桥梁结构监测的全功能无线传感系统设计

发布时间：2017-06-29 21:11

  本文关键词：桥梁结构监测的全功能无线传感系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型桥梁在基础设施建设和国民经济发展中起着重要作用,桥梁的安全状况也受到了人们的广泛关注。由于长期承受荷载的作用及饱受自然环境的影响,桥梁容易出现结构损伤、局部应力过大等状况。这些状况最终会影响桥梁的安全。因此监测桥梁结构并及时评估桥梁的安全状况在保证人们生命财产安全方面具有重要意义。在桥梁结构监测中,通常需要监测桥梁的多种信息如桥面的振动、局部结构应力、斜拉索或悬索的索力、桥梁的倾角变化及桥梁工作的环境因素等,才能综合地监测和评估桥梁的安全状况。基于此,本文研制了能够同时监测桥梁多种关键信息的全功能无线传感系统。首先,分析了现有无线桥梁结构监测系统所存在的问题,介绍了无线桥梁结构监测的原理,并在无线传感器网络拓扑结构的基础上,设计了整个系统的架构。其次,详细阐述了传感器节点的模块化设计,包括传感单元、信号调理单元、微处理单元、存储单元、无线通信单元及电源管理单元；实现了节点的嵌入式软件设计,包括通信协议和主程序软件流程图：并给出了数据采集管理系统的设计。再次,阐明了时间同步对于保证桥梁结构监测中数据分析的有效性具有非常重要的作用,时间同步的研究是本课题的重点研究内容之一；分析了无线传感器网络中经典的时间同步算法TPSN,提出了一种改进型的时间同步算法LP-TPSN,并完成了仿真验证,仿真结果表明改进的算法显著减少了时间同步过程中的能量开销。最后,进行了传感器标定实验和实际桥梁工程测试实验。研究表明,基于无线传感器网络技术研制的全功能无线传感系统能够时实、快速、方便的监测桥梁结构的多种关键信息,可以为评估桥梁的安全状况提供全面可靠的依据,在桥梁结构监测领域具有很好的应用前景和实用价值。
【关键词】：大型桥梁 结构监测 全功能 无线传感器网络 时间同步
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U446;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 背景9-12
• 1.1.1 桥梁结构监测的重要性9-11
• 1.1.2 桥梁结构监测的发展现状11-12
• 1.2 无线传感器网络在桥梁结构监测中的应用12-13
• 1.3 现有无线桥梁结构监测系统存在的问题分析13-14
• 1.3.1 传感器节点监测信息的单一性13
• 1.3.2 传感器节点能源的有限性13
• 1.3.3 传感器网络时间同步性13-14
• 1.4 桥梁结构监测的全功能无线传感系统设计意义14
• 1.5 本课题主要研究内容14-16
• 2 桥梁结构监测的全功能无线传感系统整体设计16-22
• 2.1 无线桥梁结构监测的原理16-17
• 2.1.1 无线桥梁结构监测系统的组成16
• 2.1.2 无线桥梁结构监测系统的关键技术16-17
• 2.2 桥梁结构监测的全功能无线传感系统的架构17-21
• 2.2.1 基本的网络拓扑结构17-19
• 2.2.2 全功能无线传感系统的组网19-20
• 2.2.3 无线桥梁结构监测系统的架构20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 3 系统的硬件及软件设计22-44
• 3.1 全功能无线传感器节点硬件设计22-37
• 3.1.1 传感器单元及接口电路22-30
• 3.1.2 微处理单元及时钟电路30-32
• 3.1.3 存储单元32-33
• 3.1.4 无线通信单元33-35
• 3.1.5 能源管理单元35-36
• 3.1.6 无线节点的性能指标及封装36-37
• 3.2 系统软件设计37-43
• 3.2.1 嵌入式软件设计37-38
• 3.2.2 数据采集管理系统38-43
• 3.3 本章小结43-44
• 4 时间同步算法LP-TPSN44-57
• 4.1 时间同步简介44
• 4.2 TPSN算法的介绍44-47
• 4.2.1 TPSN算法的原理44-46
• 4.2.2 TPSN算法的改进及研究现状46-47
• 4.3 LP-TPSN算法47-50
• 4.3.1 LP-TPSN算法提出的依据47-48
• 4.3.2 LP-TPSN算法的原理48-50
• 4.4 算法的建模及仿真50-52
• 4.5 仿真结果及分析52-56
• 4.6 本章小结56-57
• 5 无线监测系统的实验验证及分析57-73
• 5.1 MEMS传感器及应变计的标定实验57-63
• 5.1.1 MEMS加速度传感器的标定实验57-60
• 5.1.2 应变传感器单元的等强度梁应变测试60-63
• 5.2 实际桥梁测试实验63-72
• 5.2.1 大连金州湾大桥的桥面及斜拉索测试63-66
• 5.2.2 舟山金塘大桥的斜拉索测试66-69
• 5.2.3 厦门海沧大桥的桥面测试69-72
• 5.3 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

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