一种基于无线通讯的土木工程监测系统的制作方法

文档序号：11145981阅读：610来源：国知局

本发明涉及土木工程监测系统，尤其涉及一种基于无线通讯的土木工程监测系统。

背景技术：

近年来随着土木工程大面积的推进，人们对土木工程的健康安全关注越来越密切，土木工程监测成为安全行业的一大重要任务。土木工程的健康状态主要通过土木工程的物理量来反应，例如通过监测加速度、监测应变和监测温度反应出土木工程结构的健康状态。

但目前监测土木工程的加速度、应变和温度都是有线设备完成监测的，即监测出的加速度值、应变值和温度值只能通过有线方式传输至控制土木工程的设备上。这样在土木工程结构中需要布置大量的传输线路，导致监测土木工程状态的成本很高。同时，目前的土木工程监测系统技术还不够成熟，还存着着监测精度低，施工困难等缺陷和不足，还不能很好地满足实用要求。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于无线通讯的土木工程监测系统，旨在解决土木工程监测成本高、监测精度低、不能满足实用要求的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于无线通讯的土木工程监测系统包括数据采集模块，数据处理模块，电源模块，第一无线数据通讯收发模块,第二无线数据通讯收发模块，中央处理单元，数据服务器和无线通信网络，所述的数据采集模块与数据处理模块及电源模块相连，起到信息采集的作用；所述的数据处理模块与数据采集模块及电源模块相连，起到数据处理及转换的作用；所述的第一无线数据通讯收发模块与数据处理模块及电源模块相连，起到无线数据收发传递的作用；所述的电源模块与采集模块、数据处理模块及第一无线数据通讯收发模块相连，起到提供电源的作用；所述的第二无线数据通讯收发模块与中央处理单元相连，起到无线数据收发传递的作用；所述的中央处理单元与第二无线数据通讯收发模块及数据服务器相连，起到数据计算的作用；所述的数据服务器与中央处理单元相连，起到数据库数据存储、数据分析的作用；所述的无线通讯网络起到第一无线数据通讯收发模块与第二无线数据通讯收发模块之间无线数据传输作用。

进一步，所述的数据采集模块具体包括温度传感器、加速度传感器及应变传感器，所述的温度传感器与数据处理模块相连，起到采集木工程结构温度数据作用；所述的加速度传感器与数据处理模块相连，起到采集木工程结构加速度物理量数据作用，所述的应变传感器与数据处理模块相连，起到采集土木工程结构的应变物理量的信号的作用。

进一步，所述的温度传感器，具体采用TMP102数字温度传感器。TMP数字温度传感器是一个两线串行I2C总线输出的数字温度传感器，并内置A/D转换器，这样数据采集模块向数据处理模块传输是数字信号，使数据处理加方便、快捷。

进一步，所述的加速度传感器，具体采用型号为ADXL335三轴加速度传感器，该传感器是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，能以±3g的满量程范围测量加速度。

进一步，所述的应变传感器具体采用型号为CL-YB-11应变传感器，该传感器抗侧向力好,结构紧凑,安装使用方便。

进一步，所述的数据处理模块具体采用型号为四核处理器3.3Gi5CPU，能够有效提高数据处理速度。

进一步，所述的电源模块具体采用不间断的UPS供电电源,型号为山特C2K2KVA 1600W，具体为数据采集模块、数据分析模块及第一无线数据通讯收发模块供电。

进一步，所述的第一无线数据通讯收发模块，第二无线数据通讯收发模块均具体采用型号为工业无线数据传输模块CDMA DTU，CDMA DTU模块内置工业级CDMA模块，内嵌TCP/IP协议，可以通过CDMA网络实现数据信息传输。

进一步，所述的中央处理单元具体采用AMD四核处理器，有利于提高运算速度。

进一步，所述的数据服务器具体采用DL180Gen9惠普服务器，该服务器搭载英特尔至强2603v3处理器，主频达1.9GHz，同时标配8GB内存，并且还有四端口前兆网卡，性能强劲。

进一步，所述的无线通讯具体采用为CDMA网络。

进一步，所述数据采集模块设置有收敛加密单元，所述收敛加密单元的收敛加密方法包括：

(1)数据拥有者首先计算数据m的哈希值h(m)，其中h(·)是密码学中的一个强哈希函数，h(m)作为加密数据m的密钥；

(2)用h(m)加密数据，假设E是一个对称密钥加密函数，则产生的密文就是E_h(m)(m)；

(3)用所有的授权用户的公钥加密h(m)，密文是：(C，C′)，其中C＝E_h(m)(m)，C′＝E_PK(h(m))，F是一个公钥加密函数，PK是公钥；

(4)数据只能被授权用户解密，合法用户首先用自己的私钥解密得到h(m)，最后用h(m)来恢复m，表示如下：

进一步，所述第一无线数据通讯收发模块设置有无线体域网极限容量计算单元，所述无线体域网极限容量计算单元的无线体域网计算方法如下：

利用Laguerre多项式计算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)；

n＝max(N_t,N_r)；

为次数为k的Laguerre多项式；

如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)；

式简化为：

进一步，所述第二无线数据通讯收发模块设置有无线信任值计算模块，所述无线信任值计算模块的信任值计算方法包括以下步骤：

步骤一，采集节点间不同时间片的交互次数，根据得到的数据建立时间序列，通过三次指数平滑法来预测节点间下一个时间片的交互次数，将交互次数预测值与实际值的相对误差作为节点的直接信任值；采集网络观测节点i与节点j之间的n个时间片的交互次数：

选取一定时间间隔t作为一个观测时间片，以观测节点i和被测节点j在1个时间片内的交互次数作为观测指标，真实交互次数，记作y_t，依次记录n个时间片的y_n，并将其保存在节点i的通信记录表中；

