CN100596243C - 基于智能无线传感网络的结构强度测试系统及其可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，包括监控终端、布置在待测试结构中的强度测试传感器阵列，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线传感网络传输，依次经无线路由节点、无线基站节点传输至监控终端。同时涉及该系统进行通信和数据采集、可视化的方法。克服了现有结构强度试验系统引线复杂、附加重量大，智能化、网络化程度不高等问题，能够有效地减少静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度，实现结构试验数据的实时、同步的采集、传输、显示和存储，并具有智能化、高效率和低费用的特点。

Description

基于智能无线传感网络的结构强度测试系统及其可视化方法

一、技术领域

本发明涉及一种结构强度测试系统，尤其涉及一种基于智能无线传感网络技术的结构强度多点测试系统，同时涉及对该系统进行可视化的方法。

二、背景技术

结构强度试验是研究工程结构强度的重要手段。结构的静力/疲劳实验通过有计划地对结构受载后的性能进行观测和对测量参数如压力、位移、振幅、振频、疲劳寿命等进行分析，对结构的工作性能和承载能力做出正确的评价和估计，并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。以飞机结构为例，机身结构疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机事故的三种主要模式。据国外资料统计，飞机由结构引发的故障，80％以上是由疲劳失效引起的。因此，结构强度试验对于提高工程结构的安全性、延长结构寿命、降低结构维护费用具有重要的意义。

目前针对航空结构和其他大型工程结构的静力/疲劳实验普遍存在测量点多、规模大等特点，如一次全机结构静力/疲劳试验往往需要几百甚至几千个测试点和传感器布置，因此造成了引线复杂、测试设备附加重量大等问题；此外，试验系统整体的智能化、网络化程度不高，使得静力疲劳试验的测试及其维护效率不高，测量精度有待改进，费用有待降低，因此迫切需要降低附加重量、提高系统运行速度及精度的有效方法。

智能无线传感网络是由大量依据特定的通讯协议，可进行相互通信的智能无线传感器节点组成的网络。这些智能传感器节点包含了传感、计算和通信模块，能够互相协同自组织形成网络，并且通过特定的网络技术将采集的信息进行处理与融合后发送给用户。智能无线传感网络技术的发展主要得益于当前的微机械系统、无线通信技术和数字电子技术的发展。这些技术的进展使得低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感器节点的开发及其网络协议的实现成为可能。

智能无线传感网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的结构静力/疲劳试验系统提供了很好的手段。采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量，从而大大降低由于增加测试系统所导致的结构重量的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状比较复杂，不便于引线的部位；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高试验测试系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。

目前没有能够满足结构强度试验测试系统实时、同步和多测试点智能监测要求的无线传感网络技术的相关专利。本发明将智能无线传感网络用于大型工程结构的静力/疲劳试验，克服了目前试验测试系统引线复杂、附加重量大，智能化、网络化程度不高等问题，提供了一种基于智能无线传感网络的结构强度多点测试系统，能够有效地减少静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度，实现结构试验数据的实时、同步的采集、传输、显示和存储，具有智能化、高效率和低费用的特点，可同时监测多达65535个网络节点。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的问题是提供一种基于智能无线传感网络的结构强度多点测试系统，该系统不需要事先布置网络基础设施，满足多点、实时和同步的测试要求，测试过程完全由用户控制，并同步配合结构加载系统使用。同时提供该测试系统在应用中进行可视化的方法。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于智能无线传感网络的结构强度多点测试系统包括监控终端和布置在待测试结构中的强度测试传感器阵列，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线传感终端节点采集传感器阵列经外界结构强度试验加载系统驱动而产生的结构响应信号并依次经无线路由节点和无线基站节点传输至监控终端。

所述的无线传感终端节点包括无线应变、位移传感终端节点和无线加速度传感终端节点。

无线传感终端节点与充当协调器的无线路由节点以星型拓扑结构组成同步簇，同步簇与无线路由节点、无线基站节点和监控终端构成低延时星簇型无线试验网络；采用基于时隙的免冲突载波多路接入方式的网络通信协议，通过信标方式和保证时隙完成低延时星簇型无线试验网络中星型簇的时间同步。

