 乏f 5 实际上，a d 6 2 3 是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器， 其基本电路结构如图2 5 所示。a d 6 2 3 与传统三运放结构仪表放大器( 如a d 6 2 0 ) 的不同之处是在两个输入放大器之前分别加一个p n p 晶体管作为电压缓冲器， 以便向两个输入放大器提供共模信号，并且符合电源限输入运放电路结构的要 求，输出放大器用来将差动电压转换成单端电压，它还对前面两个输入放大器输 出的共模信号起到抑制作用。 而对于滤波电路，本设计选用的是五阶、低通、巴特沃斯滤波芯片m a x 7 4 1 4 ， 它是种开关电容式滤波器，由m o s 电容、开关电容和运算放大器组成，不仅 功耗低( 工作模式只需1 2 m a ，休眠模式0 2 9 a ) ，体积小，在芯片典型电路中 确定了接地电容和积分电容，只需一个电容就可以控制时钟周期，从而设置滤波 截止频率。m a x 7 4 1 4 通频带频率响应特性曲线如图2 - 6 所示： 1 2 武汉理l ：人学硕士学位论文 0 5 o 舶 孽。1 叠 耄1 j 渤 一2 5 3 0 一3 5 i c = l 珏扭 i 1 f l 1 o1 位础娥 o 鞠2 九4 戤69 1 1 8 1 臆 n p t l r tn 匿a 蔗鼢9 图2 - 6m a x 7 4 1 4 频率响应特性曲线图 从上面的7 4 1 4 的通频带频率响应特性曲线图可以看出，m a x 7 4 1 4 的 滤波特性比较接近于理想的低通特性，而且在阻带内振幅衰减速度很快，具有很 好的低通滤波效果，能有效滤除应变信号中的干扰。 a d 采集芯片选用的是2 4 位高精度a d 芯片a d 7 7 1 4 ，a d 7 7 1 4 是适用于完 整模拟前端采集，具有3 组差分模拟输入，也可以配置成5 个准差分模拟输入 以及差分基准输入，还可以对多达5 个通道的系统实现信号调理和转换。如图 2 7 所示，本设计采用准差分模拟输入，经调理电路调理过后的模拟电压v o 与 a d 7 7 1 4 的a i n l 输入端相连。a d 7 7 1 4 以其功能强大、接口方法简单、采集精 度高等优点得到了广泛的应用。它可以方便地与多种微处理器连接和通信，从 a d 7 7 1 4 输出寄存器取出数据或者把数据写入a d 7 7 1 4 的控制寄存器中。a d 7 7 1 4 与微处理器的连接的原理见图2 7 ，图中：a d 7 7 1 4 为外时钟同步模式，d r d y 、 c s 、d i n 、d o u t 、s c l k 都按a d 7 7 1 4 芯片提供的时序，分别对输出寄存器进 行控制操作。 s c l k d i n 1 0 l删1 d o u t 微处理器 d r d y c s r e s e t a d 7 7 1 4 图2 7a d 7 7 1 4 与微处理器连接接口 武汉理 ：人学硕+ 学位论文 2 1 3 传感器节点电源管理模块 无线传感器节点一般使用电池供电。由于电池容量小，为了避免经常更换而 带来的繁琐工作，传感器节点的低功耗设计和方便有效的充电方式是非常关键问 题。 本设计中传感器节点以锂离子电池为电源，利用小型太阳能面板进行充电， 安装方便，不需要更换电池和布线就可以为节点长时间提供电能。本节点的功耗 主要来自4 部分：应变片能耗、调理电路能耗、微处理器工作能耗和射频收发的 能耗。本系统供电方式示意图如图2 8 示： 应变片放大电路滤波电路a d 采样电路 tttt 射雾h 电源控制- h 微处理器h 电源控制2 一彳 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 太阳能h 嘏嚣h 锂离子电池 图2 8 电源管理模块示意图 放 电 管 理 单 元 充电管 理单元 本设计采用的太阳能电池板大小为：1 7 c m x1 2 c m ，工作电压为4 5 v ，短路 电流0 4 a ，固定于塑料底板上，可以弯曲，易于安装。太阳能充电控制电路主 要由c n 3 0 6 3 芯片及其外部电路组成。c n 3 0 6 3 是可以用太阳能电池供电的单节 锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检 测电阻和阻流二极管。