摘要
對(duì)例如橋梁和房屋等民用基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期的監(jiān)測(cè)，是老化結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)行的成本和安全的關(guān)鍵。普遍使用的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)系統(tǒng)受限于專業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能、通用設(shè)備的高成本和全自動(dòng)決策支持系統(tǒng)的缺乏。
此項(xiàng)目的目標(biāo)包括：第一，要設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線智能傳感網(wǎng)絡(luò)（WISAN）和制造一整套用于完成結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)任務(wù)的便宜設(shè)備；第二，要發(fā)展適用于自主結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的SHM理論。
設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，解決問(wèn)題以達(dá)到單位傳感器的低成本，高可靠性，以能源為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算負(fù)荷的節(jié)能分布，ISM無(wú)線電波段的安全和和諧。實(shí)用性的傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)智能計(jì)算的應(yīng)用和信號(hào)生成能力的支持在增加。
雖然SHM理論也將被認(rèn)可，但自動(dòng)化SHM理論的基礎(chǔ)是模態(tài)應(yīng)變能量的理論。自動(dòng)化的任務(wù)包括通過(guò)環(huán)境振動(dòng)實(shí)現(xiàn)模態(tài)識(shí)別的自動(dòng)化、對(duì)獲得的模態(tài)振型進(jìn)行分類(lèi)和結(jié)構(gòu)健康的自動(dòng)評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境振動(dòng)、自動(dòng)系統(tǒng)、模態(tài)應(yīng)變能
1.介紹
對(duì)例如橋梁和房屋等民用基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期的監(jiān)測(cè)，是老化結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)行的成本和安全的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)健康的知識(shí)、承載能力和剩余使用時(shí)間是任何方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）的主要任務(wù)。維持和改善橋梁的條件是運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和成本效率的關(guān)鍵。橋梁構(gòu)成了交通基礎(chǔ)設(shè)施里最脆弱的元素。一座橋梁的停止運(yùn)行都會(huì)對(duì)橋梁的使用者（交通延誤和走彎路）和道路橋梁的運(yùn)營(yíng)者造成經(jīng)濟(jì)損失。在2001年末，聯(lián)邦公路管理局（FHWA）已經(jīng)列出了近30%的國(guó)家的590000座橋梁，它們?cè)诔叽?、?fù)載或其他特點(diǎn)上存在結(jié)構(gòu)缺乏或者功能過(guò)時(shí)。這些橋路的絕大多數(shù)都是中小跨度結(jié)構(gòu),坐落在當(dāng)?shù)?次要的)或農(nóng)村道路上。
FHWA提出了兩個(gè)破壞運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的主要原因：在交通水平顯著增加的快速老齡化的橋梁和隧道，他們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)把許多橋梁的損耗作水平處理。例如，在聯(lián)邦洲際公路系統(tǒng)上一半的橋梁是33歲以上。FHWA的估計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2010年底客流將增長(zhǎng)17%（從2.7兆汽車(chē)英里增到3.1兆），卡車(chē)交通將增長(zhǎng)28%。老化的基礎(chǔ)設(shè)施和增加的交通數(shù)量在橋梁養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行安全問(wèn)題上產(chǎn)生了更大的壓力。
客觀評(píng)價(jià)橋梁狀態(tài)可顯著降低在保養(yǎng)、維修和更換存在結(jié)構(gòu)缺陷的部件的費(fèi)用。關(guān)鍵在于要有較低的成本和可靠的方法來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性，來(lái)識(shí)別惡化的部件。這個(gè)目標(biāo)可以通過(guò)一個(gè)能夠執(zhí)行連續(xù)橋梁健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這樣一個(gè)系統(tǒng)能夠補(bǔ)充FHWA的橋梁的周期目視檢查，能夠提供橋梁健康狀態(tài)的定量措施。連續(xù)的SHM的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)有檢測(cè)和定位損傷的能力，對(duì)橋梁檢測(cè)和定位是很難通過(guò)目視檢查的，就比如隱藏的腐蝕和老化。這些和其他有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的問(wèn)題吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。
同樣的SHM方法可以擴(kuò)展到土木工程結(jié)構(gòu)，例如位于高地震活動(dòng)帶的建筑。一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在地震后通過(guò)減少需要目視檢查的焊接連接顯著降低建筑的維修費(fèi)用（與去除的高成本、安裝熔覆和阻燃相比）。
目前，由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)專業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的需要和推廣的高成本，有線儀表，耦合的高成本安裝都限制了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用。Lynch指出，在加州，每座橋要花費(fèi)$300,000（每個(gè)傳感器要$5000）去安裝擁有60個(gè)加速計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，Tsing Ma Suspension橋的600路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的花費(fèi)超過(guò)$1600萬(wàn)（每路超過(guò)$27,000）。安裝電纜、電纜管道是勞動(dòng)密集型工作，構(gòu)成了最終成本的很大一部分。
