（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络的结构健康监测系统远程工作站设计.pdf

摘要 摘要 诸如桥梁、隧道等大型工程结构在国民经济中具有举足轻重的地位。然 而，环境侵蚀等灾害因素的耦合作用将导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而 引发灾难性的事故。对大型工程结构健康状况进行监测，可在结构运蓿状况异 常时发出预警，为结构的维护和设计提供依据和指导，为经济发展作撼贡献。 无线传感器网络的产生顺应了大型工程健康监测网络化、信息化、智能化 的发展趋势。本文结合无线传感器耀络的特点，设计了基于无线传感器网络觞 结构健康监测系统整体架构，提出了一种结合层次拓扑结构的无线传感器网 络、有线i n t e m e t 网络以及无线c d m a i x 网络的组网方案，加强了系统的可靠 性和安全性，扩展了系统的应用范围。 本文重点研究了系统远程工作站的设汁与开发。综合利用面向对象编程技 术、多线程技术、网络通信技术和数据库技术，通过灵活的危险报警方式实现 了第一层次的结构健康评估诊断；针对通过无线传感器节点管理网络拓扑结构 的局限性，提毒在远程工作站实现阙络拓扑管理的解决方案，设计了无线传感 器网络分布图，实现了对网络的整体情况的清晰、直观的描述，为整个网络的 监测、调度和改善提供了非常好的基础；实现了在线实时数据显示和历史数据 查询等功能。远程工作站的设计着眼于关键功能和技术的研究与实现，具有模 块化、可移植性强、易于扩展和再开发等特点，为基于无线传感器网络的结构 健康监测系统的进步研究提供了参考。， 关键词：无线传感器网络结构健康监溅工作站拓扑管理可移植性 摘要 一_ 一m - _ m _ w _ w _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t l a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o np r o j e c t sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nn a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r d i s a s t e rf a c t o r ss u c ha se n v i r o n m e n t a le r o s i o n sc a nl c a d t od a m a g e a c c u m u l a t i o na n dr e s i s t a n c ea r e n u m i o n s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mc a n s e n do u ta l la l a r mw h e nt h ec o n s t r u c t i o ni sa b n o r m a l ，t h i sf u n c t i o nc a ns u p p l yb a s i s a n dg u i d ef o rc o n s t r u c t i o nm a i n t e n a n c e ，w h i c h i sap r o m o t i o no fe c o n o m i c d e v e l o p m e n t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m p l i e sw i t ht h et r e n do ft h e s t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g ：n e t w o r k i n g ，i n f o r m a t i o n i z a t i o n ，a n di n t e l l e c t u a l i z i n g t h i sp a p e rd e s i g n s as t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mf r a m e w o r kb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， a n db r i n g sf o r w a r dan e t w o r ks c h e m ew i t ht h eo v e r a l l c o n s i d e r a t i o no fl e v e l - t o p o l o g y ，i n t e m e ta n dw i r e l e s sc d m a 1x 。t h i sn e t w o r ks c h e m ee n h a n c e ss y s t e m s r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y ，w h i c ha l s oe n l a r g e st h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fl o n g 。