一种结构健康监测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种结构健康监测方法及系统。所述方法包括：射频识别RFID阅读器发射查询命令；部署在被测结构中被测点的连接有应力传感器的RFID被动标签接收到所述查询命令后提供能量给所述应力传感器；应力传感器利用所述能量测量被测点所受应力，对所述应力进行处理，并将处理后的应力经所述RFID被动标签回复给RFID阅读器；所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别所述应力；控制中心根据识别的回复信息进行结构诊断与安全评估。本发明利用无需能量供应的RFID被动标签给应力传感器提供能量，解决了传感器的功能问题，并且允许标签回复的信号碰撞，提高了信号的传输效率。
【专利说明】一种结构健康监测方法及系统【技术领域】
[0001]本发明涉及结构健康监测技木，尤其涉及一种结构健康监测方法及系统。
【背景技术】 [0002]随着我国经济的快速发展，大型建筑物日益增多，这些建筑物的健康状态与国家和人民的生命财产安全密切相关。造成工程健康安全事故的原因是多方面的，如施工阶段的监测不当；使用阶段发生地震或火灾等灾害；长期使用造成的累积损伤及结构老化等。为减小建筑安全事故造成的损失，必须对建筑物的结构健康进行长期监测。
[0003]结构健康监测是通过对工程结构进行损伤检测和分析来确定结构的健康状态。现有技术中的结构健康监测方法主要通过部署无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSN)来实现数据采集，然而，对结构健康监测是ー个长期的过程，此外，传感器节点需要频繁地采集、处理和传输数据。因此，必须定期为无线传感器节点更换电池或充电，而这些在结构监测过程中是不易实施的。
[0004]近年来,射频识别(RadioFrequency Identification, RFID)技术得到了迅猛发展，按照能源供给方式可以分为主动标签，被动标签和半主动标签。被动标签不需要自身具备供电电源，工作吋，RFID阅读器发射查询(能量)信号，当标签接收到足够强度的信号吋，其内部集成电路就被驱动从而向读取器发出数据，这些数据不仅包括标签ID号，还包括标签预先存在内部的存储器中的数据。被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。
[0005]标签和阅读器之间的通信协议主要分为两种，基于ALOHA的协议和基于树的协议。在基于ALOHA的协议中，标签和阅读器之间的通信划分为多个帧，每ー帧包括多个时隙。当一个标签接收到阅读器发出的查询命令后，就以一定概率随机选择ー个帧，再在这ー帧里随机选择ー个时隙进行回复，如果在某个时隙中只有ー个标签回复，则该标签回复的数据被阅读器成功识别，这类时隙被称为单时隙；如果多个标签同时回复，则不能被成功识另IJ，这类时隙被称为冲突时隙；如果某个时隙中没有标签回复，则这类时隙被称为空时隙。图1是举例说明ALOHA协议的示意图，如图1所示，在ALOHA协议中空时隙和冲突时隙都被浪费掉了，传统解决方法主要是利用防碰撞算法来提高时隙的利用率，图2是现有技术中防碰撞算法的时隙利用示意图，如图2所示，每个标签分派ー个单ー时隙，这些方法不允许标签回复的信息发生碰撞，效率不高。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明实施例提供一种结构健康监测方法及系统，以解决现有技术中传感器的功能问题及不允许标签回复的信息发生碰撞的问题。
[0007]—方面，本发明实施例提供了一种结构健康监测方法，所述方法包括:
[0008]射频识别RFID阅读器发射查询命令；
[0009]部署在被测结构中被测点的连接有应カ传感器的RFID被动标签接收到所述查询命令后提供能量给所述应力传感器；
[0010]应力传感器利用所述能量测量被测点所受应力，对所述应力进行处理，并将处理后的应力经所述RFID被动标签回复给RFID阅读器；
[0011]所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别所述应力；
[0012]控制中心根据识别的回复信息进行结构诊断与安全评估。
[0013]进一步地，所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别所述应力，包括:
[0014]所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号；
[0015]使用压缩感知算法识别所述应力。
[0016]进一步地,所述RFID被动标签接收到查询命令时,用所述RFID被动标签的标识号和当前的时隙产生一个随机二进制数‘0’或‘I’，如果一个RFID被动标签产生的随机二进制数为‘I’，则这个RFID被动标签在当前时隙进行回复，如果为‘0’则不回复，M为RFID被动标签产生的二进制随机序列的长度，N为RFID被动标签的总数量，矩阵Amxn代表所有RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，矩阵Amxn第i列Ai表示RFID被动标签i产生的二进制随机序列矩阵，其中，i=l，2，…，N;
[0017]Xnxl表示所有RFID被动标签回复的数据矩阵，L为数据长度。矩阵的第i行Xi为RFID被动标签i的回复信息，其中，i=l,2,…，N, ΧΝ>α是稀疏矩阵;
[0018]Ymxl 为 RFID 阅读器接收到的信息，则 Ymxl=AmxnHXnxl=AmxnZnxl，其中，H=diag Ch1,h2,...,!%)表示无线信道参数矩阵,Iii是标签i和RFID阅读器之间的信道参数,ΖΝΧΙ=ΗΧΝ>α。
[0019]进一步地，根据所述RFID阅读器接收到的信息YMXl和所述RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，依次求解ΧΝ>α的每列的信息X，即第j位信息，j=l, 2，…，L，X为NX I的二进制序列，在理想信道情况下，则y=AHx=Az为RFID阅读器接收到的第j位叠加信息，y为MX I的二进制序列，根据压缩感知理论，求解向量z需要M=O(Klog(N/K))个测量值，以z作为优化变量，选择A范数做如下规划问题的解:
[0020]
【权利要求】
