【摘 要】
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近年来,无线传感器网络凭借其灵活性强、布置简单等特点,在结构监测领域引起了国内外广泛关注。通常情况下,结构损伤监测所产生的数据量十分庞大,无线传感器网络传输数据时容易产生吞吐量不足、访问冲突等瓶颈问题,使得诊断结果往往伴随着较大偏差,无法直观反映出损伤的具体位置。针对上述问题,本文以面向结构监测的无线传感器网络及损伤诊断方法为研究方向,依据分布式采集、无线传输、终端处理的设计原则,从网络拓扑结构、
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近年来,无线传感器网络凭借其灵活性强、布置简单等特点,在结构监测领域引起了国内外广泛关注。通常情况下,结构损伤监测所产生的数据量十分庞大,无线传感器网络传输数据时容易产生吞吐量不足、访问冲突等瓶颈问题,使得诊断结果往往伴随着较大偏差,无法直观反映出损伤的具体位置。针对上述问题,本文以面向结构监测的无线传感器网络及损伤诊断方法为研究方向,依据分布式采集、无线传输、终端处理的设计原则,从网络拓扑结构、无线通信协议、节点设计以及损伤诊断算法四个方面对系统展开了分析,具体研究内容如下:论文首先提出了无线结构损伤监测模型,围绕无线传感器网络的吞吐量、健壮性、同步性等关键问题,设计了双信道分簇网络拓扑结构,并在其基础上研究了基于时分复用的数据传输机制与较为灵活的时间同步算法,采用双信道TDMA时分多址,实现了节点的协同工作与高效传输。在实验部分中,对时间同步与网络传输效果进行测试,其结果表明结构损伤监测网络在单信道模式与双信道模式下均具有良好的数据传输特性,时间同步误差、吞吐量、丢包率等性能指标均满足设计要求。针对结构损伤监测的无线传感器网络节点,本文设计了节点的硬件电路和软件程序,采用FPGA+CC2630的传感器节点方案,实现了导波信号激励、响应信号采集以及无线发送等功能。同时,采用双CC2630射频芯片框架搭建基站节点,建立了双信道分簇网络,通过基站节点的中转与管理功能保证了上下层网络的正常运行。针对分布式损伤定位中存在的精度问题,本文研究了基于节点协作的结构损伤诊断方法,并对节点监测方案进行设计,介绍了损伤特征信号的移动均值滤波、窗函数以及希尔伯特变换处理过程。在定位诊断中,引入损伤二维位置坐标,并详细分析了系统误差的来源,围绕损伤定位精度较低、随机误差较大等问题,在传统圆弧轨迹定位法的基础上进行了改进与优化,采用一种融合成像算法,通过叠加多组监测数据弱化诊断结果中随机误差的干扰,从而实现损伤位置的聚焦。最后在实验部分,对铝板结构中存在的穿孔损伤进行诊断,验证了算法的可行性与网络的可靠性。
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