d i s t a n c ew o r ks t a t i o n t h ed e v e l o p m e n tr e a l i z e st h ef i r s t - l a y e rc o n s t r u c t i o n h e a l t ha s s e s s m e n tw i t ht h e m u l t i p l eu t i l i z a t i o no fo o p ，m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a n d d a t a b a s e 。an e t w o r kt o p o l o g ym a n a g e m e n ts c h e m e i sa l s oi n t r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e st h ed i s t r i b u t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i sm a n a g e m e n ts c h e m eh a s t h ef i m c t i o no fr e a l t i m ed a t ad i s p l a ya n de x i s t i n gd a t ai n q u i r i n ga n ds u p p l i e sac l e a r d e s c r i p t i o na n ds e r v e sa st h eb a s i so f n e t w o r km o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n di m p r o v i n g t h ed e s i g no fl o n g d i s t a n c ew o r ks t a t i o nf o c u s e so nm o d u l a r i z a t i o n ，e x p a n s i b i l i t y ， p o r t a b i l i t yw h i c hc a nb er e g a r d e d a st h er e f e r e n c eo ff u r t h e rr e s e a r c ho fh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w s n ，s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，n e t w o r kt o p o l o g ym a n a g e m e n t ， p o r t a b i l i t y i l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：玉萄。欠 汕。譬畸哦b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 秘密1 0 年( 最长 机密2 0 年( 最长 1 年0 ；- 等嘉；年1 0 年， 年，可少于 年) ! 置i 三鉴竺 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月目 第一章萼 言 第一章引言 第一节研究背景 l 。l - l 课题来源 本论文的研究工作基于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ，多维多参 量光纤光栅无线传感器网络技术研究( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) ，与天津 市科技支撑计划重点项露，基于s o p c 的低功耗无线传感器网络节点设计及组 网应用研究( 项目编号：0 8 z c k f g x 0 0 5 0 0 ) 。 1 1 2 本文研究目的与意义 随着社会进步和技术的发展，诸如跨江跨海的超大桥梁、代表现代城市的 超高层建筑、开发江河能源的大型水利工程，用于海洋油气赘源开发的大型海 洋平台结构以及长距离输油管线、核电站、地铁和轻轨等越来越多的现代大型 工程结构得以修建，给人们的生活带来了无限的便利。 这些工程结构的使用期一般可达几十年、甚至上百年，在它们的使用期 闻，毒于环境侵蚀、材料老化积蘅载的长麓效应、疲劳效应与突变效应等灾害 因素的耦合作用，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，使他 们抵抗鲁然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，从恧引发灾难性的突发事 故。如1 9 4 0 年加拿大魁北克州塔科马桥垮塌事件；1 9 8 6 年渤海石油钻井2 号 平台冬天被海水推倒；1 9 9 4 年韩国汉城的圣水大桥断塌；1 9 9 4 年1 月1 7 日美 国加髑n o r t h r i d g e 大地震瓣j 、1 9 9 5 年日本神户( k o b e ) 以及1 9 9 9 年我雷台湾省 台中大地震【2 】所导致的大量建筑物倒塌；19 9 9 年重庆彩虹大桥倒塌；19 9 9 年日 本发生核泄露；2 0 0 1 翌嚣p 3 6 海洋平台矮炸镶塌：2 0 0 4 年印度特里承毫站施 工地点附近隧道坍塌等等。这些事故不仅造成了重大人员伤亡和经济损失，也 产生了极坏的社会影确。定裳监测些大型工程结构在长期运转下和不利葡载作 用下的安全性以及在重大自然灾害( 比如地震) 发生后立即评估结构的安全状 况已经成为现代社会公众和政府关心的重要事情。 