專利名稱：重大鋼混結(jié)構(gòu)用無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具體涉及的是一種重大鋼混結(jié)構(gòu)用無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
過去的研究表明鋼筋腐蝕是造成鋼混結(jié)構(gòu)損傷以及失效的原因之一，全世界對腐蝕結(jié)構(gòu)的維護維修以及更換構(gòu)件投入了大量的費用，在土木工程中鋼筋腐蝕的監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及全壽命設(shè)計的重要組成部分。隨著鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕問題引起全世界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)的性能進行了大量、系統(tǒng)的研究，這些研究建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫。鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)一旦成功構(gòu)建，將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，實時掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計等提供科學依據(jù)。鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研究工作的開展勢在必行，這一工作具有顯著的經(jīng)濟效益和潛在的、重要的社會效益。
在混凝土環(huán)境下，由于混凝土的多孔性，水分與氧氣可以沿著孔隙和裂紋遷移，這恰好是低碳鋼和高強度合金鋼等鋼材腐蝕的必要條件。在大多數(shù)情形下沒有發(fā)生腐蝕的原因是這些孔隙中由于水泥的水化過程形成了高濃度的鈣、鈉和鉀的氫氧化物，從而保持了 PH值在12-13之間，這一高堿度環(huán)境是鋼材鈍化，形成致密的γ型氧化鐵防止了鋼材的快速腐蝕。然而當Cl—(來自除冰鹽或者海水)經(jīng)過混凝土表面在鋼筋表面進行聚集或者由于 CO2 (來自大氣，也是造成全球氣候變暖的重要因素之一)的作用使孔溶液PH值降低的情況下，鈍化膜遭到破壞，混凝土對鋼筋的保護作用失效，在A以及H2O充足的情況下鋼筋截面積減小或者出現(xiàn)蝕點。
土木工程中絕大多數(shù)(除了部分高溫氧化反應(yīng)外)鋼材的腐蝕過程都是電化學過程，所以電化學方法成為監(jiān)測結(jié)構(gòu)中鋼材腐蝕的最本質(zhì)的方法。近些年來國內(nèi)外的科研工作者采用電化學方法對腐蝕科學問題進行了大量的研究，通過穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電化學方法的研究，不但能夠獲得諸如腐蝕電流密度、腐蝕速率這樣的基本參數(shù)，還能夠得知揭示腐蝕電化學過程的更詳細的信息，如極化電阻、雙電層電容、擴散過程、點蝕的發(fā)生過程等等。這些參數(shù)的測量能夠為腐蝕監(jiān)測提供更加可靠的依據(jù)。
國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)構(gòu)的性能進行了大量地研究，建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫。一旦成功構(gòu)建鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)， 將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，能夠?qū)崟r掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計等提供科學依據(jù)。因此，鋼筋腐蝕監(jiān)測研究工作的開展勢在必行，這一工作具有顯著的經(jīng)濟效益和潛在的、重要的社會效益。
過去數(shù)十年來，國內(nèi)外基于電化學原理對金屬的腐蝕問題進行了大量、深入地研究。不難發(fā)現(xiàn)，這些研究主要集中在實驗室狀態(tài)下，鋼混體系腐蝕電化學反應(yīng)與鋼混結(jié)構(gòu)的特殊性決定了以往的研究對實現(xiàn)大規(guī)模鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測還存在較大距離。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于重大鋼混結(jié)構(gòu)無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點， 感知腐蝕電化學信息，進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點通過無線鏈路構(gòu)成自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，基于廣播的技術(shù)建立節(jié)點鄰居節(jié)點關(guān)系，然后使用Xserve框架設(shè)計傳感網(wǎng)路由協(xié)議來進行數(shù)據(jù)傳輸。
具體如下
(1)嵌入腐蝕控制電路的無線傳感器節(jié)點的構(gòu)建
