一种面向结构健康监测的无线传感器网络节点设计与研究

摘要

随着无线通信技术、传感技术和微机电系统技术的发展，无线传感器网络被引入到结构健康监测中，因其能够克服有线传感器网络布线量大、成本高等不足而得到快速发展。纵观无线传感器节点及网络系统在结构健康监测领域的研究现状，硬件和软件都不断推陈出新，本文选用了先进的微电子元件，集成开发了一种新型的无线传感器网络节点，基于AVR Studio软件平台进行了程序开发，组建成完整的无线传感器网络系统，并通过结构动力测试对其综合性能进行了评估，实验表明本文开发的无线传感器网络在结构健康监测上具有良好的应用前景。
　　本文主要研究工作和成果如下：
　　集成了一种新型的无线传感器网络节点和基站。节点由微处理器单元、无线通信单元、数据采集单元和能量单元组成，可测量土木工程结构健康监测常用物理量加速度和应变，并在电子工程师协助下完成了外围电路和扩展接口设计。
　　对数据采集单元的各传感器进行了标定和测试。温度采集模块进行了温度对比测试，加速度采集模块和应变采集模块分别进行了静态标定、静态重复性测试和动态对比测试。通过测试的误差分析和频率识别分析，验证了无线传感器节点数据采集的有效性和可靠性。
　　开发了完整的无线传感器网络程序，建立了由网内节点和网络基站组成的无线传感器网络。软件以AVR Studio软件和BitCloud堆栈为开发平台，选定分层网络拓扑结构和无线传感器网络分层协议，完成了无线传感器节点数据采集程序、时间同步程序、基站串口通信程序以及无线网络通信程序的设计。
　　将开发的无线传感器网络系统应用于结构振动试验，根据试验数据提取结构模态参数，结果与有限元模型、有线测试系统获得的参数一致性较好，表明了本系统数据采集的可靠性，同时验证了无线传感器网络通信的稳定性，说明了本系统在结构健康监测应用上的可行性和有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容和创新点

第2章 无线传感器节点硬件设计

2.1 无线传感器网络及节点概述

2.2 微处理器单元选择和设计

2.3 无线通信单元选择和设计

2.4 数据采集单元选择和设计

2.5 能量单元选择和设计

2.6 接口设计和硬件集成

2.7 本章小结

第3章 数据采集单元检测模块性能测试

3.1 引言

3.2 温度采集模块性能测试

3.3 加速度采集模块性能测试

3.4 应变采集模块性能测试

3.5 本章小结

第4章 无线传感器节点及网络程序开发

4.1 引言

4.2 无线传感器节点软件开发平台概述

4.3 无线传感器节点和基站程序开发

4.4 无线传感器网络程序开发

4.5 本章小结

第5章 无线传感器网络应用试验

5.1 引言

5.2 试验模型概述及有限元模型建立

5.3 无线监控平台

5.4 桁架结构试验

5.5 试验结果分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