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系統識別號 U0002-3108200914222600
中文論文名稱 風工程實場量測應用無線感測網路之系統設計及開發實作
英文論文名稱 System Design and Implementation of Wireless Sensor Network in Wind Engineering Field Measurements
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 施峰琦
研究生英文姓名 Feng-Qi Shi
學號 696380269
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-07
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-王人牧
委員-林致廷
委員-陳正忠
委員-蔡明修
委員-吳重成
中文關鍵字 無線感測網路  風工程實場量測  遠端監控  資訊管理平台 
英文關鍵字 Wireless Sensor Networks  Wind Engineering Field Measurement  Remote Monitoring and Control and Information Management Platform 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 風工程研究中,以風洞試驗藉由物理縮尺模擬預估實際風力狀況,並經由理論模式及數值分析以模擬結構物受風影響所產生的效應,但終究需透過實場數據驗證模擬結果的可靠性,實場量測是掌握結構物受風載重作用、結構反應及破壞最直接的資料,但現實情況下執行實場量測實為不易,特別是風壓計需要大量安置於結構物周遭時,除了供電和佈線繁雜外,必要時需對建築物鑽孔以進行儀器安裝佈線;風工程監測上的訴求,儀器需針對建物受風影響的相關感測資料達到同時段資料同步化,以接收不同感測數據於時序上的同步傳輸。
近年來微機電、無線通訊及嵌入式軟硬體技術迅速提升,以「偵測」功能所發展出的無線感測網路,使微小的電子裝置可以內嵌精密感測、計算及通訊等功能,透過無線傳輸的網路架構模式,將所蒐集到的資料回傳給遠端伺服器,以提供感測環境資訊,除了平時感測取得所需資訊外,並可依照所收集的資料,進行儲存、運算及傳輸。
為達到儀器高彈性化之佈建及遠端有效監控,本研究運用無線感測網路無所不在計算之特性與風工程實場量測整合,並依照以往實場量測內容重新定義實場量測資料庫,以增進資料的可視度,提高數據搜尋與擷取的效能,建立「節點管理中介程式」,將無線感測網路的感測資料進行封包運算處理,隨後將擷取實場量測資料上傳至遠端伺服器,為支援後續數據分析應用,建構「實場量測資訊系統」以提供網路用戶端使用。
英文摘要 In wind engineering application, wind tunnel tests are the scale-down simulation of real structures to forecast wind loading situation. On the other hand, theory and numerical analysis are used to compute the responses of structures influenced by wind. Full-scale field measurement data is important for the verification of the reliability of simulations in wind engineering research. Field measurements provide the most direct information about wind load, structural response and damage. However, it is indeed difficult in reality to implement full-scale measurement. In particular, wind pressure measurements require to layout large number of pressure gages around a real structure. In addition to complex wiring and power supply, sometimes it is necessary to drill holes for the installation of instruments and routing the wires. Data synchronization is the requisite of wind engineering monitoring of buildings subjected to wind forces. Different sensor data received have to be synchronized on the same time line.
The technologies of MEMS, wireless communications and embedded hardware and software have advanced a great deal recent years. The precision sensing, computing and communication functions embedded in microscopic electronic devices are resulted from wireless sensor networks (WSN) developed to fulfill its function to detect. Through a wireless network infrastructure, collected data can be transmitted to a remote server to provide information of the sensing environment. Apart from the usual obtaining of required sensor information, further storage, computing and transmission can be carried out in accordance with the information.
In order to flexibly deploy instruments and effectively monitor data, the reported research investigated the possibility of using wireless sensor networks, which eliminate wiring hassle and have very high mobility, in wind engineering field measurements. A database for field measurement with different functional modules was defined to increase the visibility of data as well as to improve the efficiency of data search and acquisition. Interactive user interface and packet process techniques were used to implement the WSN node management middleware. Saved field measurement data can also be imported into the field measurement information platform for further analysis and application.
論文目次 目錄....I
表目錄....IV
圖目錄....VI
第一章 緒論
1.1研究背景及動機....1
1.2研究目的....2
1.3研究方法....4
1.4論文組織....6
第二章 文獻回顧
2.1無線感測網路技術簡介及應用....8
2.1.1概念....8
2.1.2簡介....10
2.1.3通訊協定....11
2.1.4無線感測網路硬體架構....12
2.1.5設計考量....14
2.1.6營建業應用相關研究....15
2.2風工程簡介-實場量測導入資訊技術發展....18
2.2.1 風工程實場量測介紹....18
2.2.2 e-wind架構....20
2.2.3實場量測資訊技術應用....22
第三章 硬體架構
3.1環境監測設備....24
3.1.1感測儀器....24
3.1.2感測儀器的率定....26
3.2無線模組....27
3.3電路配置....30
3.4封包資料內容....31
第四章 系統分析與設計
4.1系統發展概念....33
4.1.1使用者介面....35
4.1.2資料管理....36
4.1.3檔案管理....36
4.1.4功能模組....37
4.2使用者需求....37
4.3系統架構....38
4.3.1中介程式內部設定....38
4.3.2系統整合及開發工具....44
4.4系統功能規劃....46
4.5資料庫設計....50
4.5.1結構資訊模組....52
4.5.2 儀器資訊模組....53
4.5.3 數據檔案儲存模組....59
第五章 系統展示及成果評估
5.1中介程式開發流程....61
5.2節點管理中介程式功能展示....65
5.2.1感測設備/裝設環境設定....65
5.2.2封包資料接收程序....67
5.2.3 節點資料查詢....69
5.2.4節點資料設定....70
5.3實場量測資訊系統功能展示....73
5.3.1一般查詢....74
5.3.2資料寫入設定....75
5.3.3數據資料查詢....76
5.3.4現地接收即時監看....77
5.4成果評估....78
第六章 結論與展望
6.1結論....81
6.2未來展望....83
參考文獻....85

