重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络

摘要

重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络，采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构内部，多个MicaZ节点或其它无线传感器节点通过无线链路构成自组织的无线通信网络，基于广播的技术建立节点邻居节点关系，然后使用Xserve框架设计传感网路由协议来进行数据传输。本发明能够实现重大工程结构多点、分布式监测，实时掌握结构的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据，为腐蚀监测系统的提供关键数据。

主权项

一种重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络，其特征在于：(1)嵌入腐蚀控制电路的无线传感器节点的构建采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化学信息，进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构内部，MicaZ传感器由电源、腐蚀传感头、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成，电源为传感器提供正常工作所必需的能源；腐蚀传感头用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号；嵌入式处理器负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制腐蚀传感头和电源的工作模式；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信；软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统；(2)传感器网络软件体系结构在腐蚀监测传感网络中，MicaZ节点的腐蚀传感头布置于钢筋混凝土结构内部，多个MicaZ节点通过无线链路构成一个自组织的无线通信网络，其中，每个节点采集数据并发送到基站，基站是服务器或是便携移动设备，传感器网络、基站分别构成了整个三层网络体系结构的第一、第二层，对于较大规模的实际应用，还需要第三层，即应用层，来完成用户对传感网数据的灵活访问，要实现这个目的，令基站接入Internet，然后，通过路由器或者交换机来实现终端用户来访问感知数据；(3)网络拓扑建立建立网络的拓扑的目的是确定网络中可以用来传输数据的所有潜在无线通信链路，网络拓扑是在传感网数据传输协议设计的基础。MicaZ节点使用了CC2420无线射频芯片，这种芯片具有信道侦听功能，设所有节点使用相同的无线通信半径；首先，节点A启动无线射频电路，进入侦听状态，如果收到并能解析附近某个节点B发送的信标信号，就说明B和A均处于对方的通信范围之内，即，A和B互为邻居节点；然后，A返回一个ACK消息给B节点，这样，B也确认了A为其邻节点；如果A进入侦听一段时间后，比如2秒(可根据具体网络的密度来设置)，还没有接收到邻居节点的信号，那么它就发送信标信号；如果一个节点在很长时间内没有持续收到信标信号，则认为网络拓扑已成功的建立；在网络拓扑建立之后，每个节点都知道了自己的邻节点有哪些，如果该节点不能直接把数据发送给基站，那么，这些邻节点都可能成为潜在的转发节点；D能够一跳到达基站即直接发送数据给基站，而C的通信半径不能覆盖基站，但它可以通过D来转发它的数据，这中多跳的通信方式允许节点以一个较小的通信半径来进行数据传输，因此极大地节省了节点能耗；建立网络拓扑后，要对网络进行层次化，即，要为每一 个节点分配一个层号：基站的层号为1，一跳可以到达基站的节点的层号为2，以此类推；网络拓扑层次化的目的是区分各个节点距离基站的远近，即跳数的多少，一般来说，层号越大的节点，它的数据到达基站需要的中转次数越多，而层号小的节点可以作为转发节点来中转数据；最初，基站发送自己层号1；一般的，如果节点A收到B发送的层号h，那么A把h与自身目前的层号h0进行比较，如果h＜h0+1，说明A选择B作为下一跳可以更快的，即以更少的跳数到达基站，因此，A选择B作为下一跳节点，同时把自身的层号h0更新为h+1，同时广播h0，如果在一段时间后，一个节点不再持续收到任何层号，那么它认为网络层次化结束；本质上是一个Bellman迭代过程，对于一个节点层号的决策过程，它的层号表达式为：h0＝min{h0，h+1}容易证明，对于任意一个节点A，它到达基站的路径上，任意一个转发节点B到达基站的跳数对于B来说都是最小的；在网络层次化完成之后，每个节点都维护了一个下一跳节点，因此，对任意一个节点来说，都维护了一个到达基站的最小条数路径；如果一个节点A有m个下一跳节点，它们使得A到达基站的跳数均为h，那么A根据链路可靠性来动态的从这m个节点中选择下一跳，一旦一个节点收到一个数据，便可以根据CC2420提供的BER计算功能来计算该数据包传输过程中的误码率，并可以用这个BER值来估计当前信道可靠性，进而，选择最为可靠的下一跳节点来转发数据；当然，一个节点接收到一个数据后，还要返回给发送节点一个ACK消息，用来反馈给发送节点当前信道的通信质量，同时用来确认这个数据包的成功接收；实际上，ACK消息也可能不能被发送节点正确接收，虽然ACK消息本身的尺寸很小，因此，我们引入的重传机制：对于发送节点，如果在一段时间内不能收到接收节点的ACK反馈，则重新发送该数据。一般来说，如果链路通信质量为(误码率)为p，那么平均需要1/p‑1次重传，数据可以正确的被接收，如果最大可重传次数被设置为k，那么第k次内重传成功的概率为：∑p(1‑p)i‑1(1≤i≤k)；在实际应用中，为了提高数据传输可靠性，可以通过提高节点的放置密度来实现。