本發明涉及土木工程監測系統，尤其涉及一種基于無線通訊的土木工程監測系統。

背景技術：

近年來隨著土木工程大面積的推進，人們對土木工程的健康安全關注越來越密切，土木工程監測成為安全行業的一大重要任務。土木工程的健康狀態主要通過土木工程的物理量來反應，例如通過監測加速度、監測應變和監測溫度反應出土木工程結構的健康狀態。

但目前監測土木工程的加速度、應變和溫度都是有線設備完成監測的，即監測出的加速度值、應變值和溫度值只能通過有線方式傳輸至控制土木工程的設備上。這樣在土木工程結構中需要布置大量的傳輸線路，導致監測土木工程狀態的成本很高。同時，目前的土木工程監測系統技術還不夠成熟，還存著著監測精度低，施工困難等缺陷和不足，還不能很好地滿足實用要求。

技術實現要素：

本發明實施例的目的在于提供一種基于無線通訊的土木工程監測系統，旨在解決土木工程監測成本高、監測精度低、不能滿足實用要求的問題。

本發明實施例是這樣實現的，一種基于無線通訊的土木工程監測系統包括數據采集模塊，數據處理模塊，電源模塊，第一無線數據通訊收發模塊,第二無線數據通訊收發模塊，中央處理單元，數據服務器和無線通信網絡，所述的數據采集模塊與數據處理模塊及電源模塊相連，起到信息采集的作用；所述的數據處理模塊與數據采集模塊及電源模塊相連，起到數據處理及轉換的作用；所述的第一無線數據通訊收發模塊與數據處理模塊及電源模塊相連，起到無線數據收發傳遞的作用；所述的電源模塊與采集模塊、數據處理模塊及第一無線數據通訊收發模塊相連，起到提供電源的作用；所述的第二無線數據通訊收發模塊與中央處理單元相連，起到無線數據收發傳遞的作用；所述的中央處理單元與第二無線數據通訊收發模塊及數據服務器相連，起到數據計算的作用；所述的數據服務器與中央處理單元相連，起到數據庫數據存儲、數據分析的作用；所述的無線通訊網絡起到第一無線數據通訊收發模塊與第二無線數據通訊收發模塊之間無線數據傳輸作用。

進一步，所述的數據采集模塊具體包括溫度傳感器、加速度傳感器及應變傳感器，所述的溫度傳感器與數據處理模塊相連，起到采集木工程結構溫度數據作用；所述的加速度傳感器與數據處理模塊相連，起到采集木工程結構加速度物理量數據作用，所述的應變傳感器與數據處理模塊相連，起到采集土木工程結構的應變物理量的信號的作用。

進一步，所述的溫度傳感器，具體采用TMP102數字溫度傳感器。TMP數字溫度傳感器是一個兩線串行I2C總線輸出的數字溫度傳感器，并內置A/D轉換器，這樣數據采集模塊向數據處理模塊傳輸是數字信號，使數據處理加方便、快捷。

進一步，所述的加速度傳感器，具體采用型號為ADXL335三軸加速度傳感器，該傳感器是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，能以±3g的滿量程范圍測量加速度。

進一步，所述的應變傳感器具體采用型號為CL-YB-11應變傳感器，該傳感器抗側向力好,結構緊湊,安裝使用方便。

進一步，所述的數據處理模塊具體采用型號為四核處理器3.3Gi5CPU，能夠有效提高數據處理速度。

進一步，所述的電源模塊具體采用不間斷的UPS供電電源,型號為山特C2K2KVA 1600W，具體為數據采集模塊、數據分析模塊及第一無線數據通訊收發模塊供電。

進一步，所述的第一無線數據通訊收發模塊，第二無線數據通訊收發模塊均具體采用型號為工業無線數據傳輸模塊CDMA DTU，CDMA DTU模塊內置工業級CDMA模塊，內嵌TCP/IP協議，可以通過CDMA網絡實現數據信息傳輸。

進一步，所述的中央處理單元具體采用AMD四核處理器，有利于提高運算速度。

進一步，所述的數據服務器具體采用DL180Gen9惠普服務器，該服務器搭載英特爾至強2603v3處理器，主頻達1.9GHz，同時標配8GB內存，并且還有四端口前兆網卡，性能強勁。