采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點，感知腐蝕電化學信息，進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部， MicaZ傳感器由電源、腐蝕傳感頭、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件構(gòu)成，電源為傳感器提供正常工作所必需的能源；腐蝕傳感頭用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；嵌入式處理器負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、保存，控制腐蝕傳感頭和電源的工作模式等；通信部件負責與其他傳感器或觀察者的通信；軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；
(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)
在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)中，MicaZ節(jié)點的腐蝕傳感頭布置于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個MicaZ節(jié)點通過無線鏈路構(gòu)成一個自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其中，每個節(jié)點采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到基站，基站是服務(wù)器或是便攜移動設(shè)備，傳感器網(wǎng)絡(luò)、基站分別構(gòu)成了整個三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第一、第二層，對于較大規(guī)模的實際應(yīng)用，還需要第三層，即應(yīng)用層，來完成用戶對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的靈活訪問，要實現(xiàn)這個目的，令基站接入Internet，然后，通過路由器或者交換機來實現(xiàn)終端用戶來訪問感知數(shù)據(jù)；
(3)網(wǎng)絡(luò)拓撲建立
建立網(wǎng)絡(luò)的拓撲的目的是確定網(wǎng)絡(luò)中可以用來傳輸數(shù)據(jù)的所有潛在無線通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)拓撲是在傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計的基礎(chǔ)。MicaZ節(jié)點使用了 CCM20無線射頻芯片，這種芯片具有信道偵聽功能，設(shè)所有節(jié)點使用相同的無線通信半徑；首先，節(jié)點A啟動無線射頻電路，進入偵聽狀態(tài)，如果收到并能解析附近某個節(jié)點B發(fā)送的信標信號，就說明 B和A均處于對方的通信范圍之內(nèi)，S卩，A和B互為鄰居節(jié)點；然后，A返回一個ACK消息給 B節(jié)點，這樣，B也確認了 A為其鄰節(jié)點；如果A進入偵聽一段時間后，比如2秒(可根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)的密度來設(shè)置)，還沒有接收到鄰居節(jié)點的信號，那么它就發(fā)送信標信號；如果一個節(jié)點在很長時間內(nèi)沒有持續(xù)收到信標信號，則認為網(wǎng)絡(luò)拓撲已成功的建立；
在網(wǎng)絡(luò)拓撲建立之后，每個節(jié)點都知道了自己的鄰節(jié)點有哪些，如果該節(jié)點不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，那么，這些鄰節(jié)點都可能成為潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；D能夠一跳到達基站即直接發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，而C的通信半徑不能覆蓋基站，但它可以通過D來轉(zhuǎn)發(fā)它的數(shù)據(jù)，這中多跳的通信方式允許節(jié)點以一個較小的通信半徑來進行數(shù)據(jù)傳輸，因此極大地節(jié)省了節(jié)點能耗；建立網(wǎng)絡(luò)拓撲后，要對網(wǎng)絡(luò)進行層次化，即，要為每一個節(jié)點分配一個層號基站的層號為1，一跳可以到達基站的節(jié)點的層號為2，以此類推；網(wǎng)絡(luò)拓撲層次化的目的是區(qū)分各個節(jié)點距離基站的遠近，即跳數(shù)的多少，一般來說，層號越大的節(jié)點，它的數(shù)據(jù)到達基站需要的中轉(zhuǎn)次數(shù)越多，而層號小的節(jié)點可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)；最初，基站發(fā)送自己層號1 ；一般的，如果節(jié)點A收到B發(fā)送的層號h，那么A把h與自身目前的層號 h0進行比較，如果h < hfl，說明A選擇B作為下一跳可以更快的，即以更少的跳數(shù)到達基站，因此，A選擇B作為下一跳節(jié)點，同時把自身的層號Iitl更新為h+Ι，同時廣播Iv如果在一段時間后，一個節(jié)點不再持續(xù)收到任何層號，那么它認為網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)束；本質(zhì)上是一個 Bellman迭代過程，對于一個節(jié)點層號的決策過程，它的層號表達式為
h0 = min{h0, h+1}
容易證明，對于任意一個節(jié)點A，它到達基站的路徑上，任意一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點B到達基站的跳數(shù)對于B來說都是最小的；
