基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究

摘要

随着国民经济的不断发展，桥梁在国民生产、生活中发挥着越来越重要的作用，桥梁结构的安全性问题也因多次重大事故的发生引起了人们足够的关注和重视。桥梁振动检测是一种有效的桥梁结构损伤探测手段，能够检测出桥梁整体结构的安全状况。目前，桥梁振动检测主要是以有线检测为主，传统的有线检测存在布线复杂、成本高、电缆易于磨损以及可维护性差等缺点，而目前新兴的无线传感器网络技术能够有效地解决这一系列问题，其具有尺寸小、成本低廉、布置灵活、可靠性高，以及安装灵活方便等优点，是桥梁安全检测的最佳解决方案。
　　本文针对目前桥梁振动检测中存在的一系列问题，提出了一种基于无线传感器网络技术的桥梁振动无线检测方案，并结合桥梁实际应用背景，开发了一套便携式桥梁振动无线检测系统。本文在对基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究过程中，首先是在现有短距离无线通信技术的基础上提出了一种基于ZigBee技术的无线通信方案，并根据其支持的网络拓扑结构形式，确定采用具有实时性好、可靠性高、功耗低，以及易于实现工程化应用的星形网络拓扑结构，在此基础上提出了系统的总体技术方案、系统检测密度与检测物理范围扩展应用方案，以及单个节点功能实现的技术方案，并明确了系统的总体技术指标。在确定研究方案的基础上，结合系统节点所要实现的功能，对节点硬件平台进行了设计与关键元器件选型设计。在对系统软件设计时，首先是在现有无线传感器网络节能技术的基础上，结合系统的工作特点，提出了一种新的节点节能技术，建立了相应的数学模型，并对其节能状况进行了详细的仿真分析。为使系统能够更稳定可靠地工作，在前端抗混叠滤波设计的基础上，在数字信号处理端，以巴特沃斯模拟低通滤波器为原型，设计一种ⅡR数字低通滤波器，并通过仿真分析了所设计的滤波器的滤波效果。在节点节能研究和数字低通滤波器的基础上，分别对系统中的节点、基站以及终端数据显示界面等功能实现软件进行设计。
　　为验证所研究系统的工作性能，最后对研制出的单个系统进行了振动信号采集与传输可靠性实验、数字低通滤波器滤波性能实验、节点标定实验以及系统联合工作测试四个实验模块的实验。实验结果表示，研究的系统采集与传输可靠性高、滤波效果好，系统联合工作稳定，同步性好，节点的主要工作性能指标参数满足JJG233-2008标准中相关规定。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 无线传感器网络概述

1．2．1 无线传感器网络的基本概念

1．2．2 无线传感器网络体系结构

1．2．3 无线传感器网络的特点

1．2．4 无线传感器网络的应用

1．3 无线传感器网络应用于桥粱振动检测现状分析

1．3．1 国外研究现状分析

1．3．2 国内研究现状分析

1．4 本论文的主要研究内容

2 系统总体技术方案研究

2．1 系统网络无线通信技术的确定与网络拓扑结构设计

2．1．1 系统网络无线通信技术的确定

2．1．2 系统网络拓扑结构设计

2．2 系统总体技术方案的确定

2．3 节点技术方案的确定

2．4 系统总体技术指标的确定

2．5 本章小结

3 系统节点硬件平台设计

3．1 节点硬件平台的组成

3．2 三轴向振动加速度传感器测量电路设计

3．2．1 振动加速度传感器的选择

3．2．2 ICS3022型MEMS加速度传感器的工作原理

3．2．3 ICS3022型MEMS加速度传感器调理电路设计

3．2．4 单轴向振动加速度传感器的整体电路设计

3．3 无线收发器硬件设计

3．3．1 无线收发器电路设计

3．3．2 LT8900无线收发芯片性能分析

3．3．3 LDT343微处理芯片性能分析

3．3．4 LT8900无线收发芯片与LDT343微处理芯片间数据通信接口设计

3．4 编程接口电路设计

3．5 电源电路设计

3．6 节点硬件系统电路设计

3．7 本章小结

4 系统软件设计

4．1 节点软件节能技术研究

4．1．1 节点软件节能技术研究的意义

4．1．2 动态能量管理的提出

4．1．3 基于改进后动态能量管理的节点节能模型建立

4．1．4 节点节能仿真分析

4．2 数字低通滤波器设计

4．2．1 滤波器的种类与特点分析

4．2．2 IIR数字低通滤波器设计方法比较

4．2．3 巴特沃斯数字低通滤波器设计

4．2．4 巴特沃斯数字低通滤波器仿真分析

4．3 节点软件设计

4．4 基站软件设计

4．5 数据终端软件设计

4．6 系统软件工作流程设计

4．7 本章小结

5 系统实验与数据分析

5．1 系统构成

5．2 振动信号的离散傅立叶变换(DFT)

5．3 系统振动信号采集与传输可靠性实验

5．4 数字低通滤波器滤波性能实验

5．5 节点标定实验

5．5．1 节点灵敏度标定实验

5．5．2 节点频率响应标定实验

5．5．3 节点幅值线性度标定实验

5．6 系统联合工作测试

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文