進一步，所述的無線通訊具體采用為CDMA網絡。

進一步，所述數據采集模塊設置有收斂加密單元，所述收斂加密單元的收斂加密方法包括：

(1)數據擁有者首先計算數據m的哈希值h(m)，其中h(·)是密碼學中的一個強哈希函數，h(m)作為加密數據m的密鑰；

(2)用h(m)加密數據，假設E是一個對稱密鑰加密函數，則產生的密文就是E_h(m)(m)；

(3)用所有的授權用戶的公鑰加密h(m)，密文是：(C，C′)，其中C＝E_h(m)(m)，C′＝E_PK(h(m))，F是一個公鑰加密函數，PK是公鑰；

(4)數據只能被授權用戶解密，合法用戶首先用自己的私鑰解密得到h(m)，最后用h(m)來恢復m，表示如下：

進一步，所述第一無線數據通訊收發模塊設置有無線體域網極限容量計算單元，所述無線體域網極限容量計算單元的無線體域網計算方法如下：

利用Laguerre多項式計算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)；

n＝max(N_t,N_r)；

為次數為k的Laguerre多項式；

如果令λ＝n/m，可以推導出如下歸一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情況下，令m＝n＝N_t＝N_r，則v₁＝0，v₂＝4；

漸進信道容量為：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)；

式簡化為：

進一步，所述第二無線數據通訊收發模塊設置有無線信任值計算模塊，所述無線信任值計算模塊的信任值計算方法包括以下步驟：

步驟一，采集節點間不同時間片的交互次數，根據得到的數據建立時間序列，通過三次指數平滑法來預測節點間下一個時間片的交互次數，將交互次數預測值與實際值的相對誤差作為節點的直接信任值；采集網絡觀測節點i與節點j之間的n個時間片的交互次數：

選取一定時間間隔t作為一個觀測時間片，以觀測節點i和被測節點j在1個時間片內的交互次數作為觀測指標，真實交互次數，記作y_t，依次記錄n個時間片的y_n，并將其保存在節點i的通信記錄表中；

預測第n+1個時間片的交互次數：

根據采集到的n個時間片的交互次數建立時間序列，采用三次指數平滑法預測下一個時間片n+1內節點i和j之間的交互次數，預測交互次數，記作計算公式如下：

預測系數a_n、b_n、c_n的取值可由如下公式計算得到：

其中：分別是一次、二次、三次指數平滑數，由如下公式計算得到：

是三次指數平滑法的初始值，其取值為：

α是平滑系數(0＜α＜1)，體現信任的時間衰減特性，即離預測值越近的時間片的y_t權重越大，離預測值越遠的時間片的y_t權重越小；一般地，如果數據波動較大，且長期趨勢變化幅度較大，呈現明顯迅速的上升或下降趨勢時α應取較大值(0.6～0.8)，增加近期數據對預測結果的影響；當數據有波動，但長期趨勢變化不大時，α在0.1～0.4之間取值；如果數據波動平穩，α應取較小值(0.05～0.20)；

計算直接信任值：

節點j的直接信任值TD_ij為預測交互次數和真實交互次數y_n+1的相對誤差，

步驟二，采用多路徑信任推薦方式而得到的計算式計算間接信任值；收集可信節點對節點j的直接信任值：

節點i向所有滿足TD_ik≤φ的可信關聯節點詢問其對節點j的直接信任值，其中φ為推薦節點的可信度閾值，根據可信度的要求精度，φ的取值范圍為0～0.4；

計算間接信任值：

綜合計算所收集到的信任值，得到節點j的間接信任值TR_ij，其中，Set(i)為觀測節點i的關聯節點中與j節點有過交互且其直接信任值滿足TD_ik≤φ的節點集合；

步驟三，由直接信任值和間接信任值整合計算得出綜合信任值，綜合信任值(T_ij)的計算公式如下：T_ij＝βTD_ij+(1-β)TR_ij，其中β(0≤β≤1)表示直接信任值的權重，當β＝0時，節點i和節點j沒有直接交互關系，綜合信任值的計算直接來自于間接信任值，判斷較客觀；當β＝1時，節點i對節點j的綜合信任值全部來自于直接信任值，在這種情況下，判斷較為主觀，實際計算根據需要確定β的取值。