无线传感终端节点、无线路由节点、无线基站节点和监控终端共同组成的低延时星簇型无线试验网络即Low-latency Cluster-star Wireless Testing Network，简称为LCWTN；监控终端与结构强度试验加载系统同步并由结构强度试验加载系统启动；无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线网络传输至监控终端；

实践中，待测试结构体积很大，需要被划分为至少两个测试结构单元，每个测试结构单元对应的一组无线传感终端节点和单一的协调器节点以星型拓扑结构组成一个同步簇，所有的监测结构对应的网络簇、无线路由节点、无线基站节点和监控终端构成低延时星簇型试验网络；

其中，传感器阵列由设置在待监测结构中的温度、加速度、应力、应变和位移等传感器组成；

所述的无线应变传感终端节点包括低功耗应变、位移信号调零放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元，低功耗应变、位移信号调零放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯；

无线应变、位移传感终端节点属于低速传感器，应变、位移信号调零放大模块部分通过精密电源供电的桥路将应变和位移转换为电压信号输出，经过桥路调零放大输出到多路扫查与ADC模块；

所述的无线加速度传感终端节点包括低功耗加速度信号电荷放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元，低功耗加速度信号电荷放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯。

无线加速度传感终端节点属于高速传感器，对加速度信号的处理采用高速电荷放大器。高精度加速度传感器基于压电效应，一般工作在高频状态(几百千赫兹以上)，因此其信号调理部分主要由微型高速电荷放大器组成，将加速度传感器的电荷输出转化为电压量；在其高频工作状态下，由于电磁耦合效益，容易造成微型加速度节点上密集布置的电路之间发生相互干扰耦合，造成监测信号的畸变，因此本发明采用高速放大器芯片和多层板抗干扰设计，使得高速加速度传感节点的频带达到为1.6KHz-5.3MHz。

各无线传感终端节点中，微处理单元由单一的微控制器、存储器及其外围电路模块组成，用于分时处理操作请求和通信协议，微控制器、存储器及其外围电路模块均采用现有的低功耗集成芯片设计。无线通信单元由低功耗无线收发模块组成，根据系统任务状态实现全功能、简化功能和低功耗模式的快速转换，本发明采用Zigbee技术，基于标准的IEEE 802.15.4协议设计无线通信模块，采用现有的支持Zigbee标准的芯片设计。此外，各无线终端传感节点由电池供电，由电源管理模块负责监测电池电压和低功耗模式管理等，采用现有的低功耗电源管理模块芯片设计。

无线路由节点包括无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元和无线路由电源管理单元，无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元通过无线路由内部总线相互连接进行通讯。无线路由节点实现传感数据融合、处理和转发等功能，其任务是发布结构强度测试任务、转发各无线传感终端节点的测试数据。

无线基站节点包括无线基站接口转换单元、无线基站微处理单元、无线基站无线通信单元和无线基站电源管理单元，其中，无线基站接口转换单元、无线基站微处理单元、无线基站无线通信单元通过无线基站内部总线相互连接进行通讯。无线基站节点实现与用户监控和加载控制系统集成、网络数据存储和网络监控，发布网络同步任务、结构强度测试任务、集中和存储各无线传感终端节点的测试数据。

无线传感终端节点、无线路由节点、无线基站节点的子模块都采用现有的集成低功耗芯片。

本发明的基于智能无线传感网络的结构强度多点测试系统在工作时需要进行智能无线传感网络的实时通信和数据采集，其以结构强度试验中网络实时性和时间同步为目标，以标准的IEEE 802.15.4协议建立星型网络拓扑；为避免多个无线传感节点向主设备节点发送数据可能导致的网络拥塞，网络布置和初始化结束后采用有时隙的免冲突载波多路接入(CSMA-CA)方式设计网络通信过程，将Zigbee信道划分为时间帧和时隙，在星型网络中以主协调器为信标节点，使得各传感节点在满足时间同步的同时能够互不干扰的将试验数据发送到主设备节点即无线基站节点。具体包括下列步骤：