对予我国来说，近年来随着经济建设的发展和国家整体实力的增强，我国 城市现代化进程加速。城市轨道交通发展、西部大开发战略实施、“三峡工 第一章引言 程”、“西气东输 、“南水北调 、“青藏铁路、“五纵七横 国家公路 网等工程项目的实施，使我国在未来几十年内将有许多空间跨度大、工程结构 复杂的重大工程项目陆续兴建。为了保障这些大型工程结构安全持久地为社会 服务，在总结以往经验和教训、以及借鉴国外先进技术的基础上，为己经投入 运行的和正在建设的大型工程项目设计健康监测系统，来科学、有效地预报工 程结构的健康状况，对于我国的社会主义建设具有重要的意义。 第二节结构健康监测系统 1 2 1 结构健康监测系统概念 结构的健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 指利用现场的 无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损 伤或退化的目的l j j 。 结构健康监测的过程包括：通过设置在工程结构关键部位的传感器元件， 实时、在线地量测结构在运营过程中的各种反应，并将这些数据传输给中心控 制系统，按照事先确定的评估方法与反应限值，实时地评估结构的健康状况， 必要时提出相应的处理措施，并在极端情况下给出警示信号。 结构健康监测技术与传统的无损检测技术( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，简 称n d e ) 不同。通常n d e 技术运用直接测量确定结构的物理状态，无需历史 记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度，而s h m 技术 是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此 历史数据至关重要【4 1 。可以说，结构的健康监测技术是要发展一种最小人工参 与的结构实时、连续监测，检查与损伤探测的自动化系统，能够通过网络或远 程中心，自动、连续、实时地报告结构状态。 综上所述，结构健康监测系统主要对结构在正常环境下运营的物理与力学 状态和附属设施的工作状态、结构构件耐久性和工程结构所处环境条件等进行 监测。根据监测信息，对结构状态进行评估，为大型结构在特殊气候或运营状 况严重异常时发出预警信号，为结构的维护、维修与管理决策提供依据和指 导，从而为人民的生命财产安全、国家的经济、军事等方面做出贡献。结构健 康监测已成为现代工程界研究的一个热点和难点，在该领域开展研究工作，不 2 第一章孳| 言 仅可以推动学科发展，而目可以创造出巨大的社会价值和难以想象的经济效 益。 l 。2 2 结构健康监测系统的组成 结构健康监测系统应该具有如下几方面能力： ( 1 ) 系统能够进行远程实时监测，可实时地将采集的监测数据和处理结 果显示给远程用户，从而使用户能够及时7 解和评估对象的健康状况： ( 2 ) 系统能够保存历史数据。在上一节中，我们已经介绍了s h m 技术是 根据结构在同一位萋上不同时闯的测量结聚的变化来识别结构妨状态的，焉另 一方面，我们在监测过程中得出的一些分析结论可以提高人们对于大型复杂工 程设计翔题的认识能力，为以后的设计和建造提供依据，因此对于监测数据和 一些分析结论的保存至关重要。 ( 3 ) 系统具有预警等评估功能，能够根据数据处理的结果，在突发情况 到来之前提出预警，使入们能够有所准备，从而保证对于灾难性问题能够给出 及时和有效的反应。 ( 4 ) 系统的各个部分具有协同工作的熊力。 基于以上的分析，现代工程结构监测系统一般应包括；传感系统、数据采 集和处壤系统、信号传输与远程通信系统、数据管理系统以及远程监控中心几 个部分，可实现结构健康实时诊断、安全预警等功麓。 结构健康监测系统组成： ( 1 ) 传感器系统。主要通过传感器将待测的物理量转变为电信号。 ( 2 ) 数据采集和信号处理系统。采集传感系统的数据并进行初步信息融 合处理。 ( 3 ) 信号传输与远程通信系统。该系统将采集并处理过到的数据通过合 理的传输方式传输到远程的数据管理系统和监控中心，并接收来邕监控中 心的查询和控制信息。 ( 4 ) 数据管理系统。对系统的设置参数等静态数据和系统监测的动态数 据进行存储和管理，以支持对数据的分析和查询。 ( 5 ) 监控中心。对监测数据进行分析，在发现结构异常时发出报警信 息，并根据数据分析结果判断损伤的发生、位鬣、程度，对结构健康状况 做出评估，为管理部门的决策提供依据。 3 第一章孳| 言 图1 。l 是典型的工程结构健康监测系统 图1 1 典型的工程结构健康监测系统 第三节国内外研究现状 1 3 1 结构健康监测领域研究现状 结构健康监测通过对结构状态的监测与评估，可在结构运营状况发生晃常 时触发预警信号，为分析评估结构使用寿命、对结构的养护、维修与管理做出 决策、验证结构设计理论，改进结构设计方法和相应的规范标准提供科学的依 据瓯 结构健康监测的概念一经提出即成为各国研究的热点。从2 0 世纪8 0 年代 超，结构健康羹螽测系统开始实际应用于离层建筑物、大坝以及大型桥梁等工程 结构的健康监测。如，英国在总长5 2 2 m 的f o y l e 桥上布设传感器，监测桥梁运 营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、应变和扰度等响应，同时监测环境 风和结构温度场。美国在威斯康辛一座具有6 5 年历史的m i c h i g a ns t r e e tb r i d g e 桥上，安装了世界上第一套全桥远程监测系统，监测即将达到设计寿命的该桥 梁裂缝扩展情况和其它桥梁状态的变化 6 1 。