本發明的有益效果為：通過數據處理模塊、第一無線數據通訊收發模塊、第二無線數據通訊收發模塊和中央處理單元設置，使土木工程監測無需布置有線傳輸線路，降低土木工程的監測成本，增加了土木工程監測系統的智能化程度，提高監測精度，提高實用性。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖中：1、數據采集模塊；1-1、溫度傳感器；1-2、加速度傳感器；1-3、應變傳感器；2、電源模塊；3、數據處理模塊；4、第一無線數據通訊收發模塊；5、第二無線數據通訊收發模塊；6、中央處理單元；7、數據服務器；8、無線通訊

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步描述。

如附圖1所示

一種基于無線通訊的土木工程監測系統，包括數據采集模塊1，數據處理模塊3，電源模塊2，第一無線數據通訊收發模塊4,第二無線數據通訊收發模塊5，中央處理單元6，數據服務器7和無線通信網絡8，所述的數據采集模塊1與數據處理模塊3及電源模塊2相連，起到信息采集的作用；所述的數據處理模塊3與數據采集模塊1及電源模塊2相連，起到數據處理及轉換的作用；所述的第一無線數據通訊收發模塊4與數據處理模塊3及電源模塊2相連，起到無線數據收發傳遞的作用；所述的電源模塊2與采集模塊1、數據處理模塊3及第一無線數據通訊收發模塊4相連，起到提供電源的作用；所述的第二無線數據通訊收發模塊5與中央處理單元6相連，起到無線數據收發傳遞的作用；所述的中央處理單元6與第二無線數據通訊收發模塊5及數據服務器7相連，起到數據計算的作用；所述的數據服務器7與中央處理單元6相連，起到數據庫數據存儲、數據分析的作用；所述的無線通訊網絡8起到第一無線數據通訊收發模塊4與第二無線數據通訊收發模塊5之間無線數據傳輸作用。

所述的數據采集模塊1具體包括溫度傳感器11、加速度傳感器12及應變傳感器13，所述的溫度傳感器11與數據處理模塊3相連，起到采集木工程結構溫度數據作用；所述的加速度傳感器12與數據處理模塊3相連，起到采集木工程結構加速度物理量數據作用，所述的應變傳感器13與數據處理模塊3相連，起到采集土木工程結構的應變物理量的信號的作用。

所述的溫度傳感器11具體采用TMP102數字溫度傳感器。TMP數字溫度傳感器是一個兩線串行I2C總線輸出的數字溫度傳感器，并內置A/D轉換器，這樣數據采集模塊向數據處理模塊傳輸是數字信號，使數據處理加方便、快捷。

所述的加速度傳感器12具體采用型號為ADXL335三軸加速度傳感器，該傳感器是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，能以±3g的滿量程范圍測量加速度。

所述的應變傳感器13具體采用型號為CL-YB-11應變傳感器，該傳感器抗側向力好,結構緊湊,安裝使用方便。

所述的數據處理模塊3具體采用型號為四核處理器3.3Gi5CPU，有效提高數據處理速度。

所述的電源模塊2具體采用不間斷的UPS供電電源,型號為山特C2K2KVA1600W，具體為數據采集模塊、數據分析模塊及第一無線數據通訊收發模塊供電。

所述的第一無線數據通訊收發模塊4，第一無線數據通訊收發模塊5均具體采用型號為工業無線數據傳輸模塊CDMA DTU，CDMA DTU模塊內置工業級CDMA模塊，內嵌TCP/IP協議，可以通過CDMA網絡實現數據信息傳輸。

所述的中央處理單元6具體采用AMD四核處理器，有利于提高運算速度。

所述的數據服務器7具體采用DL180Gen9惠普服務器，該服務器搭載英特爾至強2603v3處理器，主頻達1.9GHz，同時標配8GB內存，并且還有四端口前兆網卡，性能強勁。

