[总结] Wireless Sensor Networks for Civil Infrastructure Monitoring A Best Practice Guide-Chapter 1-2

论文标题：

Wireless Sensor Networks for Civil Infrastructure Monitoring A Best Practice Guide-Chapter 1-2

关键词：

无线传感器网络，土木工程，系统设计

选择适当的监测技术是任何监测项目风险管理过程中的一个关键因素，这在建筑和土木工程行业尤为重要。目视检查仍然是实践中最常用的方法，其次是有线监控系统，目前的目视检查技术无法精准检测到损坏或劣化。在许多具有挑战性的环境中，例如在地下铁路中，安装有线监测系统往往是困难且造价极高，因为需要铺设电缆连接系统中的每个传感器。另一种选择是使用无线传感器网络（WSN）技术。无线传感器网络已被证明是一种低成本、资源高效的替代方案，适用于各种各样的监控应用。然而，迄今为止，建筑和土木工程行业采用这些技术的速度很慢。人们认为，采用缓慢的一个主要原因是，在成功部署使用无线传感器网络作为数据收集基础技术的监测系统方面，缺乏统一标准。该文献旨在整合用于监测土木工程基础设施的无线传感器网络设计和实施的通用方法。本次，选择了1-2章节进行阅读，该部分章节叙述了无线传感器网络的结构设计及帮助确定监测系统的关键性能标准，及需要测量的参数。

研究结果：

1. 无线传感器网络节点——结构

[图片上传失败...(image-f1842b-1631638043139)]

l 感知模块

n 温度，湿度，应变和加速度等

n 信号调节单元

u ADC（模拟数字转换器）

l 处理模块

n 它负责管理无线传感器节点的操作，包括感知和无线通信

n 一般直接搭载MCU（微控制单元，即小电脑），负责处理和存储数据

l 通信模块

n 取决于链路介质

u 射频，光，声，磁感应

n 例如

u RFID: 几米

u 磁感应: 几百米

u 射频技术：能到数千米: kilometers

l 能源模块

n 电池、太阳能板或交流电

l 其余模块

n 存储器（外部闪存和SD存储器）

n 驱动装置（形状记忆合金）

2. 无线传感器网络——组织结构

无线传感器网络可以被描述为由一个或多个无线传感器节点组成的网络，其获取数据并将数据传输到一个或多个数据接收器，而不需要固定的通信基础设施或用于通信的数据电缆。

无线传感器网络中节点之间的无线通信链路可以遵循不同的拓扑配置，如下图

[图片上传失败...(image-46e276-1631638043138)]

l Star：这是无线传感器网络最简单的配置，其中节点直接与公共数据接收器通信，但彼此不通信。

l Mesh：在Mesh配置中，节点能够使用多跳通信(Multi-hop communication)彼此通信以及与数据接收器通信。

l Hierarchical or clustered ： 节点被分组到由单个数据集中单元（通常表示为簇头(cluster head)）控制的集群中。每个集群可以是星形、网状或集群子网络，从而形成一个层次系统。

3. 全生命周期阶段

Initiation: 该阶段首先确定项目干系人及其要求、项目目标、可交付成果和结构。这一阶段非常关键，定义了所有监测系统功能需求。

Design: 该阶段包括系统的详细规划、设计和测试。它通常需要多次设计评审，包括纠正错误和重新设计。

Installation: 该阶段涉及部署现场“设计”系统的安装和性能验证。主要负责对于监测系统的成功运行和有效传感器数据的交付。

Operation: 该阶段从系统调试和监控启动开始。它包括系统的管理和维护，以及监测过程中产生的数据管理、分析和解释。

Completion: 这一最后阶段包括拆除监测系统（可选）、最终项目文件、经验教训、绩效审查、最终报告（可选）和合同的正式完成。

4. 监测目标

无线传感器网络监控土木工程基础设施的常见目标是：

• 监测和控制施工过程
• 验证结构设计并描述结构性能
• 检测异常基础设施行为
• 确定已知问题的原因
• 设计适当的改造措施
• 保护现有资产或其运行
• 协助基础设施维护
• 触发与应急响应工作相关的预先计划的应急行动，包括建筑物疏散和交通控制
• 研究和开发

5. 监测要求

对于无线传感器网络的监测要求

• 数据采集要求
• 采样率和数据传输率
• 监控项目成本和支付模式
• 监控区域范围和监控密度
• 监控持续时间
• 电源要求
• 可靠性和稳健性要求
• 安全要求
• 与现有或未来监测系统的互操作性
• 系统管理和维护要求
• 数据管理、数据所有权和数据共享要求
• 数据正式报告要求
• 风险管理

6. 部署无线传感器网络之前需要考虑的问题

确定数据收集的要求，并明确理解此类要求的原因，解决以下硬件上的问题。

• 需要监测哪些物理参数以及测量这些参数的原因是什么？
• 数据测量需要什么样的精度和精密度？
• 预期的测量范围是多少？
• 哪些因素会影响测量参数，以及允许测量中出现意外变化的适当阈值是多少？
• 需要哪些传感器以要求的精度和精度测量预期的物理参数？
• 需要什么样的数据采集方式（即周期、连续或阈值触发）？
• 可接受的服务水平（即系统性能）需要什么样的数据采样率和数据传输率？
• 采集后如何立即使用数据测量（例如。 它们是在传感器节点上本地处理和存储，还是传输，或者两者都传输）？

对设计的启示：

l 该文章，和传统的设计有些不同，主要将重心放在传感器系统的设计上。在设计前期，需要考虑要1. 解决什么问题。2. 在解决问题的途中，会遇到什么样的问题，硬件/软件/流程上的问题。

l 在做设计的过程中，需要对全局流程有一定的了解，清楚自己所做的事情，是在哪一个流程中。能快速定位到自己的角色，以及正确认清自己在全流程中的重要性如何。

l 对于硬件细节的思考，上述问题需要放在项目自检清单中。

未来：

l 提取更多的行业规范及标准，清楚从设计到实践部署的流程。

l 继续阅读该文章，提取更多偏于实践上的内容。