基于振弦式传感器的无线传感网络研究

发布时间：2017-12-14 09:15

  本文关键词：基于振弦式传感器的无线传感网络研究

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【摘要】：近年来,结构健康监测已经逐渐发展成为保障大型土木工程结构运营安全的重要技术手段。传统的结构健康监测系统多以信号线缆作为现场数据传输的载体,将传感器感知到的信号传送到结构现场的数据汇集点。这种有线数据传输方式存在布线量大、安装和维护费用高、在复杂结构中布线困难等缺点。随着无线通信技术和集成微电子机械系统等技术的快速发展,无线传感技术的应用越来越广泛。将无线传感技术应用到结构健康监测中可以有效解决传统有线数据传输方式存在的问题。针对结构健康监测中大量使用的应变传感器,研究基于振弦式传感器的无线传感网络技术,可提高现场应力应变监测效率,降低系统建设和维护成本,对于推动结构健康监测的快速发展具有重要意义。本文的主要工作包括:(1)对结构健康监测及无线传感网络研究进行文献综述。阐述结构健康监测的意义;介绍结构健康监测系统的组成、发展和应用;概述无线传感网络的特点及其在各个领域的应用。(2)分析振弦式传感器的工作原理。介绍单线圈振弦式传感器的结构、数学模型以及信号测量原理;对比分析高压拨弦和低压扫频两种激振原理,进一步给出改进的低压扫频激振方法。(3)开展无线传感单元的设计与开发。基于硬件设计小型化、低功耗、低成本和高可靠性的原则,采用模块化设计方法,对无线传感单元采集模块、数据处理与控制模块、无线收发模块和能量供应模块的硬件进行设计与集成;根据应力应变监测的功能需求,结合软件的设计原则,对无线传感单元内嵌软件进行设计与开发。(4)开展无线传感网络组网设计。通过对各类无线通信协议的特点进行对比分析,选择ZigBee协议作为无线传感网络的通信协议;比较基于ZigBee通信协议的三种无线网络拓扑结构的特点,指出适用于各类工程结构的无线传感网络拓扑结构;设计应用层数据通信协议。(5)开展无线传感网络用户端软件设计与开发。根据用户端软件需要实现的功能,完成用户端软件设计图,在此基础上开发出具有友好人机交互界面的用户端软件。(6)开展无线传感网络性能的实验验证。通过无线与有线数据采集的对比实验、多点组网稳定性实验以及无线传感网络功耗和通信距离实验,检验无线传感网络的测量精度、稳定性、功耗以及通信距离等性能指标。本文针对结构健康监测的需求,研发基于振弦式应变传感器的无线传感单元及配套的用户端软件,实现对传感器数据的采集、处理、无线传输以及无线传感单元之间自组网的功能,为构建高效、低成本的结构健康监测系统奠定基础。各专项实验表明,本文研发的无线传感单元的功能和性能达到预定目标。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
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本文编号：1287344