变形监测中无线传感器网络应用的理论与技术

Being time-saving and easy in installation, convenient in setting up a network and low in cost, wireless sensor networks have broad application prospects in the field of deformation monitoring. However, wireless sensor nodes are characterized by limited computing power, energy and transmission bandwidth, so there are still problems to be solved if large scale applications are desired. The project carries out a study on the theories and technologies of employing wireless sensor networks in deformation monitoring, focusing on such key issues as clock synchronization, data compression, data transmission and data processing. By combining the methods of theoretical analysis, experiments, simulation and practical tests, the supply and demand model for clock synchronization accuracy is established and the corresponding mechanism for clock synchronization is realized. On the basis of revealing the degree of temporal and spatial correlations in the monitoring data, distributed algorithm of data compression which can be applied in wireless sensor network is explored. Through different types of monitoring data, highly efficient and reliable multi-hop data transport protocols in wireless sensor networks will be designed and realized. Combining the features of different types of monitoring data, collaborative data processing will be conducted to improve the reliability of the monitoring result. The research results will address key theoretical and technical issues in deformation monitoring based on wireless sensor networks. And they can have positive effects in expanding wireless sensor networks applications.

无线传感器网络具有安装省时省力、组网方便、造价低廉等优点，在变形监测领域将具有广阔的应用前景。但是无线传感器节点本身存在着计算能力有限，能量有限及传输带宽有限的特点，欲实现大规模应用仍存在亟待解决的问题。本项目拟以无线传感器网络应用于变形监测中的理论与技术展开研究，重点关注时钟同步、数据压缩、数据传输和数据处理等关键问题。采用理论分析、实验研究、仿真分析及实际测试相结合的方法，建立时钟同步精度的供需模型并实现相应的时钟同步机制。在揭示监测数据时空相关程度的基础上探索适用于无线传感器网络的分布式数据压缩算法。结合各类监测数据的特点设计实现高效可靠的无线传感器网络多跳数据传输协议。利用不同类型监测数据各自的特点进行协作处理，提高监测成果的可靠性。其研究成果将解决变形监测领域应用无线传感器网络的关键理论和技术问题，对于拓展无线传感器网络的应用具有积极作用。

无线传感器网络具有安装省时省力、组网方便、造价低廉等优点，在变形监测领域将具有广阔的应用前景。但是无线传感器节点本身存在着计算能力有限，能量有限及传输带宽有限的特点，欲实现大规模应用仍存在亟待解决的问题。本项目以无线传感器网络应用于变形监测中的理论与技术展开研究，主要展开了以下四个方面的研究：（1）时钟同步精度供需模型及协议设计研究；（2）时空相关性分布式数据压缩算法探索；（3）可靠的无线数据传输协议研究；（4）GPS软件接收机与伪卫星的协作处理研究。时钟同步方面，提出了一种新的全网络时钟同步算法，该算法同时考虑了整个监测网络中所有节点的相位偏差和频率偏差进行集中式计算，并顾及了各节点与其所有邻域节点之间的时钟同步参数关系，克服了基于生成树和泛洪算法的不足，能够提高全网络的时钟同步精度并降低全局偏差和局部偏差。数据压缩方面，从压缩比、计算复杂度、能量效率、失真率及时间延迟等数据压缩算法的评价指标出发，对于符合联合稀疏模型的数据组来说，分布式压缩感知的数据压缩性能优于各自独立压缩感知。传输协议方面，提出了一种结合时空相关性的无线传感器网络节点数据补全算法。选取了相关项目的监测数据进行测试。并采用均值插补法、临近插补法和所提出的时空相关性插补法进行对比，结果显示时空相关性插补法能达到较好的效果。在软件接收机方面，介绍了一种基于双天线接收机的伪卫星定位技术，双天线之间的距离固定且小于伪卫星信号载波波长的一半。将两组载波相位测量值进行单次差分，通过非线性最小二乘方法解算出双天线连线中点的空间坐标，用双通道软件接收机输出的实测数据，验证了这种利用载波相位差值的伪卫星定位方法能够达到亚米级的定位精度。最后利用所研制的基于无线传感器网络的变形监测系统在核安全壳表面裂缝监测中进行了应用，体现了其优越性。