内部的8 位模数转换电路，能够根据输入电压源的电流输 出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电 压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供 电的锂电池充电应用。c n 3 0 6 3 只需要极少的外围元器件，并且符合u s b 总线技 术规范，适合于各种应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境 温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为 4 2 v ，也可以通过一个外部的电阻调节，充电电流通过一个外部电阻设置。当输 入电压掉电时，c n 3 0 6 3 自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于 1 4 武汉理t 大学硕七学位论文 3 u a 。其它功能还包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电 状态和充电结束状态指示等功能。锂离子电池采用普通的1 0 4 0 m a h 手机锂电池， 价格低廉，容量大，方便购买。 电源输出的稳定性直接影响放大、滤波和a d 芯片工作的稳定性以及抗干扰 能力，本节点采用l d o 芯片作为电源控制器件，体积小，电路简单，而且没有 纹波输出，有效降低了电源部分对系统的干扰。为了降低节点的系统功耗，硬件 上主要是用微处理器控制应变片和前端调整电路的工作方式和工作时间，电池经 电源控制器件l 来提供稳定电压供给无线通信部分和微处理器的工作，微处理器 i o 口输出高低电平控制着电源控制器件2 ，通过器件2 来管理应变片、放大器， 滤波芯片、a d 芯片的供电。当系统休眠时，电源控制器件2 切断应变片、放大 器、滤波芯片和a d 芯片的电源，采集信号同步停止，以降低节点功耗。系统唤 醒时，接通各单元电源，传感器进行正常的信号采集。 2 1 4 传感器节点数据处理模块 数据处理模块是传感器节点的核心部分，它是整个节点系统的中心枢纽，承 担着设备调度、功能协调、通信协议、数据整理、功耗控制等重要任务，因此数 据处理模块在传感器节点的设计中是至关重要的。 通常，典型的传感器节点数据处理模块由微处理器芯片和射频芯片组合而 成，如图2 1 中c p u 和无线收发器所示，这种组合模式在功耗和功能协调方面 存在一些不足，如果能将两者从功能上整合到一起，能大大降低系统复杂度和功 耗。 经过综合比较，c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 芯片较佳地满足了各个方面的要求 【2 8 】。c c 2 4 3 0 是一款真正意义上的系统芯片( s o c ) c m o s 解决方案，这种解决 方案能够提高性能并满足以i e e e 8 0 2 1 5 4 为基础的2 4 g h zi s m 波段应用对低 成本、低功耗的要求，它结合一个高性能2 4 g h zd s s s ( 直接序列扩频) 射频收发 器核心，一颗工业级小巧高效的8 0 5 1 微处理器，闪存和i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议 于一体，还包含a d 转换器、几个定时器、a e s l 2 8 协同处理器、看门狗定时器、 3 2k h z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及2 1 个可编 程i o 引脚，所有功能都集成到一个易用并有效的一颗芯片上，芯片采用0 1 8 i imc m o s 工艺生产，工作时的电流损耗为2 7m a ；在接收和发射模式下，电 流损耗分别低于2 7m a 或2 5m a 。它的休眠模式和转换到主动模式的超短时间 的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。