第一步骤：根据智能无线传感网络实时性和时间同步的目标进行基于低延时星簇型无线试验网络的试验结构划分，确定需要建立的同步星型簇的个数；

第二步骤：进行低延时星簇型无线试验网络布置及初始化；

第三步骤：采用有时隙的免冲突载波多路接入方式设计网络通信过程，将信道划分为时间帧和时隙，采用信标方式和保证时隙完成低延时星簇型无线试验网络中星型簇的时间同步；

第四步骤：以第二步骤布置的低延时星簇型无线试验网络中的协调器节点为信标节点；所述的协调器节点进行低延时星簇型无线试验网络的时间同步、测试任务发布和测试数据转发，包括无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元和无线路由电源管理单元，无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元通过无线路由内部总线相互连接进行通讯；

第五步骤：智能无线传感网络中的无线传感终端节点将采集的数据通过第四步骤中设立的信标节点在满足时间同步的同时发送至主设备节点即无线基站节点；

第六步骤：与无线基站节点相连接的监控终端实时完成数据有效性判别、存储和显示，完成网络的通信和数据采集。

具体应用时，首先针对结构进行智能无线传感网格的布置和初始化，主要包括下列内容：

第一步骤：将无线路由节点布置在待测试结构附近，设置成为一个协调器节点，并自身设置为一个簇标识符为i(i＝0...n)的簇头；

第二步骤：无线路由节点向邻近的用于监测结构响应的无线传感终端节点以广播的方式发送信标帧，形成主要的同步星型簇；

第三步骤：当无线传感终端节点接受到信标帧后以最小的信号发射功率发送加入星型簇请求；

第四步骤：如果没有信号返回则增加发射功率直至得到允许加入星型簇的请求；

第五步骤：重复进行第二步骤至第四步骤，所有的无线传感终端节点接受到信标帧后按照分配的时隙先后进行请求并加入该网络中；

第六步骤：作为协调器节点的从设备，各无线传感终端节点将其作为父节点加入到各自的网络邻近表中；

第七步骤：根据确定的同步星型簇的个数，重复第一步骤至第六步骤，建立其他同步星型簇(簇标识符为i+1，(i＝0...n))；最后按照强度试验结构和试验系统用户控制端的距离布置尽可能少的无线路由节点以多跳的方式转发试验数据。

本发明的基于智能无线传感网络的结构强度测试系统的可视化方法包括下列步骤：

第一步骤：进行网络布置和初始化；

第二步骤：启动监控进程，即向智能无线传感网络发送读取网络邻近表操作，读取网络通过智能无线传感网络中的无线基站节点向主机发送的网络邻近表；

第三步骤：监控进程根据网络邻近表信息可视化显示智能无线传感网络中各网络节点的分布、网络拓扑；

第四步骤：结构强度试验加载系统启动试验控制进程和试验加载命令，基于智能无线传感网络的结构强度测试系统通过无线基站节点向智能无线传感网络发布试验数据采集和传输命令；

第五步骤：监控终端读取无线基站节点的数据，并绘制结构参数随时间变化的二维分布图，同时完成数据转换，实时显示结构性能数据随结构加载的变化，并自动实现记录试验数据的数据库的实时更新。

3、有益效果：

本发明将智能无线传感网络用于大型结构的静力/疲劳试验，提供了于智能无线传感网络的结构强度测试系统，能够有效地减少静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度，实现结构试验数据的实时、同步的采集、传输、显示和存储，并具有智能化、高效率和低费用的特点。克服了原有结构强度试验系统引线复杂、附加重量大，智能化、网络化程度不高等问题，可同时监测多达65535个网络节点，实现用于大型结构的多点结构强度测试，并且可以在此基础上继续扩展。