所述的無線通訊網絡8具體采用CDMA網絡。

進一步，所述數據采集模塊設置有收斂加密單元，所述收斂加密單元的收斂加密方法包括：

(1)數據擁有者首先計算數據m的哈希值h(m)，其中h(·)是密碼學中的一個強哈希函數，h(m)作為加密數據m的密鑰；

(2)用h(m)加密數據，假設E是一個對稱密鑰加密函數，則產生的密文就是E_h(m)(m)；

(3)用所有的授權用戶的公鑰加密h(m)，密文是：(C，C′)，其中C＝E_h(m)(m)，C′＝F_PK(h(m))，F是一個公鑰加密函數，PK是公鑰；

(4)數據只能被授權用戶解密，合法用戶首先用自己的私鑰解密得到h(m)，最后用h(m)來恢復m，表示如下：

進一步，所述第一無線數據通訊收發模塊設置有無線體域網極限容量計算單元，所述無線體域網極限容量計算單元的無線體域網計算方法如下：

利用Laguerre多項式計算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)；

n＝max(N_t,N_r)；

為次數為k的Laguerre多項式；

如果令λ＝n/m，可以推導出如下歸一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情況下，令m＝n＝N_t＝N_r，則v₁＝0，v₂＝4；

漸進信道容量為：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)；

式簡化為：

進一步，所述第二無線數據通訊收發模塊設置有無線信任值計算模塊，所述無線信任值計算模塊的信任值計算方法包括以下步驟：

步驟一，采集節點間不同時間片的交互次數，根據得到的數據建立時間序列，通過三次指數平滑法來預測節點間下一個時間片的交互次數，將交互次數預測值與實際值的相對誤差作為節點的直接信任值；采集網絡觀測節點i與節點j之間的n個時間片的交互次數：

選取一定時間間隔t作為一個觀測時間片，以觀測節點i和被測節點j在1個時間片內的交互次數作為觀測指標，真實交互次數，記作y_t，依次記錄n個時間片的y_n，并將其保存在節點i的通信記錄表中；

預測第n+1個時間片的交互次數：

根據采集到的n個時間片的交互次數建立時間序列，采用三次指數平滑法預測下一個時間片n+1內節點i和j之間的交互次數，預測交互次數，記作計算公式如下：

預測系數a_n、b_n、c_n的取值可由如下公式計算得到：

其中：分別是一次、二次、三次指數平滑數，由如下公式計算得到：

是三次指數平滑法的初始值，其取值為：

α是平滑系數(0＜α＜1)，體現信任的時間衰減特性，即離預測值越近的時間片的y_t權重越大，離預測值越遠的時間片的y_t權重越小；一般地，如果數據波動較大，且長期趨勢變化幅度較大，呈現明顯迅速的上升或下降趨勢時α應取較大值(0.6～0.8)，增加近期數據對預測結果的影響；當數據有波動，但長期趨勢變化不大時，α在0.1～0.4之間取值；如果數據波動平穩，α應取較小值(0.05～0.20)；

計算直接信任值：

節點j的直接信任值TD_ij為預測交互次數和真實交互次數y_n+1的相對誤差，

步驟二，采用多路徑信任推薦方式而得到的計算式計算間接信任值；收集可信節點對節點j的直接信任值：

節點i向所有滿足TD_ik≤φ的可信關聯節點詢問其對節點j的直接信任值，其中φ為推薦節點的可信度閾值，根據可信度的要求精度，φ的取值范圍為0～0.4；

計算間接信任值：

綜合計算所收集到的信任值，得到節點j的間接信任值TR_ij，其中，Set(i)為觀測節點i的關聯節點中與j節點有過交互且其直接信任值滿足TD_ik≤φ的節點集合；

步驟三，由直接信任值和間接信任值整合計算得出綜合信任值，綜合信任值(T_ij)的計算公式如下：T_ij＝βTD_ij+(1-β)TR_ij，其中β(0≤β≤1)表示直接信任值的權重，當β＝0時，節點i和節點j沒有直接交互關系，綜合信任值的計算直接來自于間接信任值，判斷較客觀；當β＝1時，節點i對節點j的綜合信任值全部來自于直接信任值，在這種情況下，判斷較為主觀，實際計算根據需要確定β的取值。

本發明的有益效果為：通過收據處理模塊、第一無線數據通訊收發模塊、第二無線數據通訊收發模塊和中央處理單元設置，使土木工程監測無需布置有線傳輸線路，降低土木工程的監測成本，增加了土木工程監測系統的智能化程度，提高監測精度，提高實用性。

利用本發明所述的技術方案，或本領域的技術人員在本發明技術方案的啟發下，設計出類似的技術方案，而達到上述技術效果的，均是落入本發明的保護范圍。