在網(wǎng)絡(luò)層次化完成之后，每個節(jié)點都維護了一個下一跳節(jié)點，因此，對任意一個節(jié)點來說，都維護了一個到達基站的最小條數(shù)路徑；但實際情況下，無線通信鏈路是不穩(wěn)定的，并且隨時間變化，不能總是可靠的傳輸數(shù)據(jù)，因此，需要靈活的、動態(tài)的選擇下一跳節(jié)點；如果一個節(jié)點A有m個下一跳節(jié)點，它們使得A到達基站的跳數(shù)均為h，那么A根據(jù)鏈路可靠性來動態(tài)的從這m個節(jié)點中選擇下一跳，一旦一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)，便可以根據(jù) CC2420提供的BER(bit error rate)計算功能來計算該數(shù)據(jù)包傳輸過程中的誤碼率，并可以用這個BER值來估計當前信道可靠性，進而，選擇最為可靠的下一跳節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；當然，一個節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)后，還要返回給發(fā)送節(jié)點一個ACK消息，用來反饋給發(fā)送節(jié)點當前信道的通信質(zhì)量，同時用來確認這個數(shù)據(jù)包的成功接收；實際上，ACK消息也可能不能被發(fā)送節(jié)點正確接收，雖然ACK消息本身的尺寸很小，因此，我們引入的重傳機制對于發(fā)送節(jié)點，如果在一段時間內(nèi)(原型系統(tǒng)中采用的是100ms)不能收到接收節(jié)點的ACK反饋， 則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)。一般來說，如果鏈路通信質(zhì)量為(誤碼率)為P，那么平均需要1/P-1 次重傳，數(shù)據(jù)可以正確的被接收，如果最大可重傳次數(shù)被設(shè)置為k，那么第k次內(nèi)重傳成功的概率為Σ ρ (1-ρ) η (1 ^k)；在實際應(yīng)用中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，可以通過提高節(jié)點的放置密度來實現(xiàn)。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)重大工程結(jié)構(gòu)多點、分布式監(jiān)測，實時掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計等提供科學依據(jù)，為腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。


圖1感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)；
圖2絡(luò)拓撲建立(鄰居發(fā)現(xiàn))算法(左發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點；右網(wǎng)絡(luò)拓撲層次化)；
圖3數(shù)據(jù)路由算法；
圖4鄰節(jié)點轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述
1.嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點的構(gòu)建
采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點，感知腐蝕電化學信息，進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部， MicaZ傳感器由電源、腐蝕傳感頭、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件構(gòu)成，電源為傳感器提供正常工作所必需的能源；腐蝕傳感頭用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；嵌入式處理器負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、保存，控制腐蝕傳感頭和電源的工作模式等；通信部件負責與其他傳感器或觀察者的通信；軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；
2.傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)
在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，MicaZ節(jié)點連接的腐蝕傳感頭布置于RC結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個 MicaZ節(jié)點通過無線鏈路構(gòu)成一個自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其中，每個節(jié)點采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到基站?；究梢允蔷哂休^高計算能力和存儲能力的高性能服務(wù)器，也可以是便攜移動設(shè)備。在已有原型系統(tǒng)中，使用了可以連接^切171討的筆記本電腦作為收據(jù)數(shù)據(jù)的基站。腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1示。由圖1以看出，傳感器網(wǎng)絡(luò)、基站分別構(gòu)成了整個三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第一、第二層，對于較大規(guī)模的實際應(yīng)用，還需要第三層，即應(yīng)用層，來完成用戶對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的靈活訪問，要實現(xiàn)這個目的，可以令基站接入Internet，然后，通過路由器或者交換機來實現(xiàn)終端用戶(個人電腦、手持設(shè)備等)來訪問感知數(shù)據(jù)。
