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

第三章智能建造平臺(tái)體系WSN概述3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)隨著社會(huì)的發(fā)展，通信技術(shù)發(fā)展得越來(lái)越快，無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛無(wú)線通信中一個(gè)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(cè)局限定義1大規(guī)模、無(wú)線、自組織、多跳、無(wú)分區(qū)、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，網(wǎng)絡(luò)成本較低、體積較小、大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，被隨意散布在工作區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有較長(zhǎng)的工作時(shí)間WSN由大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)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(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染等，同時(shí)通過(guò)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到某個(gè)地方定義2定義33無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)WSN概述——WSN特點(diǎn)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)+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?dòng)態(tài)變化以數(shù)據(jù)為中心源受限4WSN概述——WSN特點(diǎn)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)分布式和網(wǎng)絡(luò)自組織沒(méi)有設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都擁有相同的權(quán)限，各節(jié)點(diǎn)之間都是通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)，自動(dòng)將所有節(jié)點(diǎn)組織到一起01規(guī)模大且密度高常由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，覆蓋區(qū)域大，節(jié)點(diǎn)密集；網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大、密度高、存在冗余節(jié)點(diǎn)，造價(jià)相對(duì)便宜02網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是不斷變化的，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、故障、節(jié)點(diǎn)能源的耗盡、新節(jié)點(diǎn)的加入、無(wú)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(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系04源受限無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常用于一些特殊場(chǎng)所和領(lǐng)域，傳感器往往在價(jià)格、體積和功耗上受到限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、續(xù)航能力相對(duì)較弱，無(wú)法做大規(guī)模的存儲(chǔ)和計(jì)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(cè)局限無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)信息收集和數(shù)據(jù)處理，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換管理節(jié)點(diǎn)所有者通過(guò)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源6WSN體系結(jié)構(gòu)——感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)3.2

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

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)3142感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的核心，包括處理器和存儲(chǔ)器兩部分，節(jié)點(diǎn)的所有功能及任務(wù)進(jìn)度都需要它來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換傳感器模塊由信號(hào)接收器、信號(hào)發(fā)射器等部件構(gòu)成。無(wú)線通信模塊的主要功能是和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信無(wú)線通信模塊8WSN體系結(jié)構(gòu)——感知節(jié)點(diǎn)的限制條件3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)微型嵌入式設(shè)備，要求價(jià)格低、功耗小導(dǎo)致其攜帶的處理器計(jì)算能力比較弱，存儲(chǔ)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(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制傳感器感知節(jié)點(diǎn)體積很小，攜帶的能量有限分布廣泛，能量無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充感知節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊：傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊電源能量有限計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限感知節(jié)點(diǎn)各個(gè)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(cè)ABCDE物理層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧負(fù)責(zé)生成載波，并對(duì)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(cè)、介質(zhì)訪問(wèn)控制和差錯(cuò)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(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸控制應(yīng)用層為基于監(jiān)測(cè)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(cè)無(wú)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(cè)在該模型中增加了時(shí)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(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)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(dòng)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(wèn)題3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)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(jī)制安全協(xié)議密匙管理：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制；安全傳播：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播13WSN在健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——工程簡(jiǎn)介3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)局限西安奧體中心體育場(chǎng)建于西安國(guó)際港務(wù)區(qū)，是2021年第十四屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)的主場(chǎng)館。奧體中心體育場(chǎng)主要由“一場(chǎng)兩館”組成，呈“品”字形布陣，一場(chǎng)是指主體育場(chǎng)，兩館分別是指體育館和游泳館。體育場(chǎng)看臺(tái)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(chǎng)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(zhǎng)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(cè)中的應(yīng)用——監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)局限特點(diǎn)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(jì)使用壽命長(zhǎng)、建筑規(guī)模龐大，長(zhǎng)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(duì)大型空間結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置繁多，現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線通信技術(shù)，利用先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)手段和方法，對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，建立長(zhǎng)期有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)15WSN在健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.2

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

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)局限感知層：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心部分01通信層：負(fù)責(zé)的是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息，為下一步實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析、結(jié)構(gòu)的智能診斷、系統(tǒng)的分級(jí)預(yù)警提示等提供平臺(tái)03管理層通信層感知層17WSN在健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析3.2

WSN與智能施工監(jiān)測(cè)局限用戶界面設(shè)計(jì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成用戶正確輸入自己的賬號(hào)和密碼即可進(jìn)入到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面，可查看基本監(jiān)測(cè)信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)可以查看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)的各個(gè)功能，包括監(jiān)測(cè)設(shè)備總覽、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回放、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)界面設(shè)計(jì)通過(guò)查詢