加拿大在全长1 2 9 k m 、建于海上的 c o n f e d e r a t i o n 桥上实施的套综合监测系统，对桥梁在冰荷载作用下的性能、 长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、萄载组合、风和地震荷载 擘用下的动 力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究。我国南京长江大桥上也安装了健康监测 系统，主要进行温度、风向、荷载几何线形、结构振动、支座位移等方面的监 测【7 l 。美国m c e l e b i 等人对于1 9 8 2 年在旧金山建成的一栋2 4 层钢框架结构进 行了长期地震监测。他们采用的地震监测系统有效地获得了结构在周围振动下 的加遽度和侧移，为业主提供了结构抗震性能方面的资料【引。 4 第一章弓l 言 随着社会的进步和经济、技术的发展，人们不断地改进着结构健康监测系 统，并按照系统的组成逐渐分化出许多的研究领域，在每个领域形成了以相赢 核心技术为中心的研究热点。 现代结构健康监测系统研究热点： ( 1 ) 传感器系统 根据监测量的需要，开发满足稳定性与耐久性、可埋设或附着、大规模分 布式的传感元件以及传感器布设的优化算法设计是这部分的核心内容。 在传感器技术方面，目前发展起来的智能感知材料与传感元件主要有光导 纤维、电阻应变丝、疲势寿命丝( 铂) 、压电材料、碳纤维、半导体材料和形 状记忆合金。用这些感知材料和传感元件可以制作大规模表面附着式或埋入式 传感分布阵列，从丽使结构的重要构件或整体具有感知特性，以便实现结构的 实时监测与安全预警的功能。在上述各种智能感知材料中，光纤是用于长期监 测的理想传感元件，虽然它所需的外部设备最为复杂且昂贵，但它以其可靠性 好、抗干扰能力强、传感器结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干 扰、抗腐蚀、电绝缘、不受潮湿环境的影响、复用性强和使用寿命长等独特的 优点在工程结构应用中倍受重视。 而豳于工程结构的设计和经济制约等方面的原因，结构健康监测布设的传 感器数量总是有限的，因而就出现了传感器的优化布设问题。通过尽可能少的 传感器来获取最可靠而最全面的健康状况信息，就是优化布设的目的。在这方 面国蠹外已经有许多学者进行了大量的研究，提出了各种传感器优化布置的数 学模型。如模态动能法( m k e ) 1 9 、有效独立法( e i ) 1 1 0 、模型缩减法、奇异 值分鳃法和遗传优化法l 】等。 ( 2 ) 数据采集和处理系统 数据采集的主要虑容是各种智能传感元件的信号转换接口和采集软件的开 发。信号处理2 l 利用高阶谱分析、时频分析、小波分析、神经网络等现代信号 处理方法对传感器传输来的信息进行智能处理，通过信息融合理论表征结构监 测特征信息，减少测量嗓声和数据不完整性的影响，获得更精确的监测结果。 信息融合技术可对监测信号的特征进行提取、分离与压缩，以其强大的时空覆 盖能力和对多源不确定性信息的综合处理麓力，越来越成为信息智能处理领域 的强有力工具f h l ，是实现结构实时健康诊断的重要手段1 3 】。 ( 3 ) 信号传输与远程通信系统 5 第一章引言 该系统将采集并处理过的数据通过合理的传输方式传输到监控中心。结构 健康监测的信号传输与远程通信系统分为两个部分：限于监测现场内的传感器 节点间近程通信和与监控中心的远程通信。无线传感器网络与互联网先进通讯 技术的发展为重大工程结构健康监测信号的传输提供了有效的手段。 传统的监测系统内的传感器设备都采用有线方式传输信号，步线繁琐，监 测方法耗时、费力，安装成本及维护成本高。在结构工程监测系统中采用无线 传感器网络负责数据采集和数据传输，可以使这些缺点得到改进。无线传感器 网络在工程健康监测中的应用顺应了大型工程健康监测领域网络化、信息化、 智能化方向发展的趋势。 基于无线传感器网络的结构工程监测系统有如下的优点： 1 ) 无需大量的数据线并避免了数据的长距离传输带来的数据精度的损 失； 2 ) 传感器节点是自主的、自治的，其无中心、多跳和动态拓扑结构自组 织的特点，使得无线传感器网络便于安装、维护成本低、通过简单的配置可以 实现自动化、智能组网，便于工程监测中的监测传感器的部署； 3 ) 并提高系统的稳定性、抗击毁的能力和自修复功能； 4 ) 基于无线传感器网络数据融合技术，可大大减少传输数据量，避免了 数据传输“瓶颈”问题。 随着全球信息化进程的迅猛推进，基于i n t e m e t 网络的远程( 全球范围) 监测和远程故障诊蝌1 5 】的研究和应用也受到了关注。网络技术的应用越来越广 泛，对桥梁或大坝等结构的健康监测同样也可以通过网络进行远程监控，人们 可以通过网络来查询他们所关心的桥梁或大坝的状况数据【l d 培】，这使得偏远或 恶劣环境下的结构的健康监测成为可能。 结构健康监测的信号传输与远程通信系统是本文的研究重点之一。 ( 4 ) 数据管理系统 数据管理方面，可以使用合适的数据库管理系统、商业软件对原始采集数 据和分析结果建立日志和索引。 ( 5 ) 监控中心 监控中心可对接收到的数据进行分析，使用形象的图形界面显示和报告数 据，甚至可以设计合适的二维和三维的动画来描述实时和非实时的数据；并根 6 第一章雩l 言 据数据分析的结果，判断损伤的发生、位置、程度，在发生异常时报警，从而 对结梭德糜状况做出评估。 