3.網(wǎng)絡(luò)拓撲建立(鄰居發(fā)現(xiàn))算法
建立網(wǎng)絡(luò)的拓撲的目的是確定網(wǎng)絡(luò)中可以用來傳輸數(shù)據(jù)的所有潛在無線通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)拓撲是在傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計的基礎(chǔ)。MicaZ節(jié)點使用了 CCM20無線射頻芯片，這種芯片具有信道偵聽功能，即，可以識別附近的CCM20無線信號。因此，利用這種 MicaZ固有的功能，容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的建立。圖2邊的流程圖給出了建立網(wǎng)絡(luò)拓撲的一個分布式實現(xiàn)過程。這里假設(shè)所有節(jié)點使用相同的無線通信半徑。首先，節(jié)點A啟動無線射頻電路，進入偵聽狀態(tài)，如果收到并能解析附近某個節(jié)點B發(fā)送的信標信號，就說明B和 A均處于對方的通信范圍之內(nèi)，S卩，A和B互為鄰居節(jié)點；然后，A返回一個ACK消息給B節(jié)點，這樣，B也確認了 A為其鄰節(jié)點。如果A進入偵聽一段時間后，比如2秒(可根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)的密度來設(shè)置)，還沒有接收到鄰居節(jié)點的信號，那么它就發(fā)送信標信號。如果一個節(jié)點在很長時間內(nèi)沒有持續(xù)收到信標信號，則認為網(wǎng)絡(luò)拓撲已成功的建立，圖2邊的過程從宏觀上來看，輸出一個類似于圖1感知、傳輸層的網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)構(gòu)，其中，點表示傳感器節(jié)點，邊表示可以進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線鏈路。
在網(wǎng)絡(luò)拓撲建立之后，每個節(jié)點都知道了自己的鄰節(jié)點有哪些，如果該節(jié)點不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，那么，這些鄰節(jié)點都可能成為潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。例如，在圖3，D可以一跳到達基站(直接發(fā)送數(shù)據(jù)給基站)，而C的通信半徑不能覆蓋基站，但它可以通過D 來轉(zhuǎn)發(fā)它的數(shù)據(jù)，這中多跳的通信方式允許節(jié)點以一個較小的通信半徑來進行數(shù)據(jù)傳輸， 因此極大地節(jié)省了節(jié)點能耗。建立網(wǎng)絡(luò)拓撲后，要對網(wǎng)絡(luò)進行層次化，即，要為每一個節(jié)點分配一個層號基站的層號為1，一跳可以到達基站的節(jié)點的層號為2，以此類推。網(wǎng)絡(luò)拓撲層次化的目的是區(qū)分各個節(jié)點距離基站的遠近(跳數(shù)的多少)，一般來說，層號越大的節(jié)點，它的數(shù)據(jù)到達基站需要的中轉(zhuǎn)次數(shù)越多，而層號小的節(jié)點可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。圖2邊的流程圖給出了一般節(jié)點參與網(wǎng)絡(luò)層次化的分布式執(zhí)行過程。最初，基站發(fā)送自己層號1。一般的，如果節(jié)點A收到B發(fā)送的層號h，那么A把h與自身目前的層號Iitl進行比較，如果h< Vl，說明A選擇B作為下一跳可以更快的(以更少的跳數(shù))到達基站， 因此，A選擇B作為下一跳節(jié)點，同時把自身的層號Iitl更新為h+Ι，同時廣播Iv如果在一段時間后，一個節(jié)點不再持續(xù)收到任何層號，那么它認為網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)束?？梢钥闯?，圖2圖的層次化算法，本質(zhì)上是一個Bellman迭代過程。對于一個節(jié)點層號的決策過程，它的層號表達式為
h0 = min{h0, h+1}
容易證明，對于任意一個節(jié)點A，它到達基站的路徑上，任意一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點B到達基站的跳數(shù)對于B來說都是最小的。下面對圖4過程及相關(guān)原理進行詳細的闡述。
