（计算机应用技术专业论文）面向结构健康监测的无线传感器网络的研究与设计.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 l | i l l | i i l l m l i l | | l i l l l | l f l l l l l l i i l y 17 4 7 2 7 4 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 眇。 学位论文作者签名：粜，、l 铅 日期：可口ip 年了月j 毕日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：葭史靖 日期：加f 口年弓月q - 日 摘要 无线传感器网络w s n ( w h e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是一种新型的网络和计算机技术。 近年来，随着传感器技术、微电子技术、嵌入式技术和无线通信等技术的进步，w s n 得以 迅猛发展，成为计算机学科的研究热点。w s n 是由部署在监测区域内的大量微型廉价的传 感器节点，以无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和 处理网络覆盖区域内的信息，并发送给监测者。由于基于w s n 的数据采集系统具有安装 方便、维护成本低和部署灵活等特点，在结构健康监测应用中具有很大的优势。 结构健康监测s h m ( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ) 系统是对建筑结构( 如建筑物、桥 梁、航空航天结构、近海石油钻井平台等) 进行完整性评估。与一般的环境监测不同，结 构健康监测系统通常要对结构震动信号进行持续不断的高频采样。理论讲，结构震动频率 在2 0 h z 左右是监测的重点，采样频率应该达到5 0 h z 以上。如果采样频率低，采样数目 明显不足，则无法对震动反应进行重建。因此要求无线传感网络具有采样频率高、通信速 率高、数据传输质量稳定的特点，而现有无线系统一般无法做到。 为了达到应用要求，本文做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 在节点硬件方面，设计实现了基于z i g b e e 协议的硬件平台。平台采用c c 2 4 2 0 射 频芯片和a t m e g a l 2 8 l 处理芯片，数据传输速率可以达至l j 2 5 0 k b p s 。传感器采用m m a 7 2 6 0 三轴向加速度传感器。 ( 2 ) 在系统软件方面，详细研究和分析了无线传感器网络常用的数据汇聚路由协议 ( c t p 路由协议) ，在t i n y o s 2 0 中实现了使用c t p 路由协议和s m a c 链路层协议进行的自组 织的高质量无线数据通信。 ( 3 ) 提出了采用基于小波提升的数据压缩算法对采样数据进行压缩，并针对t i n y o s 系统和硬件平台对算法进行改进并实现。通过实验和对比达到了良好的效果，从而突破通 信带宽的瓶颈限制，达到提高采样频率的目的。 ( 4 ) 设计并实现了后台监控软件，可以通过后台软件实现了解监测数据、路由信息、 通信状况等信息。 关键字：无线传感器网络结构健康监测t i n y o s 路由协议小波提升数据压缩 浙江理：l = 人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i san e wt y p eo fn e t w o r km a d eu po fs e n s o r s ， m i c r o p r o c e s s o r sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s a s t h e d e v e l o p m e n to fs e n s o r s t e c h n o l o g y , m i e r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e m b e d d e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a v ear a p i dd e v e l o ps p e e da n db e c o m ea n e wc o m p u t e ri n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l d s e n s o rn o d e sa r er a n d o m l yl o c a t e di na na r e a s e l f - o r g a n i z e dt ob ean e t w o r k ，w h i c hi se s s e n t i a l l yal a r g es c a l e ，a n dr e s o u r c el i m i t e dd i s t r i b u t e d s y s t e m aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp r o m i s e se n o r m o u sb e n e f i t s s u c ha se a s ea n df l e x i b i l i t yo fd e p l o y m e n ti na d d i t i o nt ol o wm a i n t e n a n c ea n dd e p l o y m e n tc o s t 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 ( s h m ) f o c u s e so nd