强震环境下多点建筑形变监测组网技术研究与实现

作     者：季明杰 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白旭

授予年度：2022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] 0813[工学-建筑学] 081002[工学-信号与信息处理] 081301[工学-建筑历史与理论] 

主      题：强震监测 电源管理 AODV LORA 

摘      要：我国地处亚欧大陆板块,华北、东南沿海及台湾省由于受到环太平洋地震带地震活动的影响,每年都会发生大量地震活动,此外,西南、西北由于受欧亚地震带影响,也频频受灾。地震作为对社会影响最大自然灾害之一,对人们的财产和生命都存在着巨大的威胁,所以研究地震活动中建筑物的位移等信息对我国这样一个有着14亿多人口体量的大国来说就显得格外重要,合理的建筑物结构设计能在地震中挽救更多人的生命财产。目前,我国对于地震活动的监测主要局限于地表运动和某些特殊自然现象的监测,缺少专门针对建筑物在地震中的振动信息监测设备。并且由于地震活动的高度破坏性,很多社会保障资源都会在大震中被摧毁,尤其是电力、通信等重要的公共基础服务资源,因此,在系统设计时必须考虑各种可能的极端情况,确保在地震发生后,采集设备可以正常工作,并能将采集数据发送出去。为了提高设备易维护性和可快速组装的设计目标,设备硬件设计上采用了模块化思路,整个设备硬件分为数采分系统和电源管理分系统两个部分。数采分系统包括数据采集、数据处理和无线通信三个子单元,协调完成信号的模数转换、处理和收发功能。电源管理分系统包括双电自适应切换和电压转换两个子单元,完成市电和备用电池的无缝自适应切换并稳定向数采分系统各单元供电。数据采集单元主要基于AD4111数采模块设计,AD4111是一款低功耗24位高精度的AD转换芯片,可以满足系统对高精度数据采集的设计目标。数据处理单元基于STM32F407ZTG6设计实现,STM32系列芯片接口丰富,成本低廉,处理速度快,是理想的MCU控制芯片。无线通信系统基于LORA无线扩频通信模块和4G网络通信模块设计实现。当AD4111收到传感器的模拟地震信号时,实时对地震信息进行模数转换,通过SPI串行通信总线将数据输送给STM32中央处理单元,由中央处理单元完成数据的暂存及前端处理,再将数据发送给无线通信模块,由无线通信模块完成数据传送。无线通信模块采用AODV路由协议进行无线通信路由的发现和选择,通过物理层传输协议MAC协议进行链路通信控制。本课题中无线通信有两种通信模式,一种是当本地通信簇群的LORA基站和4G中心节点工作正常时,采用MAC协议直接进行PPP模式的点对点通信,完成通信簇内的数据传输,由4G模块将数据传输至云端服务器,供客户远程查看;第二种是当中心节点的LORA基站或4G中心节点工作故障时,先采用AODV路由协议进行路由选择,再通过MAC协议进行数据传输,由其他通信簇的中心节点完成数据转发。