表目錄
表 2-1無線通訊標準....9
表 3-1風速計規格....25
表 3-2風壓計規格....25
表 3-3無線感測網路平台系統硬體性能比較 29
表 3-4封包欄位....32
表 4-1 Id標籤列表....39
表 4-2 Name標籤列表....39
表 4 4 Location標籤列表....40
表 4-5 Height標籤列表....40
表 4-6 Floor標籤列表....40
表 4-7 WSN_Id標籤列表....41
表 4-8 I_Name標籤列表....41
表 4-9 I_Type標籤列表....42
表 4-10 CoorX標籤列表....42
表 4-11 CoorY標籤列表....42
表 4-12 Floor標籤列表....42
表 4-13 Start標籤列表....42
表 4-14 End標籤列表....43
表 4-15 ADC1標籤列表....44
表 4-16 ADC2標籤列表....44
表 4-17 ADC3標籤列表....44
表 4-18現地軟體列表....45
表 4-19實場量測資訊系統軟體列表....46
表 4-20使用者功能權限劃分....49
表 4-21結構資料表....52
表 4-22人員分配資料表....52
表 4-23人員資料表....53
表 4-24儀器資料表....54
表 4-25儀器維修記錄資料表....54
表 4-26安裝資料表....55
表 4-27頻道連接資料表....55
表 4-28 AD安裝資料表....56
表 4-29 AD資料表....56
表 4-30 WSN配置表....57
表 4-31無線模組接埠配置資料表....57
表 4-32 WSN安裝資料表....58
表 4-33無線模組資料表....58
表 4-34數據存取資料表....59
表 4-35颱風資料表....60

圖目錄
圖 1-1研究內容....4
圖 2-1無所不在計算技術內涵[3]....10
圖 2-2 美國柏克萊大學所研發的智慧灰塵 [4]....10
圖 2-3 無線感測網路....11
圖 2-4以 IEEE802.15.4 為基礎之ZigBee 無線通訊協定[5]....11
圖 2-5 ZigBee無線感測區域網路結構[5]....12
圖 2-6 感測節點硬體構造[6]....12
圖 2-7 實場量測數據平台整體架構圖....23
圖 3-1 YOUNG 05103LM 螺槳式風速風向計....24
圖 3-2 VALIDYNE P855 風壓計....25
圖 3-3風速計率定及無線模組電壓接收....26
圖 3-4風壓計率定....27
圖 3-5無線感測器網路平台架構示意圖....27
圖 3-6基礎節點....28
圖 3-7進階節點....28
圖 3-8電源供應平台....30
圖 3-9電路配置圖....31
圖 3-10終端機接收封包資料內容....32
圖 4-1系統規劃工作項目及流程....33
圖 4-2系統角色定位示意圖....34
圖 4-3系統發展概念....35
圖 4-4中介程式Structure XML Schema 文件....39
圖 4-5中介程式Node XML Schema 文件....41
圖 4-6中介程式Configure XML Schema 文件....43
圖 4-7系統架構及功能....45
圖 4-8節點管理中介程式功能規劃....47
圖 4-9中介程式運作流程....47
圖 4-10實場量測資訊平台功能規劃....48
圖 4-11實場量測資訊平台運作流程....48
圖 4-12實場量測資料庫關聯圖....51
圖 5-1中介程式開發流程步驟....61
圖 5-2執行緒多工處理方式....63
圖 5-3執行緒委派流程....64
圖 5-4系統使用者登入及驗證....66
圖 5-5結構物相關資料及XML內容....66
圖 5-6節點管理中介程式主畫面....67
圖 5-7通訊埠開啟及接收節點顯示....68
圖 5-8即時資料監看....68
圖 5-9數據檔案資料CSV檔內容....69
圖 5-10檔案內容....69
圖 5-11無線模組位置資料....70
圖 5-12管理專區系統驗證....71
圖 5-13中介程式現地資料更新....71
圖 5-14無線模組節點新增及修改介面....72
圖 5-15節點定位設定....72
圖 5-16檔案壓縮備份....73
圖 5-17功能選單權限劃分....74
圖 5-18結構物及架設儀器資料查詢....74
圖 5-19儀器擺設位置及相關資訊....75
圖 5-20結構物及儀器新增介面....76
圖 5-21數據資料圖表....77
圖 5-22現地節點狀態即時監看....78
圖 5-23無線感測網路應用流程歸納....79

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