基于射频能量收集的结构健康监测系统设计与研究

作     者：陈敏 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程鹏;陈积明

授予年度：2017年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：射频能量收集 无线可充电传感网络 低功耗传感系统设计 结构健康监测 

摘      要：结构健康监测能合理规避结构损伤带来的危害,对保障人民生命和财产安全至关重要。传统的结构健康监测大多依靠手动部署数据采集仪实现结构关键参数的测量,成本高且效率低。无线传感器网络可实现无线、直观的结构健康监测,但系统均采用电池供电,严重限制了网络寿命和应用场景。为了解决目前结构健康监测系统中数据采集不便、节点寿命有限等问题,本文基于射频能量收集技术设计并实现了一种可充电结构健康监测系统,具体研究内容和贡献有以下三点:1.系统阐述了可充电结构健康监测系统的宏观架构及组成部分,并对核充电、低功耗通信、应变测量和云端存储等核心模块设计进行详细说明。针对实时应用场景,考虑节点低功耗与高采样频率,提出系统设计思路。并从能量获取、存储和利用三方面说明系统设计难点及解决方法,为可充电结构健康监测系统的设计与实现提供了详细的理论指导与实践方法。2.在钢结构架设过程中,监测系统需实时返回数据,节点功耗必须尽可能低以保证较高的采样频率。本文基于被动式RFID通信设计了兼容商用阅读器的超低功耗无线监测节点,并使用RFID阅读器、接入无线网络的路由器自行设计了汇聚节点和云端存储与本地展示平台,搭建了完整的超低功耗结构健康监测系统实现钢结构表面应变和温度数据的实时获取、存储及展示。3.搭建实际的测试平台对所设计系统的能量收集性能、节点能量消耗性能、传感性能和无线通信性能进行评估分析。通过实验数据分析了射频能量收集传感节点的能量收集效率提升方法,系统测试结果表明系统能可靠稳定的工作,实现了高效的射频能量收集及利用、传感数据的即时准确获取以及结构健康参数的直观显示。