e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e sa n ds y s t e m st h a t a s s e s si n t e g r i t yo fs t r u c t u r e ss u c ha sb u i l d i n g s ，b r i d g e s ，a e r o s p a c es t r u c t u r e sa n do f f - s h o r eo i l r i g s d i f f e r e n tf r o mt h eg e n e r a le n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，s h mi m p l e m e n t a t i o n sc o n t i n u o u s l y c o l l e c ts t r u c t u r a lv i b r a t i o nd a t af r o mv a r i o u sl o c a t i o n si nt h es t r u c t u r e ( i n d u c e db ya m b i e n t s o u r c e se g ，m o v i n gv e h i c l e s ，w i n d s ) f o ra n a l y s i s i nt h e o r y , s i n c et h ei n t e r e s t i n gs t r u c t u r a l m o d e sa r ei nt h et e n so fh z ，i tw o u l db es u f f i c i e n tt os a m p l eas t r u c t u r ea ta b o u t5 0h z t h i s r e s u l t si na ni n s u f f i c i e n tn u m b e ro fs a m p l e sf o rr o b u s tr e c o n s t r u c t i o no ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u m t h u s ，s h mn e e d st os a m p l ea th i g h e rr a t e s ，w h i c hs t r e s s e st h ec o m m u n i c a t i o na n dp r o c e s s i n g l i m i t so fm o t e c l a s sd e v i c e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) w es e l e c t e dt h et r a n s c e i v e rc c 2 4 2 0a n dm c ua t m e g a l 2 8a sk e yc h i ps e ta n dd e s i g n e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c ha d a p tt oi e e e 8 0 2 15 4a n dz i g b e es p e c i f i c a t i o n a t t a c h e dt ot h i s c a r di sa h i g h l ys e n s i t i v et r i a x i a la c e e l e r o m e t e rm m a 7 2 6 0 t h a ti sc a p a b l eo fs e n s i n gu pt ot h r e e c h a n n e l s ( 3 一a x e s ) o fv i b r a t i o nd a t a ( 2 ) o nt h es o f t w a r es i d e ，t h i sp a p e rd e t a i l e da n a l y s e sa n ds t u d i e s t h ep r i n c i p l e a n d i m p l e m e n t a t i o no fc t pd a t ac o l l e c t i o np r o t o c o li nt i n y o s 2 0 t h ec t pr o u t i n gp r o t o c o la n d s m a cl i n k l a y e rp r o t o c o l a r eu s e df o rs e l f - o r g a n i z i n ga n dh i g h q u a l i t yw i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o n ( 3 ) t h ed a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e tl i f ti sp r e s e n t e d i ti si m p r o v e da n d i m p l e m e n t e do nt h et i n y o ss y s t e ma n dh a r d w a r ep l a t f o r m t h r o u g he x p e r i m e n t sa n dc o n t r a s t ， t h i sa p p r o a c hc a na c h i e v eg o o dr e s u l t s ，a n dt h u sb r e a kt h r o u g ht h eb o t t l e n e c ko fc o m m u n i c a t i o n i i 浙江理工大学硕士学位论文 