金属屋面监测系统及方法与流程

本技术涉及金属屋面健康管理，具体而言，涉及一种金属屋面监测系统及方法。

背景技术：

1、金属屋面在自然环境下受到各种形式天气载荷的作用，其中较为关键的是风载荷和温度载荷的影响，导致屋面可能发生变形、裂纹、风掀等事故。早期金属屋面的维护普遍采用定期人工巡检的方式，耗费大量人力和时间且了解情况不及时。目前针对上述问题已经开始大规模采用在线监测的方式，建立金属屋面在线监测与健康管理系统，掌握金属屋面在服役期间的劣化趋势、在屋面某区域出现故障苗头时预警，以方便管理人员视情维修和及时补救。

2、在目前在线监测系统的设计中，分布式无线传感器网络末梢是感知外界的传感器，通过无线的方式接入互联网，由于其组网灵活、集成化、大规模等特点，被广泛应用于环境监控、军事、智能交通、医疗等领域。无线传感器网络是一种由大量微型移动传感器节点构成的网络，能够协作地实施监测、感知和采集环境信息，并对数据进行处理，传送到监控中心。将无线传感器网络应用于金属屋面健康状态的监测不仅可以与现有的工业以太网相互补充，实现金属屋面安全监测的无缝覆盖，还可以降低监测成本，提高监测数据的安全性和稳定性。

3、而传感器网络设计以高可靠性和低能耗为目标，在对网络进行规划和设计的时候，首先需要根据网络带宽计算网络容量，进而规划网络节点数量、传输数据量和无线发送周期。另外，由于网络节点不可能全时刻工作，既浪费能源又对硬件造成损耗，其次大量的数据处理也是不能接受的。需要获取有用的数据，才能更准确的分析、预测屋面的故障。

4、因此，如何实现金属屋面传感器网络信息的高效获取是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本技术旨在解决或改善上述技术问题。

2、为此，本技术提供了一种金属屋面监测系统。

3、本技术还提供了一种金属屋面监测方法。

4、本技术第一方面的技术方案提供了一种金属屋面监测系统，包括：多个传感器，多个传感器连接为双层星型拓扑结构；多个协调器节点，每一个协调器节点连接一个传感器；多个网关，网关通过串口连接协调器节点；上位机，上位机通过有线以太网连接网关；传感器和协调器节点之间采用zigbee通讯协议进行通讯；网关包括plc网关；协调器节点与传感器之间通讯的基本帧结构包括信标帧、数据帧、应答帧和mac命令帧，上位机用于通过网关接收传感器和协调器节点的信息，根据信标帧、数据帧和应答帧传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率，并根据传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量。

5、根据本技术提供的金属屋面监测系统，包括多个传感器、多个协调器节点、多个网关和上位机。其中，多个传感器连接为双层星型拓扑结构，且每一个传感器连接一个协调器节点。协调器节点通过串口连接网关。网关通过有线以太网连接上位机。通过双层星型拓扑结构，能够优化传输策略，充分考虑网络负载、信号衰减、能量损耗、覆盖面积等问题，有效的提高了信息获取效率，减少能量损耗，提升了监测系统网络性能。传感器和协调器节点之间采用zigbee通讯协议进行通讯。网关采用plc网关。其中，plc为可编程逻辑控制器。plc网关是一种连接plc和其他设备的网络设备，用于实现不同设备之间的通信和数据传输。zigbee，也称紫蜂协议，是一种低速短距离传输的无线网上协议，低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。协调器节点与传感器之间通讯的基本帧结构包括信标帧、数据帧、应答帧和mac命令帧，上位机通过网关接收传感器和协调器节点的信息，根据信标帧、数据帧和应答帧传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率，从而调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，开启或关断部分传感器和协调器节点。

6、本技术第二方面的技术方案提供了一种金属屋面监测方法，包括：通过上位机接收传感器和协调器节点的基本帧结构，基本帧结构包括以下之一或其组合：信标帧、数据帧、应答帧和mac命令帧；根据基本帧结构传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率；根据传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量；通过上位机计算双层星型拓扑结构的信号衰减，并根据信号衰减调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量；通过上位机计算协调器节点发送数据包的平均功耗，并根据平均功耗调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量。

7、根据本技术提供的金属屋面监测方法，首先通过上位机接收传感器和协调器节点的基本帧结构，基本帧结构包括信标帧、数据帧、应答帧和mac命令帧。然后根据基本帧结构传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率。根据传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量。然后通过上位机计算双层星型拓扑结构的信号衰减，并根据信号衰减调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量。最后通过上位机计算协调器节点发送数据包的平均功耗，并根据平均功耗调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量。在保证网络连通性前提下，以高可靠性和低能耗为目标，充分考虑网络负载、信号衰减、能量损耗、覆盖面积等问题设计双层星型网络拓扑结构和接入设备的数量设计，并对传输策略进行设计优化，便于高效获取信息，减少能量损耗，有效解决传感器节点传输范围受限及不能大冗余部署的问题。

