基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究

发布时间：2017-07-01 15:23

  本文关键词：基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：无线传感器网络 桥梁 振动 无线检测 ZigBee 节能技术 数字低通滤波器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U446;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景及意义9-11
• 1.2 无线传感器网络概述11-15
• 1.2.1 无线传感器网络的基本概念11-12
• 1.2.2 无线传感器网络体系结构12-14
• 1.2.3 无线传感器网络的特点14-15
• 1.2.4 无线传感器网络的应用15
• 1.3 无线传感器网络应用于桥梁振动检测现状分析15-19
• 1.3.1 国外研究现状分析15-18
• 1.3.2 国内研究现状分析18-19
• 1.4 本论文的主要研究内容19-21
• 2 系统总体技术方案研究21-32
• 2.1 系统网络无线通信技术的确定与网络拓扑结构设计21-26
• 2.1.1 系统网络无线通信技术的确定21-23
• 2.1.2 系统网络拓扑结构设计23-26
• 2.2 系统总体技术方案的确定26-29
• 2.3 节点技术方案的确定29-31
• 2.4 系统技术指标的确定31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 系统节点硬件平台设计32-53
• 3.1 节点硬件平台的组成32-33
• 3.2 三轴向振动加速度传感器测量电路设计33-43
• 3.2.1 振动加速度传感器的选择33-35
• 3.2.2 ICS3022型MEMS加速度传感器的工作原理35-36
• 3.2.3 ICS3022型MEMS加速度传感器调理电路设计36-42
• 3.2.4 单轴向振动加速度传感器的整体电路设计42-43
• 3.3 无线收发器硬件设计43-49
• 3.3.1 无线收发器电路设计43-45
• 3.3.2 LT8900无线收发芯片性能分析45-46
• 3.3.3 LDT343微处理芯片性能分析46-47
• 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47-49
• 3.4 编程接口电路设计49-50
• 3.5 电源电路设计50-51
• 3.6 节点硬件系统电路设计51-52
• 3.7 本章小结52-53
• 4 系统软件设计53-78
• 4.1 节点软件节能技术研究53-64
• 4.1.1 节点软件节能技术研究的意义53-54
• 4.1.2 动态能量管理的提出54-58
• 4.1.3 基于改进后动态能量管理的节点节能模型建立58-60
• 4.1.4 节点节能仿真分析60-64
• 4.2 数字低通滤波器设计64-72
• 4.2.1 滤波器的种类与特点分析65-66
• 4.2.2 IIR数字低通滤波器设计方法比较66-69
• 4.2.3 巴特沃斯数字低通滤波器设计69-71
• 4.2.4 巴特沃斯数字低通滤波器仿真分析71-72
• 4.3 节点软件设计72-73
• 4.4 基站软件设计73-74
• 4.5 数据终端软件设计74-76
• 4.6 系统软件工作流程设计76-77
• 4.7 本章小结77-78
• 5 系统实验与数据分析78-90
• 5.1 系统构成78-79
• 5.2 振动信号的离散傅立叶变换(DFT)79-80
• 5.3 系统振动信号采集与传输可靠性实验80-82
• 5.4 数字低通滤波器滤波性能实验82-84
• 5.5 节点标定实验84-88
• 5.5.1 节点频率响应标定实验85-86
• 5.5.2 节点灵敏度标定实验86-87
• 5.5.3 节点幅值线性度标定实验87-88
• 5.6 系统联合工作测试88-89
• 5.7 本章小结89-90
• 6 总结与展望90-93
• 6.1 论文总结90-91
• 6.2 展望91-93
• 7 参考文献93-99
• 8 攻读硕士期间发表的论文99

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨汉生;李明;杨成梧;刘丽;;设计数字式巴特沃兹滤波器的新方法[J];电测与仪表;2006年04期

2 郭海丽;王紫婷;;基于Matlab/Simulink的FIR数字滤波器的设计与实现[J];电气应用;2008年01期

3 周耀辉;王芸波;朱维新;张玉仲;武焕舟;;IIR数字滤波器设计[J];电力自动化设备;2010年09期

4 李爱群,缪长青,李兆霞,韩晓林,吴胜东,吉林,杨玉冬;润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J];东南大学学报(自然科学版);2003年05期

5 铁志杰;21世纪桥梁管理的无损检测[J];国外桥梁;1999年04期

6 李OzOz;李成海;李兵兵;赵勇军;;无线传感器网络及其军事应用研究[J];飞航导弹;2012年09期

7 王建;王汝琳;王学民;刘世民;;煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统设计与实现[J];煤炭工程;2006年10期

8 邸永峰;汤宝平;蔡巍巍;;面向机械振动监测的无线传感器网络节点的设计[J];中国测试;2012年03期

9 马祖长,孙怡宁,梅涛;无线传感器网络综述[J];通信学报;2004年04期

10 董贤勇;油田无线通讯系统应用及故障分析[J];仪器仪表与分析监测;2003年04期

  本文关键词：基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：506472