在網(wǎng)絡(luò)層次化完成之后，每個節(jié)點都維護了一個下一跳節(jié)點，因此，對任意一個節(jié)點來說，都維護了一個到達基站的最小條數(shù)路徑。但實際情況下，無線通信鏈路是不穩(wěn)定的，并且隨時間變化，不能總是可靠的傳輸數(shù)據(jù)，因此，需要靈活的、動態(tài)的選擇下一跳節(jié)點。如果一個節(jié)點A有m個下一跳節(jié)點，它們使得A到達基站的跳數(shù)均為h，那么A根據(jù)鏈路可靠性來動態(tài)的從這m個節(jié)點中選擇下一跳。如圖4示，一旦一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)，便可以根據(jù)CCM20提供的BER(bit error rate)計算功能來計算該數(shù)據(jù)包傳輸過程中的誤碼率，并可以用這個BER值來估計當前信道可靠性，進而，選擇最為可靠的下一跳節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當然，一個節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)后，還要返回給發(fā)送節(jié)點一個ACK消息，用來反饋給發(fā)送節(jié)點當前信道的通信質(zhì)量，同時用來確認這個數(shù)據(jù)包的成功接收。實際上，ACK消息也可能不能被發(fā)送節(jié)點正確接收，雖然ACK消息本身的尺寸很小。因此，我們引入的重傳機制對于發(fā)送節(jié)點，如果在一段時間內(nèi)(原型系統(tǒng)中采用的是100ms)不能收到接收節(jié)點的 ACK反饋，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)。一般來說，如果鏈路通信質(zhì)量為(誤碼率)為P，那么平均需要1/P-1次重傳，數(shù)據(jù)可以正確的被接收。如果最大可重傳次數(shù)被設(shè)置為k，那么第k次內(nèi)重傳成功的概率為Σ ρ (1-ρ) η (1 < i < k)。在實際應(yīng)用中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，可以通過提高節(jié)點的放置密度來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1. 一種重大鋼混結(jié)構(gòu)用無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于(1)嵌入腐蝕控制電路的無線傳感器節(jié)點的構(gòu)建采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點，感知腐蝕電化學信息，進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部，MicaZ傳感器由電源、腐蝕傳感頭、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件構(gòu)成，電源為傳感器提供正常工作所必需的能源；腐蝕傳感頭用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 嵌入式處理器負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、保存，控制腐蝕傳感頭和電源的工作模式；通信部件負責與其他傳感器或觀察者的通信；軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)中，MicaZ節(jié)點的腐蝕傳感頭布置于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個 MicaZ節(jié)點通過無線鏈路構(gòu)成一個自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其中，每個節(jié)點采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到基站，基站是服務(wù)器或是便攜移動設(shè)備，傳感器網(wǎng)絡(luò)、基站分別構(gòu)成了整個三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第一、第二層，對于較大規(guī)模的實際應(yīng)用，還需要第三層，即應(yīng)用層，來完成用戶對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的靈活訪問，要實現(xiàn)這個目的，令基站接入hternet，然后，通過路由器或者交換機來實現(xiàn)終端用戶來訪問感知數(shù)據(jù)；(3)網(wǎng)絡(luò)拓撲建立建立網(wǎng)絡(luò)的拓撲的目的是確定網(wǎng)絡(luò)中可以用來傳輸數(shù)據(jù)的所有潛在無線通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)拓撲是在傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計的基礎(chǔ)。MicaZ節(jié)點使用了 CCM20無線射頻芯片，這種芯片具有信道偵聽功能，設(shè)所有節(jié)點使用相同的無線通信半徑；首先，節(jié)點A啟動無線射頻電路，進入偵聽狀態(tài)，如果收到并能解析附近某個節(jié)點B發(fā)送的信標信號，就說明B和A 均處于對方的通信范圍之內(nèi)，即，A和B互為鄰居節(jié)點；然后，A返回一個ACK消息給B節(jié)點， 這樣，B也確認了 