【技术实现步骤摘要】
本申请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。
技术介绍
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
技术实现思路
1、本申请旨在解决或改善上述技术问题。
2、为此，本申请提供了一种金属屋面监测系统。
3、本申请还提供了一种金属屋面监测方法。
4、本申请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、根据本申请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、本申请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、根据本申请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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属屋面监测系统，其特征在于，包括：
2.一种金属屋面监测方法，其特征在于，应用权利要求1所述的金属屋面监测系统，所述方法包括：
3.根据权利要求2所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述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：
4.根据权利要求3所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中所述传感器和所述协调器节点的数量，包括：
5.根据权利要求4所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中所述传感器和所述协调器节点的数量，包括：
6.根据权利要求5所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述通过所述上位机计算所述双层星型拓扑结构的信号衰减，并根据所述信号衰减调整所述双层星型拓扑结构中所述传感器和所述协调器节点的数量，包括：
7.根据权利要求6所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述通过所述上位机计算所述协调器节点发送数据包的平均功耗，并根据所述平均功耗调整所述双层星型拓扑结构中所述传感器和
8.根据权利要求2至7中任一项所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述上位机包括模式切换模块，所述方法还包括：
9.根据权利要求8所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述传感器采集的监测数据进行阈值判断，所述模式切换模块根据阈值判断结果切换模式，和/或所述上位机接收模式切换指令，所述模式切换模块根据所述模式切换指令切换模式，包括：
10.根据权利要求7所述的金属屋面监测方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种金属屋面监测系统，其特征在于，包括：
2.一种金属屋面监测方法，其特征在于，应用权利要求1所述的金属屋面监测系统，所述方法包括：
3.根据权利要求2所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述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：
4.根据权利要求3所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中所述传感器和所述协调器节点的数量，包括：
5.根据权利要求4所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述根据所述传输网络负载占用率调整双层星型拓扑结构中所述传感器和所述协调器节点的数量，包括：
6.根据权利要求5所述的金属屋面监测方法，其特征在于，所述通过所述上位机计算所述双层星型拓扑结构的信号衰减，并...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，周拓，张耕，刘昊然，王金凯，
申请(专利权)人：首都机场集团有限公司北京大兴国际机场，
类型：发明
国别省市：
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