[發明專利]一種基于無線傳感網絡及多主體協作的結構健康監測系統

在審

• 申請號: 201610839461.7
• 申請日: 2016-09-22
• 公開（公告）號: CN107872468A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 孫紅兵;朱珠;俞阿龍;戴金橋;陳勇
• 申請（專利權）人: 淮陰師范學院
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04W84/18;G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及工程結構健康監測技術領域，具體是一種基于無線傳感網絡及多主體協作的結構健康監測系統。

背景技術

工程結構的健康監測技術近年來一直是一個研究的熱點方向。在航空航天領域，復合材料由于輕質、高強度、高模量，可提高飛機結構的效率，降低飛機結構重量系數，在飛機上的應用越來越多。目前國際上最先進的第四代戰機F22，樹脂基復合材料的用量己達到飛機結構重量的24%。總體而言，層合復合材料在減輕結構重量，提高承載能力和隱身等方面性能卓著，然而它在損傷、失效等方面的表現卻是機理復雜，現象多樣，判別困難。目前，在復合材料損傷的無損檢測手段中，還不具備實時在線大面積監測的功能，且大多數設備復雜，成本高，費工費時，從而限制了復合材料的應用范圍。在土木工程領域，重大工程結構，諸如跨江跨海的超大跨橋梁，用于大型體育賽事的超大跨空間結構，代表現代城市象征的超高層建筑，開發江河能源的大型水利工程，用于海洋油氣資源開發的大型海洋平臺結構以及核電站建筑等，它們的使用期長達幾十年、甚至上百年，環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等災害因素的禍合作用將不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下引發災難性的突發事故。上述這些問題都迫切需要結構健康監測技術來加以解決。結構健康監測是采用智能材料結構的新概念，利用集成在結構中的先進傳感/驅動元件網絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息(如應力、應變、溫度等)，結合先進的信息處理方法和復合材料力學建模方法，提取特征參數，識別結構的狀態，包括損傷，從而實現結構健康自診斷，以保證結構的安全和降低維修費用。

結構健康監測技術的研究已經歷了20多年的發展，雖然在多個領域取得了不少進展，但要真正將該技術實用化，還必須解決智能結構的大范圍集成問題。目前針對智能材料結構的研究，基本都在尺寸較小的試件上，在實驗室進行。研究中所采用的器件數量大都較少，需要決策的目標相對簡單，所需信號信息處理的運算量不大，需要傳輸的信息也較少，一些管理和協調的功能基本還不需要。作為一種原理性研究，這些方法是可行的。但如果針對實際工程應用對象，智能結構技術在應用時的情況就要復雜、困難得多。由于所要監測的結構不再是很小的試驗件，因此所需的結構傳感器件的數目、所需決策對象的復雜性都將大大增加，隨之所帶來的是結構健康監測網絡的復雜程度、用于信號信息處理的運算量、需要通信、傳輸的信息量、系統各部分之間的管理、協調需求及監測網絡所需消耗的能量等的急劇增加。這些問題限制了結構健康監測技術的發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于無線傳感網絡及多主體協作的結構健康監測系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于無線傳感網絡及多主體協作的結構健康監測系統，包括中央管理層和局部監測層，中央管理層與局部監測層之間通過網關相連；所述局部監測層包括多個局部監測單元，且每個局部監測單元均通過Sink節點無線連接至網關；所述局部監測單元由多個監測子單元組成，監測子單元均無線連接至Sink節點，監測子單元包括傳感主體、數據處理主體、損傷評估主體和無線收發主體，所述損傷評估主體經無線收發主體通訊連接至Sink節點；所述中央管理層包括信息融合主體、中央協調主體和用戶接口主體，所述網關無線通訊連接至信息融合主體和中央協調主體，信息融合主體和中央協調主體均通信連接至用戶接口主體。

作為本發明進一步的方案：所述傳感主體包括加速度傳感器、電阻應變片、位移傳感器和壓力傳感器，所述傳感主體還包括調理模塊，加速度傳感器、電阻應變片、位移傳感器和壓力傳感器均通過調理模塊連接至數據處理主體。

作為本發明再進一步的方案：所述數據處理主體包括微處理器和存儲器，數據處理主體連接至損傷評估主體，所述局部監測單元還包括數據庫，損傷評估主體通訊連接至數據庫，微處理器用于對獲取的數據進行處理并將處理結果發送至損傷評估主體，損傷評估主體根據數據處理結果并調用數據庫中的數據信息以對損傷狀況進行評估。

作為本發明再進一步的方案：所述微處理器為8051微處理器。

作為本發明再進一步的方案：所述無線收發模塊采用CC2530芯片。

作為本發明再進一步的方案：所述監測子單元還包括電源模塊，電源模塊分別電性連接傳感主體、數據處理主體、損傷評估主體和無線收發主體。

作為本發明再進一步的方案：所述微處理器包括波形特征處理主體、傅立葉處理主體、小波處理主體、濾波及滑動平均處理主體、統計特征處理主體和結構模態參數處理主體。