8、在一些技术方案中，可选地，根据基本帧结构传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率，包括：计算负载、应用层帧头、网络层帧头、mac帧头、mac帧尾、物理层帧头和同步帧头的和，获得数据帧的数据包大小；计算信标帧的数据包大小；根据应答帧的结构计算应答帧的数据包大小；根据数据帧的数据包大小、信标帧的数据包大小和应答帧的数据包大小得到数据包总和；根据预设的完成任务的传输周期与数据包总和，计算传输网络负载占用率。

9、在该技术方案中，根据基本帧结构传输的数据包的大小计算传输网络负载占用率，具体为首先计算负载、应用层帧头、网络层帧头、mac帧头、mac帧尾、物理层帧头和同步帧头的和，获得数据帧的数据包大小。然后计算信标帧的数据包大小。根据应答帧的结构计算应答帧的数据包大小。计算应答帧的控制字节、序列码字节、fxs字节和应答帧最后的帧头字节之和作为应答帧的数据包大小。最后根据各项任务的周期与数据包大小，计算传输网络负载占用率。

10、其中，负载包括传感器采集的屋面应变、激光测位移和超声波测位移数据，数据帧的数据包大小即为周期任务数据帧结构组成的实发数据包长度。在应用层生成数据负载，附加上应用层帧头发送给网络层，而这部分作为网络层的帧负载，附加网络层帧头后，发送给mac层，整体再次成为mac层的帧载荷，通过添加层帧头mhr和帧尾mfr，形成mac层数据帧mpdu，mac数据帧作为物理载荷psdu发送到物理层，加上同步帧头和物理层帧头形成物理层数据包，即为传入空气的数据包。

11、在一些技术方案中，可选地，根据传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，包括：上位机根据实际接入的传感器和协调器节点的信息，以及上一周期实际完成任务的传输周期，计算双层星型拓扑结构的实际负载占用率；判断实际负载占用率与传输网络负载占用率的差值是否大于设定饱和阈值；在差值大于设定饱和阈值时，增加一组传感器和协调器节点。

12、在该技术方案中，上位机根据实际接入的传感器和协调器节点的信息，以及上一周期实际完成任务的传输周期，即将预设的完成任务的传输周期替换成实际完成任务的传输周期，计算双层星型拓扑结构的实际负载占用率，如果实际负载占用率与传输网络负载占用率的平均值的差值，大于设定饱和阈值，则新增开启一组传感器和协调器节点。

13、在一些技术方案中，可选地，根据传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，包括：上位机根据实际接入的传感器和协调器节点的信息，以及上一周期实际完成任务的传输周期，计算双层星型拓扑结构的实际负载占用率；判断实际负载占用率与传输网络负载占用率的平均值的差值是否小于设定负载阈值；在差值小于设定负载阈值时，减少一组传感器和协调器节点；在差值大于等于设定负载阈值时，结束实际负载占用率的计算。

14、在该技术方案中，上位机根据实际接入的传感器和协调器节点的信息，以及上一周期实际完成任务的传输周期，即将预设的完成任务的传输周期替换成实际完成任务的传输周期，计算双层星型拓扑结构的实际负载占用率，如果实际负载占用率与传输网络负载占用率的平均值的差值小于设定负载阈值，则关闭一组传感器和协调器节点。否则结束实际负载占用率的计算。

15、在一些技术方案中，可选地，通过上位机计算双层星型拓扑结构的信号衰减，并根据信号衰减调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，包括：建立无线信号强度的经典对数距离衰减模型；根据经典对数距离衰减模型获得信号衰减；判断信号衰减是否大于设定衰减阈值；在信号衰减大于设定衰减阈值时，增加一组传感器和协调器节点；在信号衰减小于等于设定衰减阈值时，减少一组传感器和协调器节点。

16、在该技术方案中，首先建立无线信号强度的经典对数距离衰减模型。根据经典对数距离衰减模型获得信号衰减。计算信号衰减主要是为了在计算中能够充分考虑实际情况的各种信号衰减，包含周围环境导致的信号强度衰减问题，以及在传输过程中穿越不同介质造成的损耗，能够使得在设计网络拓扑结构中能够充分进行估算。如果信号衰减大于设定衰减阈值，则增加一组传感器和协调器节点。如果小于设定衰减阈值，则减少一组传感器和协调器节点。否则结束信号衰减计算。在上位机计算双层星型网络拓扑结构的信号衰减，并根据信号衰减调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，通过信号衰减的计算，评估信号传输过程中是否能够满足穿透相关材料，在金属屋面监测中，可以评估zigbee信号是否可以穿透一层金属屋面板，从而保证信号传输的有效性。

17、在一些技术方案中，可选地，通过上位机计算协调器节点发送数据包的平均功耗，并根据平均功耗调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，包括：计算协调器节点发送数据包的平均功耗；判断平均功耗是否大于设定功耗阈值；在平均功耗大于设定功耗阈值时，减少一组传感器和协调器节点；在平均功耗小于等于设定功耗阈值时，结束平均功耗计算。

