【摘要】：結構健康監(jiān)測(SHM)是監(jiān)測和評估土木結構運營狀況的重要手段。在SHM中,對橋梁關鍵信息的采集與傳輸是至關重要的,因為只有當監(jiān)測的數據準確、可靠、實時、穩(wěn)定地傳輸時,才能保證后續(xù)數據評估和分析的準確性。傳統(tǒng)的有線結構監(jiān)測系統(tǒng)具有靈活性差、成本高等缺陷,無線傳感器網絡、(WSN)有效克服了這些缺陷,但傳統(tǒng)WSN仍具有能耗不均衡、協(xié)議標準不統(tǒng)一導致信息孤島等問題。為解決這些問題,本文設計一種基于6LoWPAN WSN的結構監(jiān)測系統(tǒng),并研究改進6LoWPAN網絡層中RPL路由協(xié)議以均衡網絡能耗,研究工作如下:基于6LoWPAN WSN的結構監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點、邊界路由節(jié)點與遠程監(jiān)控中心構成。無線傳感器節(jié)點與邊界路由節(jié)點的硬件開發(fā)基于CC2538片上系統(tǒng)無線收發(fā)芯片。這兩類節(jié)點的嵌入式軟件開發(fā)基于Contiki3.0嵌入式操作系統(tǒng),包括操作系統(tǒng)的移植和傳感器模塊驅動、以太網模塊驅動以及應用軟件的開發(fā)。無線傳感器節(jié)點采用6LoWPAN協(xié)議進行組網通信,作為IPv6終端節(jié)點,實現對橋梁的溫濕度、加速度等參數的采集,并擴展了一路模擬信號輸入通道。邊界路由節(jié)點主要對監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點的數據進行匯集與轉發(fā),通過轉換IPv4數據包和IPv6數據包,實現6LoWPAN網絡與IPv4互聯(lián)網的通信。遠程監(jiān)控中心主要實現監(jiān)測數據的存儲、處理和在線實時顯示等,包括用戶界面設計和數據庫設計。用戶界面設計基于MATLAB GUIDE開發(fā)環(huán)境平臺,包括人機界面和數據處理模塊;數據庫設計基于MySQL數據庫,實現對數據管理。針對6LoWPAN的RPL路由協(xié)議中OFO目標函數度量單一導致網絡能耗分布不均的問題,本文提出在RPL路由協(xié)議OFO目標函數的基礎上,加入能量的判斷標準,使子節(jié)點選擇父節(jié)點時綜合考慮節(jié)點跳數和能量因素。采用Contiki系統(tǒng)自帶的Cooja仿真器對改進的協(xié)議進行仿真驗證。仿真結果表明,本文提出的RPL協(xié)議改進方案可以均衡網絡路由轉發(fā),從而均衡網絡能耗。搭建實際的硬件平臺對WSN性能和系統(tǒng)功能進行測試分析,系統(tǒng)測試包括邊界路由節(jié)點與互聯(lián)網的聯(lián)通性、無線傳感器節(jié)點能耗、遠程監(jiān)控中心和數據庫的功能;網絡性能的測試包括網絡吞吐率、丟包率、通信距離。測試結果表明:系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,網絡性能良好,能夠準確可靠地采集和傳輸傳感數據,并實現6LoWPAN網絡與傳統(tǒng)IPv4網絡互聯(lián),具有一定的實際工程應用參考價值。
【學位授予單位】：福州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【圖文】：

方便用戶查看和管理數據。逡逑２．２系統(tǒng)總體設計逡逑根據上述介紹的系統(tǒng)需求，本文設計的結構健康采集系統(tǒng)架構如圖２－１所示。逡逑本系統(tǒng)由若干無線傳感器節(jié)點、邊界路由節(jié)點、網絡路由器和遠程監(jiān)控中心組成。逡逑下面簡單地介紹系統(tǒng)的工作流程。逡逑監(jiān)控中心ｐ逡逑＾邐數據庫逡逑遠程監(jiān)控中心逡逑ｊ逡逑路由器逡逑邐？逡逑ＩＰｖ４網絡邐Ａ逡逑６ｌ0ｗｐａｎ邋網絡邐ＣＤ邋Ｃ３逡逑0邐0逡逑0＿逡逑圖２－１系統(tǒng)設計總體框架逡逑無線傳感器節(jié)點主要部署在橋梁的關鍵部位，用于采集橋梁的溫濕度和加速逡逑度等參數。無線傳感器節(jié)點上電開啟工作模式后就會根據ＲＰＬ路由協(xié)議自己尋逡逑找路由并加入網絡中，因此在監(jiān)測區(qū)域若干個無線傳感器節(jié)點會自組織網絡，將逡逑采集到的橋梁相關參數傳送至邊界路由節(jié)點，若干個無線傳感器節(jié)點與一個邊界逡逑路由節(jié)點自組織成簡單６ＬｏＷＰＡＮ網絡。邊界路由節(jié)點即是６ＬｏＷＰＡＮ網絡的根逡逑９逡逑

②ＭＡＣ層數據傳輸模式逡逑ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準的ＭＡＣ子層提供了兩種無線拓撲網絡結構，分別是星形逡逑網絡拓撲和對等網絡拓撲，其具體拓撲結構如圖２－８所示。ＭＡＣ層的數據傳輸逡逑方式主要取決于網絡拓撲結構，星形網絡拓撲有兩種數據傳輸方式：到協(xié)調器的逡逑數據傳輸和來自于協(xié)調器的數據傳輸；對等網絡拓撲支持點對點的數據傳輸。逡逑星形拓撲邐對等拓撲逡逑＼邐，邐彳一一一一，個逡逑／邐＼邐＼邐！邐＼邋ｚ邋方逡逑＾邐＼邋春邋ＰＡＮ＿邋＼邐，逡逑Ｖ，邐＾邋ｖ邋Ａｒ邐’敕逡逑＜邐全功能設備邐＜邐？逡逑精簡功能設備逡逑圖２－８星形和對等網絡拓撲結構逡逑到協(xié)調器的數據傳輸模式又根據信標網絡或非信標網絡分為兩種傳輸模式，逡逑這兩種傳輸方式分別如圖２－９和圖２－１０所示。在信標網絡中，發(fā)送數據給協(xié)調逡逑器的網絡設備需要與協(xié)調器以一定間隔發(fā)出信標同步，如果該網絡設備是星形網逡逑絡的一部分且己分配好保障時隙

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