1.一种结构健康监测方法，其特征在于，所述方法包括: 射频识别RFID阅读器发射查询命令； 部署在被测结构中被测点的连接有应力传感器的RFID被动标签接收到所述查询命令后提供能量给所述应力传感器； 应力传感器利用所述能量测量被测点所受应力，对所述应力进行处理，并将处理后的应力经所述RFID被动标签回复给RFID阅读器； 所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别所述应力； 控制中心根据识别的回复信息进行结构诊断与安全评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别所述应力，包括: 所述RFID阅读器接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号； 使用压缩感知算法识别所述应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述RFID被动标签接收到查询命令时，用所述RFID被动标签的标识号和当前的时隙产生一个随机二进制数‘0’或‘1’，如果一个RFID被动标签产生的随机二进制数为‘I’，则这个RFID被动标签在当前时隙进行回复，如果为‘0’则不回复，M为RFID被动标签产生的二进制随机序列的长度，N为RFID被动标签的总数量，矩阵Amxn代表所有RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，矩阵Amxn第i列Ai表示RFID被动标签i产生的二进制随机序列矩阵，其中，1=1,2,…，N ; Xnxl表示所有RFID被动标签回复的数据矩阵，L为数据长度。矩阵的第i行Xi为RFID被动标签i的回复?目息，其中，i=l，2,..., N, Xnxl是稀疏矩阵； Y1XL 为 RFID 阅读器接收到的信息，则 YMXL=AMXNHXNXL=AMXNZNXL，其中，H=Cliagaph2,…，hN)表示无线信道参数矩阵，hi是标签i和RFID阅读器之间的信道参数，Znxl=HXnxlo
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述RFID阅读器接收到的信息ΥΜ>α和所述RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，依次求解ΧΝ>α的每列的信息X，即第j位信息，j=l, 2，…，L，X为NX I的二进制序列，在理想信道情况下，则Y=AHx=Az为RFID阅读器接收到的第j位叠加信息，I为MXl的二进制序列，根据压缩感知理论，求解向量z需要M=O (Klog (N/K))个测量值，以z作为优化变量，选择A范数做如下规划问题的解: min IHL1 s, t.Az - y 其中，IkILi =(Σ-? h.p1'。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述RFID阅读器接收到的信息ΥΜ>α和所述RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，依次求解ΧΝ>α的每列的信息X，即第j位信息，j=l, 2，…，L，x为NX I的二进制序列，在非理想信道情况下，RFID阅读器接收到的信号y存在一定的误差，假设无线信道造成的误差为e,接收端接收到的信息为y=Az+e,y为MX I的二进制序列，IHL- < 5^为接近于O的正数，在非理想信道情况下的解满足:
6.一种结构健康监测系统，其特征在于，所述系统包括:射频识别RFID阅读器、部署在被测结构中被测点的连接有应カ传感器的RFID被动标签和控制中心； RFID阅读器发射查询命令，接收至少两个所述RFID被动标签回复的叠加信号，识别应力，RFID阅读器通过有线连接到控制中心； 部署在被测结构中被测点的集成有应カ传感器的RFID被动标签接收到所述查询命令后提供能量给所述应カ传感器，应カ传感器利用所述能量測量被测点所受应力，对所述应カ进行处理，并将处理后的应カ经所述RFID被动标签回复给RFID阅读器； 控制中心根据识别的回复信息进行结构诊断与安全评估。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述RFID阅读器使用压缩感知算法识别所述应カ。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述RFID被动标签接收到查询命令吋，用所述RFID被动标签的标识号和当前的时隙产生一个随机二进制数‘0’或‘1’，如果ー个RFID被动标签产生的随机二进制数为‘I’，则这个RFID被动标签在当前时隙进行回复，如果为‘0’则不回复，M为RFID 被动标签产生的二进制随机序列的长度，N为RFID被动标签的总数量，矩阵Amxn代表所有RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，矩阵Amxn第i列Ai表示RFID被动标签i产生的二进制随机序列矩阵，其中，i=l，2，-,N； Xnxl表示所有RFID被动标签回复的数据矩阵，L为数据长度。矩阵的第i行Xi为RFID被动标签i的回复イ目息，其中，i=l，2, --?，N, Xnxl是稀疏矩阵； Ymxl 为 RFID 阅读器接收到的信息，则
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述RFID阅读器根据接收到的信息YM>a和所述RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，依次求解XN>a的每列的信息X，即第j位信息，j=l, 2，…，L，X为NX I的二进制序列，在理想信道情况下，则Y=AHx=Az为RFID阅读器接收到第j位叠加信息，y为MXl的二进制序列，根据压缩感知理论，求解向量z需要M=O (Klog (N/K))个测量值，以z作为优化变量,选择も范数做如下规划问题的解:
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述RFID阅读器根据接收到的信息YM>a和所述RFID被动标签产生的二进制序列矩阵，依次求解XN>a的每列的信息X，即第j位信息，j=l, 2，…，L，x为NX I的二进制序列，在非理想信道情况下，RFID阅读器接收到的信号y存在一定的误差，假设无线信道造成的误差为e,接收端接收到的信息为y=Az+e,y为MX I的二进制序列，IHL2とd &为接近于0的正数，在非理想信道情况下的解满足:min ||z||I1s.t. ||Az-y||t2≤δ.
【文档编号】G06K17/00GK103559519SQ201310528957
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】龚伟, 刘克彬, 肖崇蕙, 刘云浩 申请人:无锡赛睿科技有限公司