四、附图说明

图1是无线结构强度试验系统的网络拓扑和功能结构图示；

图2是用于结构强度试验的无线应变、位移传感节点原理框图；

图3是用于结构强度试验的无线加速度传感节点原理框图；

图4是用于结构强度试验的无线路由节点原理框图；

图5是用于结构强度试验的无线基站节点原理框图；

图6是无线结构强度试验系统的网络布置和初始化流程图；

图7是基于时隙CSMA-CA方式的网络通信顺序图示；

图8是无线结构强度试验系统的工作流程及可视化设计图。

五、具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例涉及一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，包括监控终端和布置在待测试结构中的传感器阵列，还包括由无线传感终端节点、无线路由节点、无线基站节点和监控终端组成的低延时星簇型无线试验网络(以下简称为LCWTN)；本实施例的测试结构分为两个测试结构单元，其中每个测试结构对应的无线传感终端节点和单一的协调器节点以星型拓扑结构组成一个同步簇，所有的监测结构对应的网络簇、无线路由节点和监控终端构成低延时星簇型试验网络；监控终端与外界结构强度试验加载系统同步，并由结构强度试验加载系统启动；结构强度试验加载系统启动后，基于智能无线传感网络的结构强度测试系统被激活，无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线网络传输，依次经无线路由节点、无线基站节点传输至监控终端。监控终端读取无线基站节点的数据，并绘制应变、位移与加速度等结构强度测试参数随时间变化的二维分布图，同时完成数据转换，实时显示结构性能数据随结构加载的变化，并自动实现记录试验数据的数据库的实时更新。结构强度试验中要求在试验结构加载的同时监测和存储同时刻的结构性能及参数，所以网络的实时性和时间同步是的最主要的系统指标。因为目前的IEEE802.15.4标准协议能够在星型网络拓扑和信标模式下支持网络的时间同步，因此本实施例涉及的网络结构以星型网络拓扑为基础建立。

如图2所示，本实施例的基于智能无线传感网络的结构强度测试系统中，无线传感终端节点包括无线应变、位移传感终端节点，其包括低功耗应变、位移信号调零放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元，低功耗应变信号调零放大模块、多路信号扫查与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯。无线应变与位移传感终端节点可以直接配接应变传感器和位移传感器。应变、位移信号调理部分通过精密电源供电的桥路将应变转换为电压信号输出，经过桥路调零放大输出到多路扫查和ADC模块。

如图3所示，本实施例的基于智能无线传感网络的结构强度测试系统中，无线传感终端节点还包括无线加速度传感终端节点，其信号调理部分主要由微型高速电荷放大器组成，将加速度传感器的电荷输出转化为电压量，本实施例采用高速放大器芯片和多层板抗干扰设计，使得高速加速度传感节点的频带达到为1.6KHz-5.3MHz；

本实施例的无线应变与位移传感终端节点和无线加速度传感终端节点中，微处理单元由单一的MCU、存储器及其外围电路模块组成，用于分时处理操作请求和通信协议。无线通信单元由低功耗无线收发模块组成，根据系统任务状态实现全功能、简化功能和低功耗模式的快速转换，本发明采用被认为是用于无线传感网络的最有前景的短距离无线通信技术-Zigbee技术，因为其物理层和MAC层必须采用标准的IEEE 802.15.4协议，所以无线通信模块的设计需要满足该协议标准。另外无线终端传感节点由电池供电，因此还包括电源管理模块，负责监测电池电压和低功耗模式管理等。

如图4所示，本实施例的无线路由节点包括无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元和无线路由电源管理单元，无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元通过无线路由内部总线相互连接进行通讯。其实现传感数据融合、处理和转发等功能。

如图5所示，无线基站节点包括无线基站接口转换单元、无线基站微处理单元、无线基站无线通信单元和无线基站电源管理单元，其中，无线基站接口转换单元、无线基站微处理单元、无线基站无线通信单元通过无线基站内部总线相互连接进行通讯。无线基站节点负责与用户监控和加载控制系统集成、网络数据存储和网络监控等。

本实施例的试验系统工作时，需要进行智能无线传感网络的实时通信和数据采集，是一种对结构强度进行多点测试的智能无线传感网络通信方法，包括下列步骤：

第一步骤：根据智能无线传感网络实时性和时间同步的目标进行基于LCWTN网络的试验结构划分，确定需要建立的同步星型簇的个数；

第二步骤：进行智能LCWTN网络的布置及初始化；

第三步骤：采用有时隙的免冲突载波多路接入协议设计LCWTN网络通信过程，将信道划分为时间帧和时隙；采用信标方式和保证时隙完成LCWTN网络中星型簇的时间同步；

第四步骤：以第二步骤建立的智能LCWTN网络中的协调器节点为信标节点；所述的协调器节点进行LCWTN网络的时间同步、测试任务发布和测试数据转发，包括无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元和无线路由电源管理单元，无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元通过无线路由内部总线相互连接进行通讯；

