无线传感网络技术在地下工程监测中的应用研究

发布时间：2017-06-10 07:42

  本文关键词：无线传感网络技术在地下工程监测中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感网络技术是近年发展起来的通过由无线传感器节点组成的无线网络对目标监测对象的各项物理特性进行远程实时监测的新兴技术。基于无线传感网络技术的地下工程监测应用结合了无线传感网络技术的优势,其监测预警能力强、监测范围与监测密度大、监测数据调取分析效率高、监测成本低等特性使得其在地下工程的监测中具有很好的应用前景。本文以江苏省交通运输科技项目(2011Y14)为依托,以基于无线倾角传感器的基坑工程与盾构隧道工程无线监测应用为研究对象,提出了基于无线倾角传感器的地下工程监测方法。针对地下工程的监测需求,分析了无线倾角传感器监测系统的软硬件设计并进行了无线倾角传感器的精度标定测试。针对地下工程的环境特殊性,对无线倾角传感器在地下工程中的环境适应性进行了研究分析,进行了无线倾角传感器的信号传输测试和信道干扰测试并提出了地铁隧道无线倾角传感器的能量自供给方案。针对地下工程的结构特性,结合有限元数值模拟的方法对地下工程无线监测的布点方案进行了优化。最后选取了东南大学九龙湖土木交通大楼基坑工程与南京地铁四号线东流站至青龙站区间盾构隧道工程进行了无线倾角传感器监测系统的现场监测试验。主要研究成果如下：(1)通对无线倾角传感器的监测原理分析,提出了基于无线倾角传感器的基坑支护水平位移监测与盾构隧道衬砌变形监测的监测方法及监测数据处理公式。(2)给出了无线倾角传感器和无线化改装的倾角仪的系统组成与性能参数,并建立了无线监测系统数据采集终端的工作流程。(3)针对地下工程监测的监测特点对蓝牙、超宽带技术、Wi-Fi和ZigBee四类无线通信协议进行了比选,及提出ZigBee无线通信技术能适用于地下工程的无线监测需要。(4)对基于ZigBee的无线倾角传感器进行了信号传输距离测试、组网能力测试和信道干扰测试结果表明,无线监测活动的监测场地类型对无线传感器的传输距离有显著影响,场地内的信号遮挡物会影响无线信号的传输距离,而隧道有助于信号传输,实测无线倾角传感器在隧道环境中的最小极限传输距离为127.8m。无线监测数据的丢包率会随信号传输距离的提高而上升,根据对实测数据的丢包率与信号传输距离关系的分析,本文提出无线倾角传感器的最佳信号传输距离在50m左右。2.4GHz频段内同信道多个倾角传感器同时开启产生的同频干扰对无线信号强度的影响较小。(5)针对无线传感器在隧道环境中的供能问题,提出了一种基于压电效应的盾构隧道无线监测传感器振动发电装置。(6)通过有限元模拟手段分析了基坑支护结构和盾构隧道管片结构的倾角变化趋势,结合无线倾角传感器的基坑支护结构水平位移监测原理和盾构隧道衬砌结构变形监测原理,提出了无线倾角传感器地下工程监测布点优化方案。(7)东南大学九龙湖土木交通大楼基坑工程与南京地铁四号线东流站至青龙站区间盾构隧道工程无线倾角传感器监测系统的现场监测试验结果表明,无线倾角传感器在地下工程现场监测中监测数据连续,数据丢失率很低,完全可以满足地下工程结构变形监测需求。
【关键词】：无线传感技术 地下工程监测 倾角传感器 ZigBee 环境适应性
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU94;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 地下工程无线监测技术国内外研究现状11-26
• 1.2.1 地下工程监测内容分析11-20
• 1.2.2 无线传感监测技术发展现状研究20-26
• 1.3 地下工程监测技术存在的问题与不足26-27
• 1.4 本文的研究内容与技术路线27-30
• 1.4.1 本文主要研究内容27
• 1.4.2 本文技术路线27-30
• 第二章 地下工程无线监测技术研究30-52
• 2.1 地下工程无线监测技术原理30-38
• 2.1.1 无线倾角传感器监测原理30-31
• 2.1.2 基于无线倾角传感器的基坑支护水平位移监测原理31-33
• 2.1.3 基于无线倾角传感器的盾构隧道衬砌变形监测原理33-38
• 2.2 无线倾角传感器监测系统研究38-47
• 2.2.1 无线倾角传感器的硬件设计38-43
• 2.2.2 无线倾角传感器的数据采集系统43-47
• 2.3 无线倾角传感器的精度标定测试47-50
• 2.3.1 测试方案47-48
• 2.3.2 测试结果分析48-50
• 2.4 本章小结50-52
• 第三章 无线监测传感器在地下工程中的环境适应性研究52-78
• 3.1 无线监测传感器通信协议52-59
• 3.1.1 无线通信协议类型52-53
• 3.1.2 地下工程无线监测通讯协议比选53-56
• 3.1.3 ZigBee通信技术在地下工程无线监测中的优势56-59
• 3.2 无线监测传感器的信号传输测试59-64
• 3.2.1 无线监测传感器的传输距离测试59-62
• 3.2.2 无线监测传感器的组网能力测试62-64
• 3.3 无线监测传感器的信道干扰测试64-70
• 3.3.1 无线通信信道干扰机理64-65
• 3.3.2 信道干扰测试方案65-67
• 3.3.3 信道干扰测试结果分析67-70
• 3.4 地铁隧道无线监测传感器的能量自供给研究70-77
• 3.4.1 地铁隧道管壁振动分析70-73
• 3.4.2 基于压电效应的地铁隧道无线监测传感器发电装置73-77
• 3.5 本章小结77-78
• 第四章 地下工程无线监测的布点优化研究78-98
• 4.1 基坑工程无线监测布点研究78-87
• 4.1.1 基坑工程典型支护结构水平位移数值模拟78-83
• 4.1.2 基坑工程无线监测传感器布点优化83-87
• 4.2 隧道工程无线监测布点优化87-95
• 4.2.1 盾构隧道衬砌结构变形数值计算分析87-92
• 4.2.2 盾构隧道无线监测传感器布点优化92-95
• 4.3 本章小结95-98
• 第五章 无线监测技术在地下工程中的应用98-120
• 5.1 无线监测技术在基坑工程中的应用98-106
• 5.1.1 东南大学九龙湖土木交通大楼基坑工程概况98-100
• 5.1.2 基坑工程支护结构变形数值计算分析100-105
• 5.1.3 无线监测与人工监测结果对比分析105-106
• 5.2 无线监测技术在隧道工程中的应用106-117
• 5.2.1 南京地铁四号线东流站至青龙站区间盾构隧道工程概况106-109
• 5.2.2 盾构隧道衬砌结构变形数值计算分析109-113
• 5.2.3 现场监测结果分析113-117
• 5.3 本章小结117-120
• 第六章 结论与展望120-124
• 6.1 主要结论120-122
• 6.2 本文的创新点122
• 6.3 存在的问题与展望122-124
• 致谢124-126
• 参考文献126-130
• 作者简介130

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