预测第n+1个时间片的交互次数：

根据采集到的n个时间片的交互次数建立时间序列，采用三次指数平滑法预测下一个时间片n+1内节点i和j之间的交互次数，预测交互次数，记作计算公式如下：

预测系数a_n、b_n、c_n的取值可由如下公式计算得到：

其中：分别是一次、二次、三次指数平滑数，由如下公式计算得到：

是三次指数平滑法的初始值，其取值为：

α是平滑系数(0＜α＜1)，体现信任的时间衰减特性，即离预测值越近的时间片的y_t权重越大，离预测值越远的时间片的y_t权重越小；一般地，如果数据波动较大，且长期趋势变化幅度较大，呈现明显迅速的上升或下降趋势时α应取较大值(0.6～0.8)，增加近期数据对预测结果的影响；当数据有波动，但长期趋势变化不大时，α在0.1～0.4之间取值；如果数据波动平稳，α应取较小值(0.05～0.20)；

计算直接信任值：

节点j的直接信任值TD_ij为预测交互次数和真实交互次数y_n+1的相对误差，

步骤二，采用多路径信任推荐方式而得到的计算式计算间接信任值；收集可信节点对节点j的直接信任值：

节点i向所有满足TD_ik≤φ的可信关联节点询问其对节点j的直接信任值，其中φ为推荐节点的可信度阈值，根据可信度的要求精度，φ的取值范围为0～0.4；

计算间接信任值：

综合计算所收集到的信任值，得到节点j的间接信任值TR_ij，其中，Set(i)为观测节点i的关联节点中与j节点有过交互且其直接信任值满足TD_ik≤φ的节点集合；

步骤三，由直接信任值和间接信任值整合计算得出综合信任值，综合信任值(T_ij)的计算公式如下：T_ij＝βTD_ij+(1-β)TR_ij，其中β(0≤β≤1)表示直接信任值的权重，当β＝0时，节点i和节点j没有直接交互关系，综合信任值的计算直接来自于间接信任值，判断较客观；当β＝1时，节点i对节点j的综合信任值全部来自于直接信任值，在这种情况下，判断较为主观，实际计算根据需要确定β的取值。

本发明的有益效果为：通过数据处理模块、第一无线数据通讯收发模块、第二无线数据通讯收发模块和中央处理单元设置，使土木工程监测无需布置有线传输线路，降低土木工程的监测成本，增加了土木工程监测系统的智能化程度，提高监测精度，提高实用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1、数据采集模块；1-1、温度传感器；1-2、加速度传感器；1-3、应变传感器；2、电源模块；3、数据处理模块；4、第一无线数据通讯收发模块；5、第二无线数据通讯收发模块；6、中央处理单元；7、数据服务器；8、无线通讯

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。

如附图1所示

一种基于无线通讯的土木工程监测系统，包括数据采集模块1，数据处理模块3，电源模块2，第一无线数据通讯收发模块4,第二无线数据通讯收发模块5，中央处理单元6，数据服务器7和无线通信网络8，所述的数据采集模块1与数据处理模块3及电源模块2相连，起到信息采集的作用；所述的数据处理模块3与数据采集模块1及电源模块2相连，起到数据处理及转换的作用；所述的第一无线数据通讯收发模块4与数据处理模块3及电源模块2相连，起到无线数据收发传递的作用；所述的电源模块2与采集模块1、数据处理模块3及第一无线数据通讯收发模块4相连，起到提供电源的作用；所述的第二无线数据通讯收发模块5与中央处理单元6相连，起到无线数据收发传递的作用；所述的中央处理单元6与第二无线数据通讯收发模块5及数据服务器7相连，起到数据计算的作用；所述的数据服务器7与中央处理单元6相连，起到数据库数据存储、数据分析的作用；所述的无线通讯网络8起到第一无线数据通讯收发模块4与第二无线数据通讯收发模块5之间无线数据传输作用。

所述的数据采集模块1具体包括温度传感器11、加速度传感器12及应变传感器13，所述的温度传感器11与数据处理模块3相连，起到采集木工程结构温度数据作用；所述的加速度传感器12与数据处理模块3相连，起到采集木工程结构加速度物理量数据作用，所述的应变传感器13与数据处理模块3相连，起到采集土木工程结构的应变物理量的信号的作用。

所述的温度传感器11具体采用TMP102数字温度传感器。TMP数字温度传感器是一个两线串行I2C总线输出的数字温度传感器，并内置A/D转换器，这样数据采集模块向数据处理模块传输是数字信号，使数据处理加方便、快捷。

所述的加速度传感器12具体采用型号为ADXL335三轴加速度传感器，该传感器是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，能以±3g的满量程范围测量加速度。

所述的应变传感器13具体采用型号为CL-YB-11应变传感器，该传感器抗侧向力好,结构紧凑,安装使用方便。

所述的数据处理模块3具体采用型号为四核处理器3.3Gi5CPU，有效提高数据处理速度。

所述的电源模块2具体采用不间断的UPS供电电源,型号为山特C2K2KVA1600W，具体为数据采集模块、数据分析模块及第一无线数据通讯收发模块供电。

所述的第一无线数据通讯收发模块4，第一无线数据通讯收发模块5均具体采用型号为工业无线数据传输模块CDMA DTU，CDMA DTU模块内置工业级CDMA模块，内嵌TCP/IP协议，可以通过CDMA网络实现数据信息传输。

所述的中央处理单元6具体采用AMD四核处理器，有利于提高运算速度。

所述的数据服务器7具体采用DL180Gen9惠普服务器，该服务器搭载英特尔至强2603v3处理器，主频达1.9GHz，同时标配8GB内存，并且还有四端口前兆网卡，性能强劲。

所述的无线通讯网络8具体采用CDMA网络。