A為其鄰節(jié)點；如果A進入偵聽一段時間后，比如2秒(可根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)的密度來設(shè)置)，還沒有接收到鄰居節(jié)點的信號，那么它就發(fā)送信標信號；如果一個節(jié)點在很長時間內(nèi)沒有持續(xù)收到信標信號，則認為網(wǎng)絡(luò)拓撲已成功的建立；在網(wǎng)絡(luò)拓撲建立之后，每個節(jié)點都知道了自己的鄰節(jié)點有哪些，如果該節(jié)點不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，那么，這些鄰節(jié)點都可能成為潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；D能夠一跳到達基站即直接發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，而C的通信半徑不能覆蓋基站，但它可以通過D來轉(zhuǎn)發(fā)它的數(shù)據(jù)，這中多跳的通信方式允許節(jié)點以一個較小的通信半徑來進行數(shù)據(jù)傳輸，因此極大地節(jié)省了節(jié)點能耗；建立網(wǎng)絡(luò)拓撲后，要對網(wǎng)絡(luò)進行層次化，即，要為每一個節(jié)點分配一個層號基站的層號為1，一跳可以到達基站的節(jié)點的層號為2，以此類推；網(wǎng)絡(luò)拓撲層次化的目的是區(qū)分各個節(jié)點距離基站的遠近，即跳數(shù)的多少，一般來說，層號越大的節(jié)點，它的數(shù)據(jù)到達基站需要的中轉(zhuǎn)次數(shù)越多，而層號小的節(jié)點可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)；最初，基站發(fā)送自己層號1 ；一般的，如果節(jié)點A收到B發(fā)送的層號h，那么A把h與自身目前的層號Iitl進行比較，如果h < hfl，說明A選擇B作為下一跳可以更快的，即以更少的跳數(shù)到達基站，因此， A選擇B作為下一跳節(jié)點，同時把自身的層號Iitl更新為h+Ι，同時廣播Iv如果在一段時間后，一個節(jié)點不再持續(xù)收到任何層號，那么它認為網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)束；本質(zhì)上是一個Bellman 迭代過程，對于一個節(jié)點層號的決策過程，它的層號表達式為h0 = min {h0，h+1}容易證明，對于任意一個節(jié)點A，它到達基站的路徑上，任意一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點B到達基站的跳數(shù)對于B來說都是最小的；在網(wǎng)絡(luò)層次化完成之后，每個節(jié)點都維護了一個下一跳節(jié)點，因此，對任意一個節(jié)點來說，都維護了一個到達基站的最小條數(shù)路徑；如果一個節(jié)點A有m個下一跳節(jié)點，它們使得 A到達基站的跳數(shù)均為h，那么A根據(jù)鏈路可靠性來動態(tài)的從這m個節(jié)點中選擇下一跳，一旦一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)，便可以根據(jù)CCM20提供的BER計算功能來計算該數(shù)據(jù)包傳輸過程中的誤碼率，并可以用這個BER值來估計當前信道可靠性，進而，選擇最為可靠的下一跳節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；當然，一個節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)后，還要返回給發(fā)送節(jié)點一個ACK消息， 用來反饋給發(fā)送節(jié)點當前信道的通信質(zhì)量，同時用來確認這個數(shù)據(jù)包的成功接收；實際上， ACK消息也可能不能被發(fā)送節(jié)點正確接收，雖然ACK消息本身的尺寸很小，因此，我們引入的重傳機制對于發(fā)送節(jié)點，如果在一段時間內(nèi)不能收到接收節(jié)點的ACK反饋，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)。一般來說，如果鏈路通信質(zhì)量為(誤碼率)為P，那么平均需要1/P-1次重傳，數(shù)據(jù)可以正確的被接收，如果最大可重傳次數(shù)被設(shè)置為k，那么第k次內(nèi)重傳成功的概率為 Σ P(I-P)i^d ^k)；在實際應(yīng)用中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，可以通過提高節(jié)點的放置密度來實現(xiàn)。
全文摘要
重大鋼混結(jié)構(gòu)用無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點，感知腐蝕電化學信息，進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點通過無線鏈路構(gòu)成自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，基于廣播的技術(shù)建立節(jié)點鄰居節(jié)點關(guān)系，然后使用Xserve框架設(shè)計傳感網(wǎng)路由協(xié)議來進行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)重大工程結(jié)構(gòu)多點、分布式監(jiān)測，實時掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計等提供科學依據(jù)，為腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
文檔編號H04W84/18GK102548034SQ20111044108
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者喬國富, 孫國棟, 歐進萍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學