基于WSN的建筑结构模态分析节能方法研究

摘要

近年来随着无线传感器网络与建筑结构健康监测两个领域技术的发展，基于无线传感器网络的建筑结构健康监测系统成为很多研究者们的研究热点。当无线传感器网络应用于建筑结构健康监测场景时，无线传感器节点往往采用电池供电，当电池电量耗尽后，如果不对无线传感器节点进行充电或者更换电池，节点将会死亡，所以能量成为约束该系统性能的关键性因素。针对基于无线传感器网络的建筑结构健康监测系统能耗问题，在基于分簇的结构健康监测系统架构下，从减少簇内通信量降低簇内通信能耗的角度出发，设计出节能的模态分析方法，再根据模态参数中振型的特点，设计出适用于振型识别的分簇方法，降低系统能耗。
　　基于分簇的结构健康监测系统架构不仅可以得到准确的模态参数而且系统能耗较低。针对联合NExT-ERA模态分析方法，在基于分簇的结构健康监测系统架构下，设计了一种基于分簇的联合NExT-ERA节能型模态分析方法，通过设计合理的簇内通信策略优化联合NExT-ERA模态分析方法。仿真结果表明，该方法通过减少簇内数据通信量降低了簇内通信能耗，从而降低了系统能耗。
　　相比较固有频率，振型对结构的损伤更为敏感，在基于分簇的结构健康监测系统架构下，需要通过整合各个簇得到的局部振型以获得结构整体振型。针对振型的特点，设计了一种基于结构振型识别的WSN重叠分簇方法，将布置在结构上的无线传感器节点划分成若干个重叠簇，通过基于分簇的联合NExT-ERA节能型模态分析方法进行局部振型识别，利用重叠技术将各个簇的局部振型进行整合，以得到结构完整振型。仿真结果表明，该方法不仅保证了所识别出振型的准确性而且显著降低了系统的能耗。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容和结构

第二章 基于WSN的建筑SHM系统相关技术

2．1 建筑结构健康监测系统

2．1．1 建筑结构健康监测系统概述

2．1．2 建筑结构健康监测系统组成

2．1．3 模态分析方法

2．2 无线传感器网络

2．2．1 无线传感器网络概述

2．2．2 无线传感器网络体系结构

2．2．3 无线传感器网络特性

2．2．4 无线传感器网络关键技术

2．3 基于WSN的SHM系统能耗分析

2．3．1 传感器数据采样能耗分析

2．3．2 数据处理能耗分析

2．3．3 数据传输能耗分析

2．4 基于WSN的建筑SHM系统节能方法研究

2．5 本章小结

第三章 基于分簇的联合NExT-ERA节能型模态分析方法

3．1 基于WSN的SHM系统架构比较

3．2 传统的联合NExT-ERA模态分析方法

3．3 基于分簇的联合NExT-ERA节能型模态分析方法描述

3．4 仿真验证

3．5 本章小结

第四章 基于结构振型识别的WSN重叠分簇方法

4．1 重叠分析方法简介

4．1．1 O-LEACH算法

4．1．2 KOCA算法

4．2 振型识别的能耗分析

4．2．1 集中式SHM系统架构下振型识别的能耗分析

4．2．2 分布式SHM系统架构下振型识别的能耗分析

4．2．3 基于分簇的SHM系统架构下振型识别的能耗分析

4．2．4 目标和约束条件

4．3 基于结构振型识别的WSN重叠分簇方法

4．4 仿真验证

4．5 本章小结

第五章 基于无线传感器网络的建筑结构健康监测系统设计与实现

5．1 基于无线传感器网络的建筑结构健康监测系统设计

5．2 无线传感器节点设计

5．2．1 无线传感器节点硬件设计

5．2．2 无线传感器节点软件设计

5．3 基于无线传感器网络的建筑结构健康监测系统实现

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况