结构健康评估诊断可以划分为四个层次：层次，诊断结构存在危险，进 行损伤预警；屡次二，对具体的损伤位置进行损伤识别和几何定位；层次三， 对结构损伤情况进行量化分析，评估损伤程度；层次四，评估预测结构剩余使 用寿命，给出维修和养护决策。 1 3 2 无线传感器网络在结构健康监测领域的研究现状 无线传感器网络是秃线a dh o e 嬲络的个磅究分支。无线传感器鼷络逶鬻 通过人工埋置或火箭发射等方式发送传感器到目标区域，通过自组织方式迅速 组成网络，可以运行在人无法接近的恶劣甚至危险的环境中，实现对目标环境 的及时监测。它综合了传感器技术、遥测遥控技术、嵌入式计算技术、分布式 信息处理技术和无线通信技术，并且充分利用了a dh o e 网络动态自组、多跳 的特点，在网络制造、远程盗测、仓储管理、环境髓测、医疗监护、城市交逶 管理、军事侦察等领域有着广阔的应用前景。 1 9 9 6 年，美国学者s t r a s e r ，k i r e m i d j i a n 提出运用无线技术替代结构监测有 线系统的思想，并研制了一套实时的损伤识别结构健康监测系统，开辟了无线 传感器在结构健康监测领域中的应用磷究。以这些学者的工作为基础， j p l y n c h 等运用标准的集成电路开发了一个无线传感器的模型，整个传感器节 点包括个八位微处理器，检测单元采用微加速度芯片构成，并且所集成的无 线传感器在实验室中得到了验证f 1 9 - 2 3 ，为工程应用奠定了基础。j p 。l y n c h t 2 4 l 的 博士论文研究了土木结构智能无线监测和控制策略。j p l y n c h 博士毕业后又做 了大量的关子无线传输系统研究和改进工作，主要集中在无线传输麴功耗、系 统性能、识别算法及自激励传感器方面【2 5 _ 3 3 】。j p l y n c h 和k h l a w 等人提出了 一种针对大型工程结构健康状态监测的无线模块监测系统【3 4 】( w i r e l e s sm o d u l a r m o n i t o r i n gs y s t e m s ，w i m m s ) ，他们设计和开发了组成该系统的无线传感器， 并利用传感器的智能处理能力，在节点中嵌入了简单的信号处理算法，对节点 的处理能力进行了增强。在一系列的实验研究基础上，他们迸一步将无线传感 器网络节点安最在位于美国新墨西哥横跨a l a m o s a 峡谷的大桥上。这些节点可 以用于确定大轿从一边到另一边的摆动距离，在强风中测量精度可以精确到凡 英尺。当节点检测出移动距离后，它将把该信息通过无线网络传递出去。信息 7 第一章引言 最终到达一台具有较强数据处理能力的计算机进行数据综合处理分析。任何与 当前天气情况不相吻合的异常读数都可能预示着大桥存在隐患，工程师将根据 这一信息对其进行修缮，以确保桥梁在遭受地震或其它自然灾害时仍然保持完 好无损。 m a s e r 等在1 9 9 7 年设计了监测桥梁环境和性能的桥梁无线估测系统【3 5 】 ( w g b e m s w i r e l e s sg l o b a lb r i d g ee v a l u a t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ) ，这个 系统中传感器节点由电池单元、微处理单元、小型的异频雷达收发机、感应单 元组成，系统所包含的一个区域控制器放置在桥岸边，其他传感器节点放置在 桥梁上，传感器节点可以进行数据采集、滤波、识别、量化等。 m i t c h e l l 等于1 9 9 9 年开发了结构智能监测无线采集系统【3 6 。3 7 1 ，他开发的系 统利用一个多路复用变换器来采集各路传感单元数据，并将这些数据借助无线 通道发射出去。该通信通道工作在9 0 0 m h z 频段，速率达5 0 k b p s 。在此基础上 m i t c h e l l 还进行了向i n t e r n e t 网络方面的扩展。 国内的一些科研单位和大学，如哈尔滨工业大学、清华大学、航天部、中 科院等也己经开展了用于结构健康监测的无线传感器网络研究方面的工作。但 是目前国内一些研究机构主要是购买国外一些无线产品，进行二次开发，来建 立相应的无线传感系统，并且面目前开发的产品通用性不强，仅适合某工程应 用。因此，针对无线传感器网络特点，开发一个具有良好的通用性和高可移植 性的系统，具有着非常广阔的应用前景。 第四节本文主要研究内容 针对结构健康监测领域的国内外研究热点和研究现状，通信与嵌入式系统 实验室和南开大学光学所合作，设计了基于多维多参量光纤光栅传感器和无线 传感网络技术的结构健康监测系统。 南开大学光学所是国内最早从事光纤光栅的研究单位之一。近年来，该中 心在光纤通信、光纤传感理论、光纤光栅的写入、敏化、封装以及光纤光栅光 子器件的设计与研制方面，积累了丰富的经验，获得了诸多居国内领先、国际 先进水平的研究成果及关键技术。他们新设计研究的多维多参量的光纤光栅无 线传感器具有更高的灵敏度和更小的体积，在结构健康监测中有着良好的应用 前景。在整个结构健康监测系统中，基于光纤光栅的多维多参量传感探头的设 8 第一章芍| 言 计、适用于无线传感网络的小型化光纤光栅波长解调技术研究、光纤光栅传感 波长解调等针对传感器系统的研究由南开大学光学所完成。 通信与嵌入式系统实验室则重点研究了无线传感器网络在结构健康监测系 统中的应用，对无线传感器网络的关键技术进行了深入地研究著提感? 一些新 的想法。本人在该研发背景下，参与了系统的整体架构设计，对监测系统的组 网方案进行了深入研究，并主要负责相应的数据管理系统和监控中心的设计与 开发，针对无线传感器网络的特点在现有的研究基础上给如了一些新的解决方 案，加强了系统的安全性，扩大了系统的应用范围，为各种不同的工程结构健 康监测系统的设计提供了理论分析的基础。 