b a n d w i d t h ，a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h es a m p l i n gf r e q u e n c y ( 4 ) w ed e s i g na n di m p l e m e n tab a c k g r o u n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h es o f t w a r ec a n m o n i t o r d a t a , r o u t ei n f o r m a t i o n , c o m m u n i c a t es t a t u sa n ds oo n k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( 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 ( s l i m ) ， t i n y o s ；r o u t i n gp r o t o c o l ；w a v e l e tl i f t ；d a t ac o m p r e s s i o n i i i ， 浙江理工大学硕上学位论文 目录 摘要i 第一章绪论l 1 1 课题背景和意义1 1 2 结构健康监测的概念和研究内容1 1 3 无线传感器网络概述2 1 3 1 无线传感器网络的体系结构3 1 3 2 无线传感器网络的特点3 1 3 3 无线传感器网络嵌入式操作系统5 1 4 国内外研究动态6 1 5 研究目标及内容安排7 第二章基于z i g b e e 硬件平台的研究与设计1 0 2 1 无线传感器节点的组成及特点1 0 2 2m i c a 系列节点简介1 2 2 3 基于z i g b e e 的节点设计1 2 2 3 1 射频芯片c c 2 4 2 0 1 5 2 3 2 加速度传感器模块1 7 2 3 3 外部f l a s h 存储器1 7 2 3 4 串口通信模块1 8 2 4 本章小结1 8 第三章汇聚路由协议分析1 9 3 1 汇聚协议2 0 3 1 1c t p 协议总体架构2 1 3 1 2c t p 协议的实现2 1 3 2 链路估计器2 2 3 2 1 基本概念2 2 3 2 2l e e p 帧结构2 4 3 2 3 标准l e 估计器2 5 3 3 路由引擎2 7 3 3 1 基本概念2 7 3 3 2c t p 路由帧( 信标帧) 2 8 3 3 3 工作流程分析2 9 3 4 转发引擎3 0 3 4 1 基本概念3 l 3 4 2c t p 数据帧3 1 3 4 3 工作流程分析3 3 3 5c t p 协议在节点上的实验3 3 3 6 本章小结3 5 第四章基于小波变换的数据压缩方法3 6 4 1 小波和数据压缩3 6 5 3 1 模块功能与程序界面5 5 5 4 实验与结果分析5 7 5 4 1 传感器数据采样和压缩实验5 7 5 4 2 多跳组网数据采集实验5 9 5 4 3 能耗分析6 3 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 工作总结6 6 6 2 未来研究展望6 6 参考文献6 8 致谢7 4 攻读学位期间的研究成果7 5 v 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 结构健康监测和无线传感器网络都是当前国内外工程领域的研究热点。结构健康监测 ( 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 ) 系统开发的重点是对建筑结构( 如建筑物、桥 梁、航空航天结构、近海石油钻井平台等) 进行完整性评估【1 1 。传统结构健康监测系统的 响应传感器，如加速度传感器或应变传感器都是通过导线连接到数据采集设备，即各个传 感器采集的数据均通过导线传输到中央处理器进行集中处理和诊断。这种方法对实验室里 的模型结构或简单结构物监测是有效的，对于大型结构物，有线监测方案在实际应用中存 在一些困难。对大型结构物进行有效的监测要求各种传感器数量在数百量级以上，这样大 规模的多点、多参数、远距离测试试验中，需铺设大量的信号电缆，尤其是在一次性试验 及环境条件危险恶劣的情况下，操作起来十分复杂和繁琐，占用大量人力物力【2 j 【1 4 1 。此外， 大量传输导线还存在布设空间等问题。而无线传感器网络的数据采集系统具有安装方便， 维护成本低和部署灵活等特点【3 】【4 】，将无线传感器网络技术引入结构健康监测将是非常好 的选择。无线传感器网络以其自组织性、高容错性、低成本、灵活性等优点，在军事、环 境科学、医疗健康、空间探索、商业应用等领域有着非常广泛的应用前景。无线传感器网 络技术核心内容是无线传感技术，目前传感器技术、通讯技术、计算机技术的发展，都为 这一系统的开发提供了有效支撑【1 5 1 。基于无线传感器网络的结构健康监测系统也得到了国 内外越来越多研究机构的关注和重视，研究意义巨大，因而将其应用于结构健康监测系统 具有广阔的前景。 1 2 结构健康监测的概念和研究内容 结构健康监测( s 旧瞪】指利用传感技术，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。结构的健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系 统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特 征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的 是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。 