调查结构健康监测的无线传感器网络

文摘

无线传感器网络(网络)是一种最能技术在结构健康监测(SHM)领域。通过智能、自组织手段,本文的内容将测试各种不同的对象和不同的传感器节点连接成一个网络工作原理和综合数据处理功能。在WSN应用于本文的关键问题,探讨了单孔位微吹气扰动,包括集成不同类型的传感器与不同的操作模式,采样频率,传输带宽的问题,实时能力,和无线发射机的频率。此外,拓扑数据融合、集成节能,自备性质不同的系统将进行调查。FP7项目之下”健康监测海上风力发电场,”上述问题探讨。

1。背景

无线传感器网络(网络)被认为是21世纪最重要的技术之一,它将产生深刻的影响人类未来的生活方式。一个典型的无线传感器网络由无线通信、数据采集、处理和融合阶段。传感器节点通过一个特定的协议,并能够自我组织获取周围环境的信息,共同努力来完成特定的任务。技术涉及到许多领域,如无线通信、网络技术、集成电路、传感器技术、微机电系统(MEMS)和嵌入式系统,等等。图1(一)说明了典型的传感器网络的基本架构,和图1 (b)显示了典型的传感器网络节点的硬件。2003年2月,“技术审查,”杂志发表在美国,选择十深远影响的新兴技术,传感器网络是排在第一位。美国国防部给高优先级无线传感器网络,把它作为一个重要的研究领域,建立一系列的军事研究项目。英特尔、微软和其他公司也进行了一些研究。

不仅工业和国防组织已经表现出了极大的兴趣在无线传感器网络中,加州大学洛杉矶分校等世界一流大学,麻省理工学院,康奈尔大学和加州大学伯克利分校(1)也进行研究基础上,取得了一些结果。加州大学伯克利分校提供网络连接重建方法,传感器的位置,根据相关数据的编码模式,以确定传感器网络节点的位置;他们还开发了一种传感器操作系统,TinyOS。麻省理工学院的研究了传感器网络的数据流管理系统集成框架、查询优化、网络拥塞控制节能的目的,以及中间件技术,如定位、跟踪、网络、大型传感器网络和可扩展的算法。这些研究获得国家科学基金会,美国国防部高级研究计划局和空军空间实验室的支持。无线个域网联盟和IEEE还开发了中国版的标准IEEE 802.15.4c [2]。

在过去的几年里进一步发展后,一些无线传感器网络的应用已经变成产品。如今的WSN研究平台已经开发成功,如加州大学伯克利分校TinyOS /云母,智能尘埃和PicoRadio平台。无线个域网联盟伙伴英维思集团,三菱电机,钛、摩托罗拉、飞利浦和其他20多个半导体公司。同时,IEEE还开发了IEEE802.15.4标准和建立了大量的演示系统。弩已经开发了一系列模块和产品基于ZigBee协议和TinyOS,可以用来形成一个网络。TI也开发了一些解决方案基于ICs CC2431等嵌入无线个域网协议的MAC层和物理层并提供发展包含完整的ZigBee协议栈的软件和固件(3]。

结构健康监测(SHM)是一个典型的区域在无线传感器网络的许多可能的应用程序。单孔位微吹气扰动是一个新兴的研究领域,专注于基础设施领域(4,5),主要的集成和应用传感器、信号处理和通信技术。也集中在复杂工程系统和基础设施,以防止结构破坏和灾难,如监测的桥梁、大型建筑、大坝。可能的SHM应用之一是风力发电监测系统的说明了欧盟科技重点项目FP7“离岸风力发电场的健康监控之下。“到2020年,中国风力发电容量将达到1.5亿千瓦6],无损检测(NDT)和单孔位微吹气扰动是有用的方法来降低风力发电的维护成本,延长寿命的基础设施,以确保电力供应的安全性。如图2,该项目旨在分析风力发电系统和开发智能传感器网络和单孔位微吹气扰动技术的风力涡轮叶片、齿轮箱、发电机、电力电子和其他结构组件。在这个项目中,一个完整的风力发电系统健康分析、生命周期评估,故障诊断,维修管理计划,规划和调度系统提供了完整的风力发电系统,包括设计,生产,安装,维护,和供应链反馈。

节2,关键问题在实现了网络的SHM的风力发电系统将识别和讨论。

2。无线传感器网络的关键问题与结构健康监测相结合

简要地讨论了在部分1开发这样一个单孔位微吹气扰动系统的关键问题,结合基础上总结如下:不同的传感器之间的兼容性的问题,其采样频率,和操作模式,传输带宽和实时能力差异的问题,选择一个无线传输频率、拓扑结构选择,数据融合方法,和能源消费之间的对比要求不同的应用程序的每个不同的设备。下面将详细讨论每个问题。