全文共分为5 章，其结构如下： 第章为零 言，介缨了结构健康监测系统静概念、组成莘嚣国内岁 研究现 状，以及论文的研究背景、主要研究工作和内容组织。 第二章分绍了无线传感器网络的概念、体系结构和关键技术，提出了一种 基于无线传感器网络的结构健康监测系统，对系统的各个组成部分进行了分析 和设计。重点研究了信号传输和远程通信系统的设计，确定了无线传感器网络 的拓扑结构，并提出了一种以有线i n t e m e t 为主、以通过无线c d m a l x 网络接 入i n t e m e t 为辅的远程通信解决方案，在保障了系统的可靠性和安全性的同 时，扩震了系统盼应用范隧。 第三章给出了包含数据管理系统和监控中心的工作站的具体设计方案。主 要工作包括系统模式选取、数据库系统设计和实现以及监控巾心软件功能分析 和模块设计。重点研究了无线传感器网络关键技术网络拓扑结构管理，提 出了无线传感器网络分布图的设计思想，在实现拓扑结构管理的同时还可通过 分布图进行结构健康危机报警，实现第一层次的结构健康评估诊断。 第四章研究了监控中心软件各个模块的具体设计，基于n e t 平台，综合利 用面向对象编程技术、多线程技术、网络通信技术开发了具有良好可移植性霸 可扩展性的健康监测系统软件。软件着重实现了通用性功能，具有模块化、高 可扩展往帮高可移植性的特点，为未来实际应用提供了良好麴基础。 第五章为全文工作的总结，并对以后的工作进行了展望。 9 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统研究 第一节无线传感器网络 2 1 1 概述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由部署在监测区域内 大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网 络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说 i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线 传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人 类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极 大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力【3 8 。9 1 。 2 1 2 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点 ( s i n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o r f i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿 着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处 理，经过多跳路由传送到监测区域内或附近的汇聚节点，最后通过互联网或卫 星等传输方式到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和 管理，发布监测任务以及收集监测数据。 图2 i 给出了无线传感器网络的典型网络体系结构f 4 0 1 。 1 0 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 图2 1 典型的无线传感器网络体系结构 区域 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通 信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感 器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和 数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同 时与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理缝力、存储麓力和通信能力相对眈较强，它连接无线传感 器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管 理节点的监测饪务，著把收集麓数据转发到夕 部网络上。 管理节点位于整个系统的最高层，通常是运行监控软件的微机，通过以太 网等通信线路与汇聚节点互相逶信。负责监测的工作人员通过监控软件向无线 传感器网络发送监控命令，接收传感数据信息。监控软件通常具备数据处理、 分析和存储的能力，将来囱无线传感器网络的大量感知数据，以直观的方式呈 现给工作人员。 2 1 3 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究 领域，有非常多的关键技术有待深入研究 4 1 - 4 2 1 。 ( 1 ) 网络协议 第二章基于无线传感器网络的结构健康靛测系统设计 无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网 络，蠢蓠研究豹重点是网络层路由协议和数据链路层协议。