结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检 1 浙江理工大学硕士学位论文 查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心自动地报告结构状态。结构健 康监测系统有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实 时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。 结构健康监测系统所监测的内容主要有以下几方面 o - 1 1 7 1 8 】： ( 1 ) 荷载：包括风、地震、温度、交通荷载等。 ( 2 ) 几何监测：监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移 在由 守0 ( 3 ) 结构的响应：包括结构在正常荷载作用下的结构响应和力学状态以及结构在突发事 件( 如地震、意外大风或其它严重事故等) 之后的损伤情况。 ( 4 ) 重要的非结构部件及辅助设施的工作状态：如支座、振动控制设施等。 结构健康监测是一种在线监测技术，系统应该包括以下几方面： ( 1 ) 传感器 传感器主要用于将待测的物理量转变为电信号输出。 ( 2 ) 数据采集和处理设备 数据采集和处理设备一般是安装在待监测结构中的，负责传感系统数据的采集并进行 初步的处理。 ( 3 ) 通讯系统 通讯系统负责将这些采集到的数据传输到监控中心。 ( 4 ) 监控中心及报警设备。 监控中心负责全面健康监测，将这些信息进行最终的处理并利用具备诊断功能的软硬 件对接收到的数据进行诊断和定期的评估，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状 况做出评估，如发现异常，发出报警信息。 显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术0 1 ，它包括工程结构、动力学、信 号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。 1 3 无线传感器网络概述 无线传感器网络是一种特殊的a d h o c 网络【1 0 1 ，可应用于布线和电源供给困难的区 域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域) 和一些临时场合( 如 发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗 浙江理工大学硕+ 学位论文 毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。无 线传感器网络将会在不远的将来掀起新的产业浪潮【l 】；非盈利性的 m i t 技术评论将无 线传感器网络列于十种改变未来世界新兴技术之首【1 2 1 。 1 3 1 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络( w s - 0 是由大量微型传感器节点，通过无线通信方式，形成的一个多 跳的、自组织的网络系统。其目的是对所部署的监测区域的信息进行采集、处理，并最终 通过无线通信的方式将所获取的信息发送给观察者。 无线传感器网络结构如图1 - 1 所示，它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 ) 和任务管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内， 能够通过自组织的方式构成网络。传感器节点将监测到的数据通过其它传感器节点进行转 发，在整个过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到s i n k 节点，最后通过 互联网或卫星到达任务管理节点。用户则通过任务管理节点对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。 图卜1 传统的无线传感器网络体系结构 1 3 2 无线传感器网络的特点 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a dh o c 网络等，与这 些网络相比，无线传感器网络具有以下特尉1 6 】： ( 1 ) 数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，不会去 关心具体某个节点的观测数据，而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的。 - 3 - 浙江理工大学硕士学位论文 以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织 起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 ( 2 ) 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和 内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次 不能太复杂。 ( 3 ) 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用 领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也 就失去了作用( 死亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节 能为前提。 ( 4 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对 等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具 有很强的抗毁性。 ( 5 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议 和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 ( 6 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻 居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行 路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是 由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也 是信息的转发者。 ( 7 ) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可 能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被 添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组 织功能。 ( 8 ) 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感 器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的 容错性和抗毁性。 无线传感器网络是一种“无处不在”的传感技术，它使用户可以更加深入地了解和把 握周围的世界。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军事、环境、 医疗、家庭等具有广阔的应用前景，并且在空间探索、灾难拯救等特殊领域具有得天独厚 的技术优势。 4 浙江理工大学硕十学位论文 1 3 3 无线传感器网络嵌入式操作系统 无线传感器网络嵌入式操作系统是传感器节点中的基础核心软件，它负责节点全部 软、硬资源的分配及回收、控制和协调并发的活动；提供用户接口，使用户获得良好的工作 环境；为用户扩展新的系统功能提供软件平台。这不仅提高了开发效率，又增强了软件的 重用性。下面简单介绍几种典型的，比较具有代表性的系统： ( 1 ) t i n y o s 1 1 9 1 f m y o s 是加州大学伯克利分校( u cb e r k e l e y ) 开发的一种无线传感器网络节点专用的 开源的操作系统。它的主要特点有：采用由c 语言扩展而成的n e s c 语言实现组件化的编 程，模块化的设计；采用事件驱动机制，可以处理高并发事件，并且达到节能的目的，使 其适应节点众多、并发操作频繁发生的无线传感器网络；轻量级线程技术和基于f i f o 的 任务调度，使得短流程的并发任务共享堆栈存储空间，并能快速切换；主动消息通信方式， 这种来自大规模并行处理机和计算群集( c o m p u t i n gc l u s t e r ) 的技术的一些基本概念同样 也适用于资源受限的w s n ，它构成t i n y o s 极小内核的通讯系统，可以有效避免网络阻塞， 实现低功耗的通讯。 目前t i n y o s 在w s n 操作系统领域处于主导地位，已经可以运行在很多硬件平台之上， 例如：t e l o s ( r e va ) ，t e l o s ( r e vb ) ，m i c a , m i c a 2 ，m i c a 2 d o t ，欧洲的e y e s ，c r o s s b o w 的m i c a z 等等。 ( 2 ) m a n t i so s t 2 0 1 m a n t i so s 是美国科罗拉多大学开发的无线传感器网络操作系统，它的内核和a p i 采用标准的c 语言，易用、灵活是其亮点。它的主要特点是：采用轻量级的基于抢占的多 线程任务调度器，类u n i x 编程环境；整个内核占用r a m 小于5 0 0 字节，m a n t i so s 在 逻辑上把r a m 分成两部分：一部分在编译时分配给全局变量，其他部分以堆的形式管理； 应用程序线程和底层操作系统a p i 相互独立，所以m a n t i so s 通过提供不同平台的a p i 就可以实现对多个平台的支持；提供了无线代码发布功能，能在基站向节点发送新代码； 提供远程s h e l l 供用户登陆到传感器节点观察其运行情况。 ( 3 ) s o s t 2 1 】 s o s 是加州大学洛杉矶分校网络和嵌入式实验室开发的无线传感器网络操作系统。 s o s 有以下特点：动态可重配置，该功能使得在网络的部署和初始化后用户可以对各节点 上的软件进行修改，实现动态的在线更新；s o s 是一个能为开发人员提供各种通用服务的 浙江理工大学硕+ 学位论文 快速开发系统，例如内存数据包管理、应用服务协议( 如邻居发现协议) 等；事件驱动机 制：内核和应用程序模块中都使用动态存储；实现了优先级调度；使用标准c 语言和编译 器。 1 4 国内外研究动态 目前无线传感器网络在许多研究领域都有了很大的发展，如大鸭岛工作的试验台f 捌， 火山观测2 3 1 等。无线传感技术应用于结构监测领域始于1 9 9 6 年，s t r a s e r 和k i r e m i d j i a n 提 出在结构健康监测系统的传感器上安装上无线通讯元件，实现无线数据传输。这种方式降 低了设备成本。当时硬件主要是由模拟传感器检测出信号，然后经过a d 转换器转换成数 字信号，内部的8 位微控制器进行信号处理，最后由无线发射模块将数据发送到接收端。 与一般的环境监测不同，结构健康监测系统通常要对震动信号进行持续不断的高频采 样。理论讲，我们感兴趣的结构震动频率在2 0 h z 左右，所以我们基于的采样频率应该达 到5 0 h z 以上。采样频率低时采样数目明显不足，无法对震动反应进行重建。所以如何在 通迅能力和资源受限上节点上提高采样频率是研究的重点。在这方面已经有了一些探索性 的实验和系统。 