论文总字数：21061字

摘 要

设计结构损伤监测系统对保障结构的安全、提高其寿命，具有重要的社会意义和显著的经济价值。本文针对结构损伤监测所需要的无线传感网络特性进行了分析：首先，介绍了无线传感网络的发展，分析并总结了目前国内外应用于损伤监测的无线监测传感网络研究进展；其次，介绍了基于WSN的结构损伤监测系统的总体设计，并重点阐述了损伤监测系统的3种传感器(应变、温度、加速度)的选择及其电路设计；然后，针对监测需要，设计了适用于本系统的软件模块；最后，对论文的工作进行总结。

关键词：结构损伤，无线传感网络，应变，温度，加速度

Abstract:It has important social significance and significant economic value to design the structural damage monitoring system because it can ensure the safety of structures and improve their life. In this paper, it analyses the characteristics of the wireless sensor network which needs to monitor structural damage. First of all, this paper introduces the development of wireless sensor network, analyses and summarizes the research progress of the wireless sensor network monitoring at home and abroad applied to damage monitoring. Secondly, this paper proposes the scheme of designing structural damage monitoring system which is based on WSN. Thirdly, this paper focuses on the the selection and circuit design of three kinds of sensors(strain, temperature , accelerated speed) of the structural damage monitoring system. Then, for monitoring needs, this paper designs the software module which is applied to this system. Finally , the work of this thesis is summarized.

Key words: structural damage, wireless sensor network, strain, temperature, accelerated speed

目 录

1 绪论 0

1.1 课题的研究意义 0

1.2 无线传感器网络研究背景以及发展现状 0

1.2.1 无线传感网络概述 0

1.2.2 结构损伤监测的国内外发展现状 0

1.3 课题的研究内容 0

1.4 论文的结构组织 0

2 结构损伤监测系统总体设计 0

2.1 系统设计原则及关键技术 0

2.1.1 系统设计原则 0

2.1.2 系统需解决的关键技术 0

2.2 系统的总体设计 0

2.2.1 系统总体结构介绍 0

3 硬件电路设计 0

3.1 加速度传感节点设计 0

3.2 应变传感节点设计 0

3.3 温度传感器节点设计 0

3.3.1 温度传感器简介 0

3.3.2 电路设计 0

3.4 无线网关的设计 0

3.4.1 数据采集网络拓扑结构设计 0

3.4.2 无线网关的设计 0

4 系统的软件设计 0

4.1数据帧格式 0

4.2 串口通信帧格式 0

4.3 数据存储处理 0

4.4 CC2530上层程序设计 0

4.5 系统工作流程 0

结论 0

参考文献 0

致 谢 0

1 绪论

1.1 课题的研究意义

结构损伤监测系统的主要功能是实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定。该监测系统依靠网络技术，利用集成在结构各个部位中的传感器/驱动元件网络，在线实时获取如应力、应变、温度、震动模态等与结构健康状况相关的信息对进行测量计算，通过先进的信号处理方法和结构力学建模方法，提取特征参数，及时反映整个建筑的“健康”状况并对可能发生的损伤进行识别。建立一个完善的自动化结构损伤监测系统渐渐成为目前学术和工程界的研究热点之一^[1]。

损伤识别是进行结构损伤监测的基础，目前有关研究大致可以分为两类：基于模态模型的解析方法和基于神经网络技术的非线性映射法^[2]。基于模态模型的解析方法的进一步研究是结构动力学理论的直接进展，通常情况下需要建立计算模型，才能利用参数在结构损伤前后的变化来推断结构的损伤状况，其评估精度在某种程度上依赖于结构的计算模型的准确性。然而要对实际结构建立精确的分析模型并非易事，导致许多已有的损伤识别方法无法广泛应用于实际^[3]。无线传感网络（WSN）经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 所以，基于WSN的结构损伤识别是一种很有潜力的方法。

1.2 无线传感器网络研究背景以及发展现状

1.2.1 无线传感网络概述

无线传感网络(Wireless Sensor Network)是由大量无线传感器组成的具备自组织和多跳特性的无线网络，无线传感器相互问协同感知、采集、传输和处理被测区域的信息并发送给用户^[4]。它具有自组网、多跳、动态拓扑等优点，被广泛应用于军事、工业、农业、医疗、楼宇自动化等领域^[5]。

随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末期，美国首先出现无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图1-1为WSN基本结构。

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