由于无线传感器网 络节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，其上运 行的网络协议不能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不 断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。 ( 2 ) 网络安全 w s n 在很多情况下都需要保证其任务执行的机密性和数据传输的安全性。 它需要套有效的安全机制，包括物理层的高效加密算法、数据链路层抗d o s 攻击豹安全m a c 协议、网络层的安全路由协议及应用层的密钥管理和安全组 播方案等。 ( 3 ) 时闻阎步 时钟同步是实现传感器网络系统协同工作的一个关键机制。在分布式系统 中，不同的节点都有自己的本地时钟。由予不同节点的晶体振荡器频率存在偏 差，以及温度变化和电磁波干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同 步，它们的时间也会逐渐出现偏差。j e r e m ye l s o n 和k a yr o m e r 在2 0 0 2 年8 月 的h o t n e t s 1 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的 研究课题，在无线传感器网络研究领域引起了关注。 ( 4 定位技术 确定事件发生的位鬣或采集数据的节点位置是无线传感器网络很重要的功 能。全球定位系统( g p s ) 己经在很多领域中应用，但它成本高，且对使用环 境有一定限制，w s n 需要更加合适的定位技术。 ( 5 ) 数据融合 所谓数据融合( d a t aa g g r e g a t i o n ) ，是对大量节点感知获取的、随机的、 不确定的、不完整的、含有噪声甚至是错误的数据或信息进行滤波等信息处 理，计算出可靠的、精确的完整信息的处理过程。数据融合技术是w s n 减少 数据冗余，提高通信效率和能量效率的一种有效方式。 ( 6 ) 网络拓扑管理 拓扑管理也称为拓扑控制【4 3 州l ，对于无线的自组织的传感器网络而言，网 络拓羚管理具有特别重要的意义。通过拓扑控制生成的良好的网络拓扑结构， 能够提高路由协议和m a c 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位 等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。无线传感 1 2 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 器网络拓扑管理是无线传感器网络研究的最重要的核心技术之一。本文对网络 拓扑管理的实现进行了深入研究。 第二节基于无线传感器网络的结构健康监测系统方案设计 2 。2 i 传感器选择 实际的结构健康监测中，监测项目种类繁多，相应采用的传感器也有很多 的种类。 作为光学研究领域的种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技 术的研究应用近年来受到普遍关注。光纤光栅具有许多独特的优点，例如：抗 干扰性( 如电磁场、湿度、化学腐蚀等) 强、寿命长、复用性好( 如波分复用 与时分复用) 等。其在航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结 构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等都有广泛的应用。 我们来看一下光纤光栅传感器的传感器特性。 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光穰中传输时，满足b r a g g 条件的 光被反射，如图2 2 所示。而光纤b r a g g 光栅的反射或透射波长光谱主要取决 于光栅周期八和反向耦合模的有效折射率n 。加任何使这两个参量发生改变的 物理过程都将弓| 起光栅b r a g g 波长的漂移。 i n p u ts p e c t r u a l t r a n s m i t t e d s p e c t r u m r e f l e c t e ds p e c t r u m 反射光谱 x x太 图2 2 光纤b r a g g 光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或 其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纡芯折射率的变化，从而产 生光栅b r a g g 信号的波长位移天，通过检测b r a g g 波长的位移情况，即可获 得待测物理量的变化情况。当宽带光源照射光纤时，由于光栅的作用，在 1 3 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 b r a g g 波长处的一个窄带光谱部分将会被反射回来。反射信号的带宽和几个参 数有关，特别是与光栅长度有关，在多参数传感器应用中，典型的光栅反射带 宽是0 0 5 0 5 r i m 。式( 2 1 ) 中八为光栅周期，n 。f f 为有效折射率，八和n 。仃受 到外界环境的影响( 温度、应力、压力) 而发生变化a n 。f f 和八，导致符合 b r a g g 条件的波长发生移位a 入，由b r a g g 条件可得： a 入= 2 n e t r a + 2 n e 松八 ( 2 - 1 ) 该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。 