18、在该技术方案中，在上位机计算协调器节点发送数据包的平均功耗，并根据平均功耗调整双层星型拓扑结构中传感器和协调器节点的数量，具体过程为首先计算协调器节点发送数据包的平均功耗。如果平均功耗大于设定功耗阈值，则减少一组传感器和协调器节点。如果平均功耗小于或等于设定功耗阈值，则结束平均功耗计算。

19、在一些技术方案中，可选地，上位机包括模式切换模块，金属屋面监测方法还包括：根据传感器采集的监测数据进行阈值判断，模式切换模块根据阈值判断结果切换模式，和/或上位机接收模式切换指令，模式切换模块根据模式切换指令切换模式；其中，模式包括休眠模式、常规模式、抽查模式和在线模式。

20、在该技术方案中，上位机包括模式切换模块，金属屋面监测方法还包括根据传感器采集的监测数据进行阈值判断，模式切换模块根据阈值判断结果选择切换模式，或者上位机接收模式切换指令，模式切换模块根据指令选择切换模式。可切换模式包括休眠模式、常规模式、抽查模式和在线模式。通过设计一种多工作模式切换的传输策略，该策略能够有效提升网络性能，高效的获取信息、减少能量消耗。

21、在一些技术方案中，可选地，根据传感器采集的监测数据进行阈值判断，模式切换模块根据阈值判断结果切换模式，和/或上位机接收模式切换指令，模式切换模块根据模式切换指令切换模式，包括：传感器采集监测数据，并与设定阈值进行对比；根据对比结果进行模式切换；如果监测数据小于设定阈值范围，则模式切换模块选择休眠模式，控制全部传感器采集监测数据，且网关进入休眠低能耗模式；如果监测数据处于设定阈值范围内，则模式切换模块选择常规模式，控制全部传感器采集监测数据，并将监测数据传输至协调器节点，通过网关利用以太网传输至上位机；如果监测数据大于设定阈值范围，则模式切换模块选择在线模式，生成报警信息并调整传感器的采集周期和传输周期；和/或判断上位机是否接收模式切换指令，如果是，则切换至抽查模式，并根据模式切换指令调整双层星型拓扑结构参数和数据传输周期。

22、在该技术方案中，首先传感器采集监测数据，并与设定阈值进行对比。根据对比结果进行模式切换，如果监测数据小于设定阈值范围，则模式切换模块选择休眠模式，控制全部传感器采集监测数据，但监测数据不传输至协调器节点，且plc进入休眠低能耗模式。如果监测数据处于设定阈值范围内，则模式切换模块选择常规模式，控制全部传感器采集监测数据，并将监测数据传输至协调器节点，通过网关利用以太网传输至上位机。如果监测数据大于设定阈值范围，则模式切换模块选择在线模式，生成报警信息并调整传感器的采集周期和传输周期。判断上位机是否接收模式切换指令，如果是，则切换至抽查模式，并根据指令调整双层星型拓扑结构参数、传输周期等。

23、在一些技术方案中，可选地，信标帧的数据包大小的计算公式为：

24、qx＝7+10+k+m+n+6；

25、其中，qx为信标帧的数据包大小，k为设定的保证间隙，m为设定的未处理数据地址，n为设定的信标净荷；

26、传输网络负载占用率的计算公式为：

27、

28、其中，u为传输网络负载占用率，ti是预设的完成任务的传输周期；qpt是一个周期任务内发送的数据量大小，为所有传感器的信标帧、数据帧和应答帧传输的数据包的总和；b是传输网络带宽，n为周期数；

29、经典对数距离衰减模型为：

30、

31、其中，pr、pt分别为接收端与发射端的功率；gr、gt为接收端与发射端信号增益值；λ为波长；d为接收端与发射端距离；

32、信号衰减的计算公式为：

33、

34、其中，pr、pt分别为接收端与发射端的功率；ld(db)表示接收端与发射端距离为d时，以及传输网络带宽为b时的信号衰减；

35、平均功耗为：

36、

37、其中，p为平均功耗，ps为节点固定损耗；prx为接收状态下消耗的平均功率；ptx为发射状态下消耗的平均功率；ts为收发器休眠时间；ti为收发器空闲时间；tw为收发器从休眠转到空闲状态所需时间；tt为接收和发送状态转换所需时间；td为数据包的传输时间；tc为控制包的传输时间，l为设定时间。

38、在该技术方案中，通过信标帧的数据包大小的计算公式能够计算信标帧的数据包大小。通过传输网络负载占用率的计算公式能够计算传输网络负载占用率大小。通过接收端与发射端的功率，接收端与发射端信号增益值建立经典对数距离衰减模型。根据经典对数距离衰减模型获得信号衰减。通过平均功耗计算公式计算协调器节点发送数据包的平均功耗。

39、本技术的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本技术的实践了解到。