第五步骤：智能无线传感网络中的无线传感终端节点将采集的数据通过第四步骤中设立的信标节点在满足时间同步的同时发送至主设备节点即无线基站节点；

第六步骤：与无线基站节点相连接的监控终端实时完成数据有效性判别、存储和显示，完成网络的通信和数据采集。

如图6所示，是无线结构强度试验系统的网络布置和初始化流程图。网络布置和初始化流程为：采用上述的无线路由节点布置在试验结构附近，设置成为一个主协调节点，并自身设置为一个簇标识符为0的簇头；然后向邻近的用于监测结构响应的传感节点以广播的方式发送信标帧，以形成主要的星型网络；当传感节点接受到信标帧后以最小的信号发射功率发送加入网络请求，如果没有信号返回则增加发射功率直至得到允许加入网络的请求；所有其他的传感节点都按照同样的方式请求加入该网络中，作为主协调节点的从设备，各传感节点将其作为父节点加入到各自的邻近表中。最后按照强度试验结构和试验系统用户控制端的距离布置尽可能少的无线路由节点以多跳的方式转发试验数据，跳数越多网络延时越长，以大型飞机结构试验为例，通常试验系统控制端距离试验结构小于100米，因此仅仅需要布置1至2个无线路由节点，甚至不用布置路由节点，直接将数据发送到无线基站节点，这样的网络实时性能最优。

图7是基于有时隙的免冲突载波多路接入(CSMA-CA)方式的网络通信顺序图示。为避免多个无线传感节点向主设备节点发送数据可能导致的网络拥塞，本实施例采用的网络通信过程采用时隙CSMA-CA方式，将Zigbee信道划分为时间帧和时隙，在星型网络中以主协调器为信标节点，使得各传感节点在满足时间同步的同时能够互不干扰的将试验数据发送到主设备节点。

实施例二：

如图1和图8所示，本实施例涉及一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统的可视化方法，包括下列步骤：

第一步骤：网络布置和初始化后，启动监控进程，即向智能无线传感网络发送读取网络邻近表操作，读取网络通过无线基站节点向主机发送的网络邻近表；

第二步骤：监控进程根据网络邻近表信息可视化显示各网络节点的分布、网络拓扑；

第三步骤：结构强度试验加载系统启动试验控制进程和试验加载命令，基于智能无线传感网络的结构强度测试系统通过无线基站节点向智能无线传感网络发布试验数据采集和传输命令；

第四步骤：监控终端读取无线基站节点的数据，并绘制应变、位移与加速度等结构参数随时间变化的二维分布图，同时完成数据转换，实时显示结构性能数据随结构加载的变化，并自动实现记录试验数据的数据库的实时更新。

Claims (3)

1、一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，包括监控终端、布置在待测试结构中的强度测试传感器阵列，其特征在于，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线传感网络传输，依次经无线路由节点、无线基站节点传输至监控终端；所述的无线传感终端节点包括无线应变、位移传感终端节点和无线加速度传感终端节点。

2、如权利要求1所述的基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，其特征在于，无线传感终端节点与充当协调器的无线路由节点以星型拓扑结构组成同步簇，同步簇与无线路由节点、无线基站节点和监控终端构成低延时星簇型无线试验网络；采用基于时隙的免冲突载波多路接入方式的网络通信协议，通过信标方式和保证时隙完成低延时星簇型无线试验网络中星型簇的时间同步。

3、一种如权利要求1所述的基于智能无线传感网络的结构强度测试系统的可视化方法，其特征在于：包括下列步骤：

第一步骤：网络布置和初始化后，启动监控进程，即向智能无线传感网络发送读取网络邻近表操作，读取网络通过无线基站节点向主机发送的网络邻近表；

第二步骤：监控进程根据网络邻近表信息可视化显示各网络节点的分布、网络拓扑；

第三步骤：结构强度试验加载系统启动试验控制进程和试验加载命令，基于智能无线传感网络的结构强度测试系统通过无线基站节点向智能无线传感网络发布试验数据采集和传输命令；

第四步骤：监控终端读取无线基站节点的数据，并绘制应变、位移与加速度等结构参数随时间变化的二维分布图，同时完成数据转换，实时显示结构性能数据随结构加载的变化，并自动实现记录试验数据的数据库的实时更新。

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