无论是温度，还是应变的变化都会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化， 从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透 射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变信息。 在结构健康整体的监测和评估中，应变和温度监测具有重要的意义： ( 1 ) 应变监测 工程结构损坏的主要原因是结构局部开裂和失稳，应力是最直接的有关因 素，结构关键位置的应力是结构安全的重要标志，因此应力监测对结构安全性 及健康状况的把握至关重要。但是一般无法直接测量得到应力，只能通过应变 测试来反映结构在荷载作用下构件的局部受力状况 4 5 】。 ( 2 ) 温度监测： 无论对于长期健康监测还是短期监测，结构所处的环境温度和结构本身温 度场的测量都具有十分重要意义，主要表现在两个方面： 1 ) 某些监测过程或传感器本身的测量精度受到气温的影响，通过对环境 温度的监测可以设法消除温度变化对这些监测过程或传感器的影响。 2 ) 通过对温度场的监测，结合其他监测项目，可以了解工程结构在某种 温度场下的行为，如结构变形、内力变化等。 综上所述，光学所集中力量研发了多维多参量光纤光栅应变传感器和多维 多参量光纤光栅温度传感器，以对温度和应力的监测作示范性研究，由于所设 计的系统具有良好的可扩展性，在应用于具体工程结构的监测时，可依据具体 情况，以类似方式加入对振动、位移等其他属性的监测即可。 1 4 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 2 2 2 无线传感器网络拓扑设计 无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术，有多 种分类方式。如果按照逻辑结构来看，无线传感器网络通常可分为平面网络拓 矜结构和层次网络拓扑结构 4 1 , 4 6 。 平面网络结构是一种简单的拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一 致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的m a c 、路露、管理和安全等 协议。这种网络拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性。由于没有中心管 理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂，且缺乏对通 信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。典型的平面结构生成与 控制算法有a s c e n t 、s p a n 、s t e m l 4 i ，4 6 】等。 圈2 3 给出了平面拓扑结构示意。 图2 3 平面拓扑结构图 层次网络结构是无线传感器网络平面网络结构的扩展拓扑结构，网络分为 上层和下层两个部分：上层为具有汇聚功能的骨干节点，下层为一般传感器节 点。通常网络可能存在一个或多个骨干节点，骨干带点和一般传感器节点之阈 采用的是分级网络结构，骨干节点之间采用的是平面网络结构。不同层次的节 点的作糟不同，般传感器节点仅执行数据采集任务，丽离能量的骨干节点还 可进行数据的处理和传输。这种分级网络通常以簇的形式存在【4 7 螂】，按功能分 为簇酋( 具有汇聚功能的骨于节点) 和成员节点( 一般传感器节点) 。 分簇是节省能量的有效方案，可以在分簇的同时结合多种方式节省能量。 分簇机制具有以下几个优点： 第二章基于无线传感器网络的结构健康监测系统设计 ( 1 ) 成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇首构成一个更上一层 的连通网络来负责数据的长距离数据转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数 据通信，也在很大程度上节省了网络能量； ( 2 ) 簇首融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量， 从而节省了网络能量； ( 3 ) 成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的信息。这大大减少了网 络中控制信息的数量，减少了通信量； ( 4 ) 分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变 化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络； 总之这种将整个网络划分为簇的方式让簇首节点来协调簇内各节点的工作 并担负数据融合的任务，减少了传输到汇聚节点的数据通信量，节点能量得到 高效利用，延长了网络生命周期，具有可扩展性好和通信效率高的优点，适合 大规模网络。典型的基于层次结构的拓扑生成算法主要有t o p d i s c 成簇算法 4 9 1 、改进的g a f 虚拟地理网格分簇算法【5 0 】等。 图2 4 给出了层次拓扑结构分层示意图。 图2 4 层次拓扑结构图 考虑到在大型工程健康监测中，工程结构一般都非常复杂，如桥梁、隧道 等结构跨度非常大，并且对数据的汇集能力要求较高，故在本系统的设计中， 采用层次拓扑结构。在工程结构健康监测中，大量的传感器通过一定的布设算 法