2.1。采样频率和操作模式

在结构健康监测领域,各种类型的传感器,包括,但不限于,电阻应变,压电振动、光纤应变、倾角、声发射、压力测量传感器(7]。每一个传感器都有不同的物理机制,因此应以不同的方式运作;给出一些例子如下。(1)信号的应变、变形和倾角是静态或低频率,和他们通常工作在低采样频率。例如,一些应变测试信号的采样频率低于1 Hz。请求的可能性数据处理和实时传输很低。(2)振动传感器通常测量对象的水平振动的范围可以从几十赫兹到数百千赫。因此,有一个更大的需求从系统的采样频率,数据处理和传输。添加需要同步的系统添加了一个额外的负担。(3)涡流、脉冲漏磁和其他无损检测传感器用于监测的关键部件,在信号采样的频率超过几百赫兹。除了这个要求传感器网络节点的数据处理和分析能力是非常高的。(4)成像传感器要求传感器网络节点有能力进行高速数据传输。他们还要求传感器网络节点有一定的解码和图像处理的能力。

作为结构健康监测系统是一个复杂的任务,包括很多物理和电气故障的监测在不同组件,他们需要各种传感器一起工作。传感器网络采样频率的选择,从几赫兹到几数百千赫,工作模式,选择时必须考虑每个节点的兼容性。

2.2。传输带宽和实时监控

一般来说,低成本和低功耗的要求,方案的设计主要用于低带宽和非/ nonurgent实时应用程序,如表所示1。单孔位微吹气扰动等应用程序,设计基于低带宽和非实时系统只能应用于应变变形或倾斜监测,它只需要慢变信号传感和传播。振动测量的数据以及那些造成图像采集要求更高的传输带宽。除此之外,对于一些报警传输实时要求高,如从脉冲涡流测量节点(可以接收前兆信息的突然出现裂纹),特殊考虑对实时网络传输需要。

除了物理系统的通信和处理能力,协议,尤其是MAC协议,影响网络通信的实时能力和传输带宽8,9]。MAC技术通常包括两个不同的机制,竞争性和非竞争性机制。竞争MAC机制,与避碰载波监听多路访问(CSMA / CA)是最常用的。分布式的MAC层协议,基于CSMA / CA协议,使用一个睡眠周期的机制来限制能源消耗。但一个更大的网络延时产生的系统需要从一个睡眠周期醒来之前的数据可以首先被发送给它,然后开始传播。此外,麦迪(MAC)协议传输的所有数据通过一个变长突然传输和睡在两个突然传输,以减少多余的检测。

非竞争性的MAC协议通常用于基于集群的网络。簇头负责分配时间槽内的所有传感器节点集群,收集和处理由传感器节点发送的数据在一个集群中,并到水槽节点转发数据。

在这个项目中,我们使用一个MAC机制,这是两者的结合竞争性和非竞争性的方法,这是常见的做法在传感器网络技术。这方面的一个例子是在无线个域网,见图3,允许住宿的多种多样的应用需求不同网络的节点数量和不同的实时需求。

虽然最常见的网络对于低带宽的应用程序,技术的发展和更加多样化的要求传感技术和更多的应用程序的各种信息acquisition-especially采集大量数据,如振动和图像数据的带宽要求传感器网络扩大,管理模式要求越来越严格。

2.3。同步

在结构健康监测中,有许多需求关于同步和实时数据采集的振动信息,它们分布在不同部分的安装。是特别重要的桥梁结构的振动模型分析,结构稳定,和生活评估,其中包含大量的传感器节点分布在不同位置,不同的拓扑结构。由节点必须同步采样的信号;否则会有不正确的信息组合在一起(由于样本来自不同时期)的振动阶段,导致一个不正确的判断振动模型。在应用程序中采样频率通常超过1 KHz,传感器节点的延迟同步通常需要小于1μ年代。这导致更高要求的单孔位微吹气扰动WSN的同步。

2.4。操作频率

无线载波频率直接影响网络的物理层传输的可访问性,扮演着重要的角色在结构健康监测中的应用。运营商的2.4 GHz和868 MHz和915 MHz内部根据IEEE 802.15.4无线个域网联盟标准提供服务列在表中1。通过建筑的渗透能力在这些频率是可以接受的,但衍射特征相对较差。当一个建筑的内部结构正在测试中,使用无线个域网的性能是由于贫困渗透。相比之下,433 MHz的ISM波段,这是广泛应用于等领域自动化仪表读数(AMR),取得了较好的结果。此外,470 MHz的频率乐队已经选择的仪器和传感器网络在中国特殊的频带。

