無線傳感網(wǎng)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用概述 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已深入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，并對人類的居住環(huán)境和建筑業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，人們已經(jīng)開始追求充滿信息技術(shù)、安全技術(shù)、高效節(jié)能、并具有豐富人文環(huán)境的綠色住宅。目前，針對高效率、低成本和網(wǎng)絡(luò)化的智能家居終端，國內(nèi)外的許多公司都提出了相應(yīng)的解決方案，而中國國內(nèi)市場相關(guān)產(chǎn)品還較少，國際上的產(chǎn)品價(jià)格較高且還沒有進(jìn)入國內(nèi)市場，隨著市場的高速膨脹，其產(chǎn)生的商機(jī)是非常巨大的。 智能建筑 一個(gè)適用于智能建筑環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。這是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)，向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)、基站，最

2、終連接到Internet。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、綜合接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；臼悄軌蚝虸nternet 相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet 發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。用戶可以通過任意一臺(tái)連入Internet 的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令。建筑領(lǐng)域的應(yīng)用1.1.建筑節(jié)能建筑節(jié)能2.

3、2.橋梁結(jié)構(gòu)檢測橋梁結(jié)構(gòu)檢測3.3.建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，無論是大廈、橋梁還是古建筑、居民樓等。 下面列舉三例，來簡單介紹它在建筑中工作的原理與起到的作用。建筑節(jié)能 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建筑環(huán)境檢測傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對溫濕度、二氧化碳濃度、照度等室內(nèi)環(huán)境信息，以及各用能設(shè)備能耗狀況的監(jiān)測，便于能耗分項(xiàng)計(jì)量，達(dá)到能耗統(tǒng)計(jì)的目的。(1)監(jiān)測后臺(tái)：與RS485總線連接或直接基站相連，其主要任務(wù)是下達(dá)監(jiān)測命令，拜匯集各底層信息采集點(diǎn)的信息(2)基站：直接與控制后臺(tái)相連，任務(wù)是廣播后臺(tái)操控命令；(3)中繼：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能；(4)Node

4、節(jié)點(diǎn)：即終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳，并接收監(jiān)測后臺(tái)下達(dá)的監(jiān)測命令；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 系統(tǒng)可以快速、自適應(yīng)組建無線網(wǎng)絡(luò)，獲取室內(nèi)環(huán)境信息、建筑能耗信息，具有以下4大功能：(1)靈活、快速的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。系統(tǒng)可決速、靈活布置在各個(gè)需監(jiān)控的位置，組建無線環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的監(jiān)測信息。(2)事件報(bào)警。在樓宇監(jiān)控平臺(tái)中，可以導(dǎo)入樓層平面圖以及節(jié)點(diǎn)配置方案，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)探測到事件發(fā)生(例如：CO2氣體濃度超標(biāo)、非法人員入侵、溫度過高(火災(zāi)隱患)等)，可以及時(shí)報(bào)警并顯示出對應(yīng)的事件位置。(3)環(huán)境信息感知。傳感器節(jié)點(diǎn)配備溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器等，可感知環(huán)境

5、信息，并將這些信息傳輸至樓宇監(jiān)控平臺(tái)，甚至更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控層，延伸其感知范圍。(4)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)的感知各個(gè)時(shí)段的環(huán)境參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)等，并保存下來，在樓宇監(jiān)控平臺(tái)中可以隨時(shí)查看這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖形，了解、分析這些數(shù)據(jù)可以為更加有效的建筑運(yùn)營、節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)功能橋梁結(jié)構(gòu)檢測 目前，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，以及基于動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)分析算法的不斷完善，使得這種低成本的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)成為可能。這類技術(shù)方便靈活且成本低廉，克服了傳統(tǒng)檢測手段和有線監(jiān)測系統(tǒng)存在的弊端，是橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。圖為無錫蓉湖大橋監(jiān)測內(nèi)容：(1)索力：通過斜拉索的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算其承受的拉力；(2

6、)振動(dòng)響應(yīng)：橋塔和橋面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，用于動(dòng)力特性分析；(3)位移：包括橋面結(jié)構(gòu)的豎向撓度曲線、下部結(jié)構(gòu)橋墩臺(tái)的水平變位、主橋塔墩臺(tái)的垂直沉降、副跨第一輔助墩臺(tái)的垂直沉降，以及主塔的傾斜變形等；(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)變：包括主橋橋塔和主梁典型截面的應(yīng)變，典型拉索下端與主梁錨固區(qū)的應(yīng)變，高架引橋典型墩柱頂部預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變；(5)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)：溫度等影響橋梁結(jié)構(gòu)特性的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)；(6)車輛荷載：橋梁承載的車流量、車速、車長、車型及超載情況。橋梁結(jié)構(gòu)檢測 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中繼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過多跳方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到位于橋梁兩端的中

7、繼網(wǎng)關(guān)，由中繼網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到橋梁監(jiān)管部門的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析和挖掘。公用數(shù)據(jù)網(wǎng)可以采用有線網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)，這要根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)附近的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量確定。建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測 結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的加載歷史、應(yīng)力集中、材料的本構(gòu)關(guān)系，都會(huì)對其疲勞損傷的計(jì)算產(chǎn)生影響。文中用測量到的應(yīng)變均值和幅度來檢測疲勞損傷，通過國內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)證明疲勞抗力曲線如圖所示。）基本節(jié)點(diǎn)向葉節(jié)點(diǎn)發(fā)送疲勞監(jiān)測命令及參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)、通道標(biāo)號、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、三維直方圖尺寸以及應(yīng)變校正系數(shù)。）葉節(jié)點(diǎn)利用無線智能應(yīng)變傳感器開始疲勞監(jiān)測。）一段時(shí)間的監(jiān)測結(jié)束后，葉節(jié)點(diǎn)開始計(jì)算疲勞損傷的相關(guān)數(shù)據(jù)。）基站節(jié)點(diǎn)向葉節(jié)點(diǎn)發(fā)出回收數(shù)據(jù)請求，得到由葉節(jié)點(diǎn)發(fā)送處理后數(shù)據(jù)。完成之后，基站節(jié)點(diǎn)打印數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步監(jiān)測提供依據(jù)。設(shè)計(jì)步驟如下： 提出一種基于無線智能應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測的方法，采用分布式數(shù)據(jù)采集方式，壓縮原始數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低能源消耗，使長期無線疲勞健康監(jiān)測成為可能?？s尺懸臂鋼梁實(shí)驗(yàn)證實(shí)集中式與分布式疲勞壽命預(yù)測相近，預(yù)測結(jié)果可靠，表明了無線只能應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)在疲勞損傷監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用有理論基礎(chǔ)及工程價(jià)