l y n c h 3 1 1 等讨论了结构健康数据的无线采集系统的设计和实验，并通过a l a m o s a c a n y o n 大桥实验验证了它。无线传感装置可以获取数据，通过单跳传输到一个基站( 即直 接到基站) 。这样的设计明显约束了传感器节点的放置。 m e c h i t o v 等【2 7 】【2 8 1 已经开发了基于m i c a 2 节点的结构健康无线传感器网络监测系统。在 他们的设计中，对单轴振动以2 0 2 5 0 h z 的频率进行采样，并储存在本地节点的存储器上。 由于节点上存储器的限制，所以只能进行6 0 秒的采样。采样后存储的数据通过多跳的传 感器网络进行可靠传输。在大数据量的传输期问将严重影响了系统的采样保持。 相比之下，w i s d e n 【冽提供自主组网，多跳传输的无线网络，在w i s d e n 系统中，节点 自组织形成树形拓扑结构，然后把它们的接收到的振动数据，通过自组织形成的多跳无线 网络，发送到基站。基站通常是台p c 机：新的无线传感器节点可以随时添加进网络，也 可以随时关闭网络任意节点。网络能重新检测并形成新的路由线路来传输数据。为了获得 较高的采样频率w i s d e n 在保证可靠的数据传输的前提下采用了数据压缩机制用来减轻带 宽瓶颈。由于w i s d e n 的测试平台是m i c a 2 ，而m i c a 2 节点平台理论带宽1 9 2k b p s ，与 m i c a z 节点理论带宽2 5 0 k b p s 还是有相当大的差距。无法获得更好的性能，数据的延迟时 浙江理t 大学硕士学位论文 问较长。 l y n c h 等提出使用小波压缩进行无损结构监控数据的传输。但l y n c hj 玉, 缩是无损的， 这在一定程度上限制了压缩的效率。 d i m e n s i o n s 3 2 1 是一个网络传感器数据存储系统，它使用i p a q s 平台，采用分布式存储 技术，并对不同应用中使用小波压缩技术进行了总结。但由于无线网络的结节受资源约束， 无法大量存储数据，需要对数据进行实时的传播。因此资源约束下的小波算法实现将有待 改进。 由此可见，已有无线传感器网络在结构健康监测系统的应用研究主要存在着如下问 题： ( 1 ) 在资源约束的节点上，如何进行高频的、持续不断的数据采样。 ( 2 ) 如何利用无线通信机制，保证数据能够可靠的传输，保证网络的联通与稳定。 ( 3 ) 如何解决高频采样与无线带宽瓶颈限制之间的矛盾。 本文针对这些问题，开展研究工作，使得所设计的无线传感器网络更好满足结构健康 监测系统的应用需求。 1 5 研究目标及内容安排 通过国内外结构健康监测系统的研究情况可以看出，无线传感网络的结构健康监测系 统首先要解决两个关键性的问题： ( 1 ) 采样数据的可靠传输； ( 2 ) 高频采样与无线带宽的瓶颈之问的矛盾。 本文将对针对这两个方面作为研究重点，具体做法如下： ( 一) 在可靠传输方面，对树型汇聚协议进行了详细的研究与分析，在t i n y o s 2 x 下 实现了基于l e e p 链路评估的c t p ( c o l l e c t i o nt r e ep r o t o c 0 1 ) 协议。c t p 协议是实现多跳 分层路由的关键技术，它通过树型的分层路由拓扑结构将节点传感器所采集的传感器数据 能够无线通信可靠的传输到p c 后台程序中。实验研究表明c t p 协议可以有效保证数据的 可靠传输。 ( 二) 为解决结构健康监测系统中传感器高频采样与w s n 无线带宽瓶颈之间的矛盾， 本文提出了采用基于小波提升变换的有损数据压缩方法对原始采样数据在节点传输之前 进行压缩，使得所要通过无线传输的数据量大大减少，从而减少了无线通信的压力。本文 浙江理工大学硕士学位论文 对压缩算法进行了详尽的分析和实验。由于压缩过程算法简便、运算速度快、空间资源占 用少，适合在资源约束的节点上运行。理论分析、仿真和实验研究均表明了本文所提的数 据压缩方法可有效的降低无线通信的传输负担，是现有无线带宽限制下提高采样频率的关 键，在解决无线通信带宽瓶颈和节约能耗的方面起到了关键作用。 通过以上这些方面的研究，本文致力于实现一个基于无线传感器网络的结构健康监控 系统。 因此本文的主要研究内容包括以下四个方面： ( 1 ) 节点硬件平台和传感器板的分析与设计； ( 2 ) 无线数据传输的数据汇聚路由协议的分析与应用： ( 3 ) 无线传感器网络数据压缩算法的研究； ( 4 ) 设计和编写结构健康监控的p c 端后台监控软件。 ( 第一章绪论) 1 第j ：章第三章第四章 基于z i g b e e 硬件平 汇聚路由协议分 基于小波变换的数 台的研究与设计 析 据压缩方法 、士 第五章 系统设计与实 现 土 厂第六章、 总结与展望 图1 _ 2 论文内容结构 论文工作按内容分为6 章，结构如图1 - 2 ，每章研究的主要内容包括： 第1 章绪论部分，主要对研究背景、目的和内容进行介绍，并对结构健康监测和无线 传感网络这两大热门研究进行概述。 第2 章分析了传感器节点的组成及特点，介绍了常用的节点平台，并结合结构健康的 应用，设计和实现了基于z i g b e e 协议的无线节点和传感器平台。 第3 章对t i n y o s 2 x 的树型数据汇聚路由协议的原理、链路估计、路由引擎和转发引 擎以及所用到的各协议帧结构和功能进行的详尽的分析。 第4 章提出使用有损的小波压缩方法对采样数据进行压缩，并对小波提升压缩算法进 行分析和改进，使之满足资源约束的节点平台。实现并验证了压缩方法，评估压缩的性能。 浙江理工大学硕士学位论文 第5 章基于t m y o s 2 x 系统设计并实现结构健康系统，开发后台监控s h m 程序，并 通过实验分析结构健康监控系统在数据采样、组网和能量消耗方面的性能。 第6 章论文的总结与展望，对本文所做的工作进行全面的总结，并指出今后需要做的 进一步工作。 浙江理工大学硕+ 学位论文 第二章基于z i g b e e 硬件平台的研究与设计 在结构监测的无线传感网络中系统中，承担数据采集和无线数据转发的是无线网络节 点。