AMR等应用的使用频率可以参考比较,分类,和标准化的载频WSN在单孔位微吹气扰动。

2.5。拓扑和数据融合

网络需要不同的拓扑结构来满足不同应用的需要单孔位微吹气扰动的特征。典型的拓扑结构包括明星、集群树和网状网络(9]。以无线个域网网络为例,如图4,节点由一个减少功能设备(RFD)和一个完整的功能设备(FFD)。ZigBee标准支持上述的三种拓扑结构(10,11]。

FP7项目之下前面所提到的,“海上风力发电场的健康监测项目团队三个不同拓扑的特点相比,我们可以看到在桌子上2。

在我们的实际应用中,星形网络用于变形监测低速,nontimely应用程序。除了上述三种形式,链结构(简化网格)和链式结构的组合和提到的三个方法已经成为一种常用的拓扑结构。

2.6。能源问题

WSN节点SHM很多应用程序的环境中工作直接电源不可用,如节点位于风力发电叶片旋转。因此,任何提高单个节点的一生中通过使用低功耗技术在应用程序的基础是一个主要的问题。影响因素对节点和整个网络的生命周期包括以下。

(1)传感系统的工作原理和模式
许多传感器,采用不同的物理原理来检测菌株的不同现象,振动、倾斜、裂缝、采样频率、工作模式,工作能耗有着非常不同的工作原理。电阻应变传感器操作当前需求范围从约200 ~ 400 uA,而脉冲涡流传感器需要励磁电流的1或更多。低速、低实时检测通常运行在一个更大的工作周期,通常由连续采样测量和振动信号。每个传感系统的工作模式有决定性影响整个网络的能耗。

(2)节点的低功耗和休眠唤醒机制
每个节点都使用自己的技术来实现低功耗,同时确保监视应用程序。这必须通过工作/睡眠模式和低工作周期(12]。目前低功率节点的休眠模式降低了电流消耗1 uA。一般来说,为低速无线个域网节点设计和实时应用程序可以运行在一段时间内6个月至2年,由一个AAA电池电力供应。在SHM应用,如应变测试,工作周期通常是低,所以节点的生命很长。

(3)网络协议和计算能力的影响
硬件的计算能力要求和节点本身会直接影响节点的功能。低功耗需求经常冲突的处理协议的WSN,其安全的计算能力,等等。每个函数的基础上,如self-organisability、适应性、信号采样、和信息融合,需要能源消耗。如何确保上述方面的性能条件下的低功耗一直是一个传感器网络最重要的问题。
此外,合理的网络协议也将发挥增强作用在整个网络的可靠性。例如,在一个树结构,基于剩余的节点能量消耗,关键节点(如树的根节点和集线器)依次选择。这种方法大大提高了系统的可靠性。

(4)自备能力的节点
目前,倾向绿色节能技术开发、self-power-generation技术支持节点的使用已成为一个研究热点。典型的自己生殖技术包括太阳能技术、振动和风力发电基于电磁感应的原理,振动产生压电效应的原理基础上,静电收集技术,基于温度效应和热电技术(13- - - - - -16]。其中,无线个域网自己生殖节点融合且系统。
在一些SHM应用,振动测量的对象以及潜在的电源,如汽车和桥梁的振动或自旋叶片的风力发电场。在其它情况下有一个大范围的太阳能或温度变化,特别是在中国的西部,建立大规模风力发电场。

3所示。结论

无线传感器网络的支撑技术之一在结构健康监测。通过智能、自组织手段,他们连接传感器节点,与各种不同的测试对象和工作原理以及数据处理功能和网络集成。结构健康监测是一个融合的领域,各种传感器和信息处理技术。采样频率、操作模式不同的传感器,它们各自的传输带宽,并实时监控包括干扰,无线操作频率问题,拓扑结构,数据集成,能源问题已经提出的关键部件设计时,需要仔细考虑无线传感器网络。FP7项目HEMOW之下,“健康监控的海上风电场,”我们的国际财团包括研究团队来自中国、印度、波兰和英国将详细地解决上面的问题在接下来的几年里。

确认

本文的研究支持FP7项目之下“HEMOW,”中国国家科学基金会(50907032 / E070104)、江苏(SBE200900338)技术的关键项目,和博士项目基金会中国教育部(20093218120019)。

引用

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