智能建造理論與實踐 課件 3.2節(jié) WSN與智能施工監(jiān)測

第三章智能建造平臺體系WSN概述3.2

WSN與智能施工監(jiān)測隨著社會的發(fā)展，通信技術(shù)發(fā)展得越來越快，無線通信技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛無線通信中一個新興領(lǐng)域,得到迅速的發(fā)展，并漸漸走向集成化、規(guī)?；瘮?shù)據(jù)獲取的重要手段，其在智能建造應(yīng)用體系中的作用日漸凸顯，使用方法也日益成熟和規(guī)范2WSN概述——WSN定義3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限定義1大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是同構(gòu)的，網(wǎng)絡(luò)成本較低、體積較小、大部分節(jié)點不移動，被隨意散布在工作區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有較長的工作時間WSN由大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個空間分布的自主傳感器組成，用于監(jiān)控物理或環(huán)境條件，如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染等，同時通過協(xié)同網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到某個地方定義2定義33無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)WSN概述——WSN特點3.2

WSN與智能施工監(jiān)測+01+02+03+04+05分布式和網(wǎng)絡(luò)自組織規(guī)模大且密度高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化以數(shù)據(jù)為中心源受限4WSN概述——WSN特點3.2

WSN與智能施工監(jiān)測分布式和網(wǎng)絡(luò)自組織沒有設(shè)置中心節(jié)點，所有的節(jié)點都擁有相同的權(quán)限，各節(jié)點之間都是通過分布式算法來協(xié)調(diào)，自動將所有節(jié)點組織到一起01規(guī)模大且密度高常由成千上萬個傳感器節(jié)點組成，覆蓋區(qū)域大，節(jié)點密集；網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大、密度高、存在冗余節(jié)點，造價相對便宜02網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是不斷變化的，節(jié)點的移動、故障、節(jié)點能源的耗盡、新節(jié)點的加入、無線信道的不穩(wěn)定等都可能造成結(jié)構(gòu)的變化03以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系04源受限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常用于一些特殊場所和領(lǐng)域，傳感器往往在價格、體積和功耗上受到限制，單個節(jié)點的計算能力、存儲空間、續(xù)航能力相對較弱，無法做大規(guī)模的存儲和計算055WSN體系結(jié)構(gòu)——網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點信息收集和數(shù)據(jù)處理，對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等匯聚節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換管理節(jié)點所有者通過任務(wù)管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源6WSN體系結(jié)構(gòu)——感知節(jié)點結(jié)構(gòu)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測A傳感器模塊B處理器模型C無線通信模塊D供電管理模塊感知節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖7WSN體系結(jié)構(gòu)——感知節(jié)點結(jié)構(gòu)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測3142感知節(jié)點結(jié)構(gòu)的核心，包括處理器和存儲器兩部分，節(jié)點的所有功能及任務(wù)進(jìn)度都需要它來協(xié)調(diào)完成處理器模型提供并管理電能，在具體應(yīng)用中，要根據(jù)能耗情況選擇供電設(shè)備，用電量小的則可以選擇微型電池供電管理模塊包括傳感器和AD/DC轉(zhuǎn)換器（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），傳感器部分負(fù)責(zé)采集信息，AD/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)模數(shù)信號轉(zhuǎn)換傳感器模塊由信號接收器、信號發(fā)射器等部件構(gòu)成。無線通信模塊的主要功能是和其他無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點進(jìn)行通信無線通信模塊8WSN體系結(jié)構(gòu)——感知節(jié)點的限制條件3.2

WSN與智能施工監(jiān)測微型嵌入式設(shè)備，要求價格低、功耗小導(dǎo)致其攜帶的處理器計算能力比較弱，存儲容量小數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制傳感器感知節(jié)點體積很小，攜帶的能量有限分布廣泛，能量無法及時補充感知節(jié)點消耗能量的模塊：傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊電源能量有限計算和存儲能力有限感知節(jié)點各個模塊的能量消耗情況示意圖9WSN的協(xié)議棧3.2

WSN與智能施工監(jiān)測ABCDE物理層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧負(fù)責(zé)生成載波，并對載波進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)數(shù)據(jù)鏈路層把數(shù)據(jù)流封裝成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問控制和差錯控制網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的生成、選擇和維護(hù)傳輸層負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸控制應(yīng)用層為基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用軟件進(jìn)程服務(wù)10WSN的協(xié)議棧3.2

WSN與智能施工監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧細(xì)化模型11WSN的協(xié)議棧3.2

WSN與智能施工監(jiān)測在該模型中增加了時間同步和定位功能，，它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制集中在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，基于服務(wù)質(zhì)量的管理集中在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議中。能量、安全和移動管理則跨越了網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。12WSN安全問題3.2

WSN與智能施工監(jiān)測安全路由安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)真、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機制安全協(xié)議密匙管理：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制；安全傳播：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播13WSN在健康監(jiān)測中的應(yīng)用——工程簡介3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限西安奧體中心體育場建于西安國際港務(wù)區(qū)，是2021年第十四屆全國運動會的主場館。奧體中心體育場主要由“一場兩館”組成，呈“品”字形布陣，一場是指主體育場，兩館分別是指體育館和游泳館。體育場看臺上空覆蓋了完整的環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)罩棚，上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚采用徑向懸挑主桁架＋環(huán)向次桁架＋水平支撐結(jié)構(gòu)體系，下部混凝土結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。從上空往下看，體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚平面近圓環(huán)形，東西高、南北低，立面呈馬鞍形，其外輪廓線南北最大長度約335米，東西約321米，罩棚最大寬處約74米，最窄處約45米。14WSN在健康監(jiān)測中的應(yīng)用——監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限特點目的措施原因大型空間結(jié)構(gòu)建筑物；投資金額大、設(shè)計使用壽命長、建筑規(guī)模龐大，長期受到自然環(huán)境、自身材料老化、地基不均勻沉降影響為了保證重大空間結(jié)構(gòu)建筑物的安全性、耐久性和適用性，需要對大型空間結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行實時健康監(jiān)測一是監(jiān)測點布置繁多，現(xiàn)場線纜布線困難且成本也比較高；二是布線凌亂復(fù)雜，不利于后期的管理和維護(hù)，還存在安全隱患結(jié)合WSN與無線通信技術(shù)，利用先進(jìn)的健康監(jiān)測手段和方法，對健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，建立長期有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)15WSN在健康監(jiān)測中的應(yīng)用——監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限感知層通信層管理層16WSN在健康監(jiān)測中的應(yīng)用——監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限感知層：負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心部分01通信層：負(fù)責(zé)的是監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，是實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)02管理層：為管理人員提供監(jiān)測系統(tǒng)中各測點的監(jiān)測信息，為下一步實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析、結(jié)構(gòu)的智能診斷、系統(tǒng)的分級預(yù)警提示等提供平臺03管理層通信層感知層17WSN在健康監(jiān)測中的應(yīng)用——監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計及數(shù)據(jù)分析3.2

WSN與智能施工監(jiān)測局限用戶界面設(shè)計健康監(jiān)測系統(tǒng)組成用戶正確輸入自己的賬號和密碼即可進(jìn)入到健康監(jiān)測系統(tǒng)的主界面，可查看基本監(jiān)測信息無線監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計可以查看監(jiān)測系統(tǒng)中開發(fā)的各個功能，包括監(jiān)測設(shè)備總覽、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、歷時監(jiān)測數(shù)據(jù)回放、監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出等監(jiān)測數(shù)據(jù)實時界面設(shè)計通過查詢