智能建造理论与实践 课件 3.2节 WSN与智能施工监测

第三章智能建造平台体系WSN概述3.2

WSN与智能施工监测随着社会的发展，通信技术发展得越来越快，无线通信技术的应用也越来越广泛无线通信中一个新兴领域,得到迅速的发展，并渐渐走向集成化、规模化数据获取的重要手段，其在智能建造应用体系中的作用日渐凸显，使用方法也日益成熟和规范2WSN概述——WSN定义3.2

WSN与智能施工监测局限定义1大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。网络节点是同构的，网络成本较低、体积较小、大部分节点不移动，被随意散布在工作区域。网络系统有较长的工作时间WSN由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网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者无线传感器网络由若干个空间分布的自主传感器组成，用于监控物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染等，同时通过协同网络将数据传递到某个地方定义2定义33无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)WSN概述——WSN特点3.2

WSN与智能施工监测+01+02+03+04+05分布式和网络自组织规模大且密度高网络拓扑动态变化以数据为中心源受限4WSN概述——WSN特点3.2

WSN与智能施工监测分布式和网络自组织没有设置中心节点，所有的节点都拥有相同的权限，各节点之间都是通过分布式算法来协调，自动将所有节点组织到一起01规模大且密度高常由成千上万个传感器节点组成，覆盖区域大，节点密集；网络的规模大、密度高、存在冗余节点，造价相对便宜02网络拓扑动态变化拓扑结构通常是不断变化的，节点的移动、故障、节点能源的耗尽、新节点的加入、无线信道的不稳定等都可能造成结构的变化03以数据为中心传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系04源受限无线传感器网络通常用于一些特殊场所和领域，传感器往往在价格、体积和功耗上受到限制，单个节点的计算能力、存储空间、续航能力相对较弱，无法做大规模的存储和计算055WSN体系结构——网络结构3.2

WSN与智能施工监测局限无线传感器网络结构传感器节点信息收集和数据处理，对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等汇聚节点连接传感器网络与Internet外部网络的网关，实现两种协议间的转换管理节点所有者通过任务管理节点访问无线传感器网络的资源6WSN体系结构——感知节点结构3.2

WSN与智能施工监测A传感器模块B处理器模型C无线通信模块D供电管理模块感知节点结构示意图7WSN体系结构——感知节点结构3.2

WSN与智能施工监测3142感知节点结构的核心，包括处理器和存储器两部分，节点的所有功能及任务进度都需要它来协调完成处理器模型提供并管理电能，在具体应用中，要根据能耗情况选择供电设备，用电量小的则可以选择微型电池供电管理模块包括传感器和AD/DC转换器（模拟数字转换器），传感器部分负责采集信息，AD/DC转换器负责模数信号转换传感器模块由信号接收器、信号发射器等部件构成。无线通信模块的主要功能是和其他无线网络传感器节点进行通信无线通信模块8WSN体系结构——感知节点的限制条件3.2

WSN与智能施工监测微型嵌入式设备，要求价格低、功耗小导致其携带的处理器计算能力比较弱，存储容量小数据的采集和转换、数据管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制传感器感知节点体积很小，携带的能量有限分布广泛，能量无法及时补充感知节点消耗能量的模块：传感器模块、处理器模块和无线通信模块电源能量有限计算和存储能力有限感知节点各个模块的能量消耗情况示意图9WSN的协议栈3.2

WSN与智能施工监测ABCDE物理层无线传感器网络的协议栈负责生成载波，并对载波进行调制、解调数据链路层把数据流封装成帧、帧检测、介质访问控制和差错控制网络层负责路由的生成、选择和维护传输层负责对数据流进行传输控制应用层为基于监测任务的应用软件进程服务10WSN的协议栈3.2

WSN与智能施工监测无线传感器网络的协议栈细化模型11WSN的协议栈3.2

WSN与智能施工监测在该模型中增加了时间同步和定位功能，，它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。拓扑结构的控制集中在数据链路层和网络层，基于服务质量的管理集中在传输层、网络层和数据链路层的协议中。能量、安全和移动管理则跨越了网络中的应用层、传输层、网络层和数据链路层。12WSN安全问题3.2

WSN与智能施工监测安全路由安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认真、双向连接认证和认证广播等机制安全协议密匙管理：无线传感器网络有诸多限制；安全传播：在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播13WSN在健康监测中的应用——工程简介3.2

WSN与智能施工监测局限西安奥体中心体育场建于西安国际港务区，是2021年第十四届全国运动会的主场馆。奥体中心体育场主要由“一场两馆”组成，呈“品”字形布阵，一场是指主体育场，两馆分别是指体育馆和游泳馆。体育场看台上空覆盖了完整的环状钢结构罩棚，上部钢结构罩棚采用径向悬挑主桁架＋环向次桁架＋水平支撑结构体系，下部混凝土结构采用框架-剪力墙结构体系。从上空往下看，体育场钢结构罩棚平面近圆环形，东西高、南北低，立面呈马鞍形，其外轮廓线南北最大长度约335米，东西约321米，罩棚最大宽处约74米，最窄处约45米。14WSN在健康监测中的应用——监测系统总体设计3.2

WSN与智能施工监测局限特点目的措施原因大型空间结构建筑物；投资金额大、设计使用寿命长、建筑规模庞大，长期受到自然环境、自身材料老化、地基不均匀沉降影响为了保证重大空间结构建筑物的安全性、耐久性和适用性，需要对大型空间结构建筑进行实时健康监测一是监测点布置繁多，现场线缆布线困难且成本也比较高；二是布线凌乱复杂，不利于后期的管理和维护，还存在安全隐患结合WSN与无线通信技术，利用先进的健康监测手段和方法，对健康监测系统进行总体设计，建立长期有效的健康监测系统15WSN在健康监测中的应用——监测系统总体设计3.2

WSN与智能施工监测局限感知层通信层管理层16WSN在健康监测中的应用——监测系统总体设计3.2

WSN与智能施工监测局限感知层：负责监测区域内健康监测数据的实时采集，是整个健康监测系统的基础核心部分01通信层：负责的是监测系统数据传输协议的转换，是实现无线远程健康监测系统的关键，主要包括ZigBee通信网络、嵌入式网关、GPRS通信网络02管理层：为管理人员提供监测系统中各测点的监测信息，为下一步实现对监测数据的智能分析、结构的智能诊断、系统的分级预警提示等提供平台03管理层通信层感知层17WSN在健康监测中的应用——监测系统总体设计及数据分析3.2

WSN与智能施工监测局限用户界面设计健康监测系统组成用户正确输入自己的账号和密码即可进入到健康监测系统的主界面，可查看基本监测信息无线监测系统界面设计可以查看监测系统中开发的各个功能，包括监测设备总览、监测数据实时显示、历时监测数据回放、监测数据导出等监测数据实时界面设计通过查询