面向结构方面监测的智能WSN应用

1. 行业背景

无线传感网络的出现引起了全世界的广泛关注。从 2003 年开始，美国国家自然基金委员会专门设立了无线传感网络相关的研究项目，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校 （UC/Berkeley）和英特尔公司（Intel）联合成立的“智能尘埃(Smart Dust)”实验室从事的有关Smart Dust 的研究。美国《商业周刊》和《技术评论》等杂志纷纷指出，无线传感网络技术是继互联网之后，将在未来改变人类生活方式的十大新兴技术之一。2005 年，国际电信联盟（ITU）在信息社会世界峰会（WSIS）上首次正式提出“物联网”的概念：物联网（The Internet of Things）即“物物相连的互联网”，是无线传感网络在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，其用户终端通过无线传感网络实现任何物与物之间的连接；物联网将以“物物互联”的全新技术特征对人类生活方式产生重大影响，成为今后若干年内相关应用领域与新兴产业的重要增长点。

无线传感网络结构监测应用的系统示意图，无线传感节点监测结构特征数据、组成无线通信网络，通过短距离多跳通信方式进行数据传输，监测数据可能被多个传感节点处理， 到达基站后通过移动通信网络、英特网或其它专有网络到达用户监控端；用户通过监控终端对无线传感网络进行参数设置、网络管理和监测任务发布等。

2、结构健康监测

结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）系统采用智能材料结构的概念，利用 集成在结构中的传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，结合信号、信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取特征参数，识别结构的状态，实现结构健康自诊断，并能够提供结构的安全性评估，以保证结构的安全和降低维修费用。结构健康监测的研究是一个涉及力学、机械、通信、网络等多个科学研究领域的前沿研究方向，至今国内外已开展了近 20 年的研究。以航空领域为例，美国政府部门和军方的多个研究计划中都涉及了结构健康监测技术的研究工作。随着结构健康监测技术在大型工程结构在线安全监测方面的应用探索的深入，监测系统涉及的传感器数目、有待处理的数据量以及系统的复杂性都在不断增加。传统有线的监测系统和方法存在着引线多和信息量传输大等问题，维护所需的人力和物力也相当巨大。例如，香港青马大桥上布置 350 个传感通道的费用预计超过了 8 百万美元。此外，传统的串行集中式监测系统也在很大程度上影响监测系统的处理速度、可

靠性和灵活性。这些问题如不解决，结构健康监测技术就不可能真正实用化。

3、总体解决方案 具有快速部署、自组织成网和分布式协同工作能力的无线传感网络技术能够有效解决现有结构健康监测和结构强度试验测试系统的固有缺陷，满足其多点、高效、高性能的监测需求。

4、WSN节点研制方案 在结构方面主要应变参数，无线传感网络节点的设计采用模块化设计方法，把设计主要分为传感调理模块、数字处理模块和无线通信模块等部分，节点整体的框架如下图所示

5、WSN节点部署

5、结构监测的WSN应用

5.1 基于无线传感网络的航空铝板结构健康监测系统

5.2碳纤维复合材料机翼盒段结构

6、结构监测的WSN应用下一步工作

面向结构健康监测的无线传感网络的应用研究仍处于研究和探索阶段，还有一些实际问题有待解决，包括高性能、高可靠性的网络硬件和软件平台、网络自修复技术和大型网络同步机制等。本文为无线传感网络应用于结构健康监测和航空结构强度试验测试系统进行了一些探索，但仍然存在如下有待继续完善的实际问题：

1） 针对结构健康监测和结构强度试验测试应用的系统设计，其应用系统的连续高速采样、 大存储空间、低时延等性能要求较高，还需要探索新的硬件设计方法。

2） 无线传感网络自修复方法的研究。需要研究网络自修复方法提高网络应用中的鲁棒性。 3） 开展针对大规模结构对象的监测应用验证研究，考察新的网络管理和协作方法的有效性。 4） 针对不同应用环境下的应用系统，研究针对性更强的抗干扰和可靠性设计方法