c c 2 4 3 0 的内部模块组成如 图2 9 所示i 1 5 武汉理工人学硕十学位论文 图2 - 9 c c 2 4 3 0 内部模块组成 其主要特点如下： 高性能但低功耗的8 0 5 1 微控制器内核： 集成符合i e e e8 0 21 5 4 标准的2 4g h z 的r f 无线电收发器( 业界领先的 c c 2 4 2 0 无线电内核) ： 极高的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性； 3 2 、6 4 或者1 2 8 1 0 3 的系统内可编程闲存； 8 k bs r a m ( 4 k b 具有供电数据保存功能) ； 在休眠模式时仅09 u a 的流耗，外部的中断或r t c 使能唤醒系统： 在待机模式时小于06 u a 的流耗，外部的中断能唤醒系统： 硬件支持c s m a c a 功能； 较宽的电压范围( 2 0 36 v ) ； 武汉理l 大学硕+ 学位论文 数字化的r s s i l q l 支持和强大的d m a 功能； 具有电池监测和温度感测功能； 具有8 路输入8 1 4 位a d c ； 高级加密标准( a e s ) 协处理器； 带有2 个强大的支持几组协议的u s a l 玎； 1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的媒体存取控制( m a c ) 计时器，1 个通用的 1 6 位计时器和2 个8 位计时器； 2 1 个通用i o 口，其中2 个具有2 0 m a 的电流吸收或电流供给能力； 支持硬件调试； 提供强大、灵活的开发工具； 小尺寸q l p 4 8 封装，7 r a m 7 m m 。 其典型应用电路如图2 1 0 所示： 图2 1 0c c 2 4 3 0 典型应用电路 集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的 需要，芯片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭 配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。 简而言之，c c 2 4 3 0 具有外形尺寸小、集成度高、功耗低( 支持各种级别的 休眠模式) 、处理速度快等优点，是目前无线传感器网络节点设计和开发的首选 芯片，也满足结构健康监测的各种要求，能为其提供可靠的服务。 本设计的传感器节点的数据处理模块与其他模块相对独立，采用分层式的模 1 7 矿 矿 矿 矿 矿 矿 矿 矿 矿 矿 武汉理j 学硕士学惶论文 式，其优点如下： ( 1 ) 节点应用灵活性。数据处理模块与其他模块独立设计，从功能上将系 统软件和硬件分开操作。使得节点功能灵活多变，可根据不同的应用装配不同的 数据处理模块，运行不同的程序，而不用频繁烧写代码，调试也园此更为方便； ( 2 ) 减少电路相对干扰。传感器节点的采集模块和电源模块主要是模拟信 号，数据处理模块则是数字信号。模块的独立分层设计，可以使模拟和数字这两 种性质不同的信号电路之间的干扰在节点内降到最低； ( 3 ) 调试方便。当节点出现故障后，可以各个模块进行调试检查，如果某 个模块损坏了，只需更换该损坏模块便可减少了节点的维护成本； ( 4 ) 降低维护成本。当应用对象发生变化，或者节点系统需要升级修改时， 模块独立分层设计的优点突出变现出来，这在一定程度上大大降低了节点长期应 用的维护成本； ( 5 ) 优化外形尺寸。分层的设计使得节点电路板可利用面积更大，元器件 更加紧凑，减小了节点外形尺寸，利于安装。 本设计的教据处理模块p c b 图如图2 1 1 所示： 图2 - 1 1 数据处理模块p c b 图 整个数据处理模块尺寸仅为2 8 x 2 7 m m ，作为一个集微处理器、射频模块和 通信协议与一体的模块，系统集成度较高。其有效射频无线通信距离约为1 0 0 m 。 2 2 无线网关设计 无线传感器网络嘲关，又称为会点、主节点或协调器，是无线传感器网络中 重要的组成部分，承担着无线传感器网络的组厨、建网、节点信息融合、节点管 武汉理1 ：大学硕士学位论文 理和调配、数据处理和通信协议转换等重要任务，有时还具有网络服务器或w e b 服务器的身份。下面分2 个小节，从硬件上研究和设计了2 种面向不同应用、具 备不同功能的和工作方式的无线网关：小型u s b 无线网关和嵌入式以太网无线 网关。 2 2 1 小型u s b 无线网关 小型u s b 无线网关主要应用对象是结构健康监测的现场监控方案，主要应 用于需要现场人工职守的场所或者小型结构健康监测领域( 如：工厂的大型