无线网络传感器视角下土木工程组织状态检测

　　1绪论

　　1.1前言

　　在人类进入电子信息时代以后，社会的发展速度达到了空前的地步。在机器的帮助下，生产力提高了几十倍，人与人之间的距离也开始大跨步的缩短。从上个世纪80年代以来，在电子技术和计算机技术迅速发展的推动下，无线通信和网络技术也获得了长足的发展。在日常生活工作中，因为无线网络的方便而显得越来越重要。从公共安全、生态环境、应急指挥、智能交通到工农业、军事、国防等诸多方面领域有着广泛的应用。在现有的无线传感器网络中，Zig Bee技术发展发展尤为迅速。Zig Bee这个名词是来源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂在飞行过程中会不停的出现219与Zag的图像来交换它们之间的各种信息，它们身材较小，数量众多，形成的网络庞大，而自己需要的食物非常少。这正是Zig Bee技术的主要特点:结构小巧简单、组网灵活多样、低成本、低功耗。具有非常大使用价值和十分广阔的应用前景。

　　1.2课题背景

　　本课题是在西安建筑科技大学智能建筑研究实验室与土木工程结构实验室共同支持的自选研究课题。在土木结构状态检测中，传统的方法都是建立在庞大的有线网络的基础上。这中方法不仅有烦琐的布线烦恼，而且在电缆的用量上也是相当的惊人，也是整体造价比较高的一个重要原因，尤其是在越来越高的摩天大楼和跨度越来越长的大桥上。并且随着时间的流逝，电缆的老化，传输的速率与准确率也会有影响，而且在外界风荷载等作用，线缆的摆动会严重影响到检测精度。如果发生地震等灾害，电缆受损，检修整个系统将会是一件非常庞大的工程。在这样的背景下，我们提出用无线网络传感器技术对土木结构状态进行检测。这样我们省去了布线的环节，也大大降低的造价成本，并且在日常检修或着在灾后重建网络中也简化了大量工作。更重要的是在安装与检修的时候，不会对土木建筑造成任何损伤。相信在未来的土木工程结构状态检测中，无线传感器网络的大量应用肯定是人们的首选也是发展的必然趋势。

　　1.3国内外研究现状

　　在无线传感器网络及其应用研究方面，我国几乎与发达国家同时起步。而在土木结构状态检测方面，国内的相关研究与应用要稍微晚与国外。

　　1.3.1无线传感器网络相关领域研究现状

　　无线传感器网络目前是一个非常活跃的一个新领域。上世纪80年代，在电子技术和计算机技术的双重推动下，无线网络也得到了很好的发展。随后美国发动了真正意义上的现代无线网络传感器技术的研究。其后，该技术有如雨后春笋，迅速在全世界蔓延开来，相关研究工作也在各主要的发达国家中轰轰烈烈地开展起来，并相继被一些重要的权威机构预测为将改变世界的重要新技术。从20世纪80年代开始，经过数十年的初级研发阶段，到90年代开始，无线传感器网络已经开始慢慢的融入了我们的生活当中。从手机的GSM网络到红外传感技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术等等都以不同的工作方式，不同的传输速率为我们实现了信息的传递与网络的连接。借此，我们成功的从繁琐的蜘蛛网式电缆中解放了出来，为我们的信息传递提供了方便，大大的提高了我们的生活以及工作效率。

　　最早在冷战时期，无线传感器网络已经被美国在研究和应用。当时美国花巨资建立了一套海底声响检测系统用来监视前苏联的核潜艇行踪。随后，传感器网络在军事等顶尖领域得到广泛的应用，其中包括防空雷达网络等。1978年美国国防部高级研究计划局(DARPA)在卡耐基一梅隆大学召开了分布式传感器网络的研讨会。随后在1979年，DAR以提出了“分布式传感器网络计划—DSN”。1998年该部门又提出了“传感器信息技术计划—SenSIT”。2000年，传感器网络被美国国防部列为国防技术中的五个尖端领域之一。2003年，无线传感器网络技术被美国著名杂志《技术评论》评为未来将改变人类生活的十大技术之首。毋庸置疑，这些计划与评论都对无线传感器网络的发展起到了重要的推动作用。

　　2 ZIGBEE技术及协议

　　2.121GBEE技术概述

　　Bee是蜜蜂的意思，而219则是蜜蜂在空中飞舞时的一个大体轨迹，从而互相交流并传递信息。蜜蜂的特点就是体积小、数量多、能量消耗少、蜂群所形成的网络庞大而且非常灵活，它正好吻合了ZigBee无线传感器网络得一些基本特征，这也是ZigBee这个名词的来源。ZigBee联盟成立于2001年8月，其主要目标是以通过融入无线传感器网络功能，为消费者提供更富弹性、更方便使用的电子产品，建立初期主要成员有美国摩托罗拉公司、日本三菱公司、荷兰飞利浦公司和英国Invensys公司。目前在这四大公司的倡导下，全球已超过160家公司加入该联盟，中国华为公司也在其中。近些年，中国也成立了自己的ZigBee联盟，目前正处在蓬勃的发展当中。ZigBee技术的工作频段分为3个;美国主要使用915MHz，欧洲是865MHz，而2.4GHz频段在全球都可以使用。三个频段都是免费频段，其传输速率分别为4Okbit/s、20kbit/s和250kbit/s。单个节点理论传输距离可达100米，但是可以通过多跳来实现远距离信息传输。理论上一个协调器可连接255个节点，而整个网络按三级网络结构拓扑的话，最多可以连接65000个网络节点。在通讯网络中，zigBee技术定义了编号从0到26的27个信道，其中欧洲标准的865MHz频段只占用一个0号信道，美国流行的915MHz频段占用从1到10号的1个信道，从902MHz到928MHz，平均每两个信道之间相差ZMHz，而剩下的16个信道全被2.4GHz频段占用，平均每两个信道之间相差SMHz。

　　2.1.1zigBee技术的基本特点

　　ZigBee技术实现的是低成本、短距离、小吞吐量、低功耗、低速率、高安全性的传输方式，在远程监控等领域有着广泛的应用，同时终端节点可以搭载各类传感器，并可实现远程定位功能。根据实际情况既可以人为控制网络结构，也可以自由灵活组网，网络形式多样，结构简单，加上造价成本低廉，非常适合在环境恶劣，无人进入的环境中工作。同时，ZigBee技术的出现也填补了低速率的无线传感器网络的空白，丰富了无线传输技术的内容。

　　(1)低功耗。网络节点全部采用干电池供电，一般情况下两节五号电池就可以让一个节点工作数月，如果节点是精简功能节点，定时休眠与唤醒，则两年时间可以不用更换电池。相比其他现有无线传感器的功耗，如蓝牙一次充电可以工作几周，而Wi-Fi只有数小时，ZigBee技术的这个特点尤为突出。