[发明专利]基于无线传感器网络的桥梁结构安全状态应急监测及预警方法与系统

权利要求书

1.基于无线传感器网络的桥梁结构安全状态应急监测及预警方法，采用传感器模块安装在桥梁两侧或底部受力点或梁、柱受力支承部位的网络，用来采集桥梁温度、湿度、震动幅度、梁、柱的受力应变数据，以及桥梁结构变化的频度和幅度数据，传感器模块通过无线通信模块无线与汇集节点和基站节点进行收发，传送采集并进行处理过的数据，无线收发汇集节点连接基站节点，基站节点通过网络连接计算机；其特征是采用无线传感器网络实现对桥梁结构安全状态应急监测和预警，传感系统对数据经过处理系统分解、变换以获取所需要的参数后通过网络连接计算机后，利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度；无线传感器网络如下构成：监测桥梁的传感器节点每2-6个组成一个无线传感器节点群组，每一个群组有一个汇集节点，该汇集节点完成群组内传感器节点的数据汇集功能，且传感器节点与且仅与群组内汇集节点进行通信，汇集节点和基站节点不接传感器；所有构成一个节点群组的汇集节点组成1个群组，1个群组时直接与基站节点通信，多个群组时通过群组内的汇集节点与基站节点通信，基站节点将汇集节点的监测数据通过网络连接计算机；

桥梁结构安全状态应急监测和预警采用分层结构的方法，分层结构的方法由数值计算函数、桥梁结构安全状态应急监测及预警的中间件和定位损伤识别算法给出桥梁结构安全状态；分层结构的方法应用于密集布置的智能传感器网络；临近的汇集节点间共享数据，利用空间信息；数据只在有限的临近汇集节点间共享，总的数据传输量仍然保持适度；算法扩展到密集布置传感器的大型结构上；

分层结构的方法采用的数值方法是奇异值分解、复特征值求解、快速傅立叶变换或快速排序和复数矩阵逆；桥梁结构安全状态应急监测及预警的中间件是数据处理、可靠的通信和同步传感；定位损伤识别的算法是环境激振技术NExT，特征系统实现算法ERA和损伤定位矢量法；并采用多尺度方法损伤识别方法，对加速度与应变信号同时进行分析，这种方法融合了整体结构信息和局部结构响应。

2.基于无线传感器网络的桥梁结构安全状态应急监测及预警系统，其特征是无线传感器节点由传感器模块、数据采集模块、微处理器模块构成的数据处理和控制模块、无线通信模块和电源模块组成；数据采集模块用来进行外部传感器信号的接收和转换；数据处理和控制模块用来进行节点设备控制、任务调度、能量计算、功能协调等；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量；电源管理模块、连接电源管理模块的电源模块和无线通信模块；无线通信模块包括射频收发模块、功率放大器、射频开关和天线，微处理器模块与DAC模块相连接，传感器输出接DAC模块，电源管理模块分别与传感器模块、微处理器、射频收发模块和功率放大模块相连接，微处理器分别连接射频收发模块、DAC模块和射频开关，功率放大模块连接射频收发模块，并通过射频开关连接收发天线；传感器模块用来采集桥梁温度、湿度、震动幅度等数据；传感器节点模块从数量上达到5至30个，利用多个传感器可以有效地构建一个三维立体的防护检测网络；每个传感器节点模块均带有三轴加速度传感器、应变片、温度湿度传感器以及风速风压传感器和四通道16位A/D转换器；加速度传感器用以桥梁振动测试与分析，温湿度传感器用来测量加速度传感器所处位置的环境温湿度用于进行温湿度补偿；传感器节点模块从数量上达到5至30个，传感器节点模块每2-6个组成一个传感器节点群组，每一个群组有一个汇集点，该汇集点完成群组内传感器节点的数据汇集功能，且传感器节点跟且仅跟群组内汇集节点进行通信，汇集节点和基站节点不接传感器；传感器节点模块通过无线通信模块无线与汇集节点和基站节点进行收发，传送采集并进行处理过的数据，无线收发汇集节点连接基站节点，基站节点通过网络连接计算机；所有群组的汇集节点，组成1个或者多个群组，直接与1个群组的基站节点通信，或多个群组时通过群组内的汇集节点与基站节点通信，基站节点汇集数据，将汇集后的数据通过节点附带的USB接口，传输到USB口至网口的转换装置上，数据通过网络可以就地使用计算机采集、存储和处理或通过无线局域网收发设备WLAN，进行远程传输，以便于远程计算机进行数据采集、数据存储和数据处理；无线收发汇集节点和基站节点由微处理器PXA271作为微处理器模块的芯片。