无线传感器网络是由大量无线传感器节点组成的，无线传感器节点作为微型化的嵌入 式系统，构成了无线传感器网络物理层基础的支撑平台。每一个网络节点都具有端节点和 路由两种功能。应用于结构监测的节点主要面临以下几个问题： ( 1 ) 实现数据的采集和处理。本文主要是通过加速度传感器对振动数据进行采集， 并对采集到的数据进行压缩处理。由于数据采样频率要求高，压缩算法也需要有较高的运 算效率，因此对节点的处理器速度提出了较高的要求。 ( 2 ) 实现数据的传输和路由。能够发送本身采集的数据，并接收和转发来自其他节 点发送的数据，承担路由节点的作用，最终发送给网关节点。由于结构监测所要发送的数 据量大，而且要反应快速，因此要求网络高速、稳定、可靠。这也对无线射频芯片提出了 很高的要求。 ( 3 ) 低能耗。由于传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量； 而且，由于应用的不同，节点要长时间处理高速转情况下，一旦能量耗尽，那么该节点就 不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。 因此，设计一款能适合于结构健康监测的无线传感节点面临很大的挑战。由于节点硬 件平台是设计的基础，本节将对现有的无线节点技术进行分析，并结合应用，设计了基于 z i g b e e 技术的适合于结构监测的无线传感器节点。 2 - 1 无线传感器节点的组成及特点 传感器节点由传感器模块、数据处理与控制模块、通信模块和能源模块这四部分构成 4 1 】。无线传感器节点的构成如图2 - 1 所示： 浙江理工大学硕士学位论文 图2 - 1 无线传感器网络节点结构图 ( 1 ) 传感器模块一 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。传感器在现实中的应用非常广 泛，渗透在工业、医疗、军事和航天等各个领域，所以有些机构把传感器网络作为未来二 大高科技产业之一。 传感器的种类繁多，用于测量各种物理量，使用何种传感器完全取决于应用系统。 ( 2 ) 微处理器模块 微处理器模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其 它节点发来的数据，包括数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等等； ( 3 ) 无线通信模块 无线收发模块用于传感器节点间的数据通信，解决无线通信中载波频段的选择、信号 调制方式、数据传输速率，编码方式等，并通过天线进行节点间、节点与基站之间数据的 收发。 传感器网络的数据通信协议包括物理层、链路层、网络层和应用层。目前，各层协议 还没有标准化。事实上，传感器网络与应用的联系非常紧密，不同的应用往往对通信指标 有不同的要求。涉及到无线传感器网络的硬件模块，主要是无线通信协议中的物理层和 m a c 层技术。这两个层次基本决定了硬件模块的具体架构。表2 1 给出了可供选择的无 线收发芯片的参数比较。 表2 - 1 常见无线芯片参数比较 在以上的无线收发芯片中，r f m 公司的t r1 0 0 0 和c h i p c o n 公司的c c1 0 0 0 都是低功 耗理想的选择。 ( 4 ) 能量供应模块 为传感器节点提供运行所需的电源通常采用微型电池。由于节点能量有限，在硬件设 一l l - 浙江理 二大学硕+ 学位论文 计方面要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候应切断射频部分电源；在软件设计 方面各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其它一些网络性能指标，以获得 更高的电源效率，传感器节点低功耗设计是传感器网络提高生存能力、有效完成特定任务 的关键所在。 2 2m i c a 系列节点简介 m i c a 系列节点是加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验 节点。在这个演示平台中，软件硬件是并行发展的。由于该平台的软硬件设计是公开的， 所以成为研究传感器网络最主要的试验平台。 m i c a 系列的节点包括w e c 、r e n e e 、m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 、s p e c 等。m i c a 系列节 点使用的处理器都是a t e m l 公司的产品，而且随着a t e m l 产品的不断升级，后续节点使用 的处理器提供更多的系统资源( s 洲容量从0 5 一4 k b ，外部f l a s h 容量也从8 k b 扩展 到1 2 8 k b ，提供了硬件的1 2 c 控制器等) 。 m i c a z 是c r o s s b o w 公司m i c a 系列节点的最新产品。m i c a z 是2 4 g h z 、i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的模块，用于低功耗无线传感器网络。m i e a z 增加的几点新特性从整体上提高了 c r o s s b o w 的m i c a 系列无线传感器网络产品的性能张。毒捆钏慨。其特点如下： ( 1 ) 集成i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议r f 发送器； ( 2 ) 2 4 2 4 8 3 5 g h z ，全球兼容的i s m 波段； ( 3 ) 直接序列扩频技术，抗r f 干扰、数据隐蔽性好； ( 4 ) 2 5 0 k b p s 数据传输率； ( 5 ) 可运行t i n y o s1 1 7 或更高版本，包括c r o s s b o w 可靠的m e s h 网络软件操作平台； ( 6 ) 即插即用，可连接c r o s s b o w 所有传感器板、数据采集板、网关和