另一個(gè)限制因素來(lái)自于許多結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法沒(méi)有全自動(dòng)的決策支持的事實(shí)。一個(gè)高水平的專家通常被要求在放緩對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的引入時(shí)解釋數(shù)據(jù)和進(jìn)行損傷檢測(cè)。
一個(gè)來(lái)解決這些儀器儀表問(wèn)題可能的方法要依賴于由許多便宜的低功耗節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的執(zhí)行。Mitchel, Rao and Pottinger使用商用硬件設(shè)計(jì)了用戶希望使用的傳感網(wǎng)絡(luò)。Lin使用綜合結(jié)構(gòu)壓電式傳感器監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性。Fraser計(jì)劃去利用一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)作為綜合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，它包含計(jì)算機(jī)視覺(jué)、復(fù)雜的數(shù)值模擬系統(tǒng)、可視化、風(fēng)險(xiǎn)分析和統(tǒng)計(jì)決策。Basheer著眼于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)里傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我組織問(wèn)題。作者也突出了其他設(shè)計(jì)的問(wèn)題，例如容錯(cuò)、節(jié)能通信和可靠運(yùn)行。Kotapalli基于商業(yè)上可用的硬件為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。Lynch測(cè)試了一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
這些和其他重要課題論文描述無(wú)線儀表的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。本文中我們提出一個(gè)完全自主的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線系統(tǒng)。
2.自主結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的背景
設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集儀器如傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠保證最大程度地適應(yīng)特定任務(wù)。作為一個(gè)整體，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長(zhǎng)期單孔位微吹氣擾動(dòng)是在試圖降低成本和最大化利用系統(tǒng)。因此，執(zhí)行任何設(shè)計(jì)問(wèn)題的決議都應(yīng)該在思想上保持這種方法。傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)該緊密結(jié)合監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)而不一定需要遵循制定其他應(yīng)用的概念。在這里,我們將考慮的一些問(wèn)題集中在基于模態(tài)應(yīng)變能的連續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁的自治結(jié)構(gòu)的任務(wù)。
第一，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供低成本的自主的數(shù)據(jù)采集能力。傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集儀表，應(yīng)該專門(mén)為在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)被結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制普遍利用的傳感器而設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該很便宜（每個(gè)數(shù)據(jù)頻道/傳感器為$100或者更少），支持異類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)易于安裝和維護(hù)。
第二，被用于驅(qū)動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)的能量的價(jià)格應(yīng)該最低，而且最好是來(lái)自自我支撐的能源。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以避免高成本的布線和維護(hù)為主要省錢(qián)途徑。耗電的傳感節(jié)點(diǎn)在消耗相當(dāng)數(shù)量的像電池一樣的中等昂貴的能源時(shí)可能會(huì)消除任何成本優(yōu)勢(shì)。通常，傳感器位于很難被接觸到的地方，而且根據(jù)電池的價(jià)格、更換電池的時(shí)間、勞動(dòng)力的花費(fèi)，在更換擁有100個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)裝置的電池的一次性費(fèi)用會(huì)在$1000以上的任何數(shù)字。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在被要求更換電池之前只能僅僅持續(xù)幾個(gè)月的話，那么總的花費(fèi)將很快地增長(zhǎng)。
第三，傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要在能工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)的無(wú)線電頻率范圍內(nèi)共享其他設(shè)備的功能，而且在一個(gè)擁有大量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)里能夠提供一個(gè)容錯(cuò)、可靠和安全的通訊方式。這些問(wèn)題常常被研究者們所忽略。
第四，傳感器模塊應(yīng)該提供計(jì)算負(fù)荷的節(jié)能分布和用智能支持監(jiān)測(cè)的方法。計(jì)算負(fù)荷的分布僅僅在總能量消耗最小或者系統(tǒng)的延遲最小時(shí)才又意義。
第五，傳感網(wǎng)絡(luò)一個(gè)為傳感節(jié)點(diǎn)的自我定位提供便利的方法。大部分的SHM理論都要求傳感器在結(jié)構(gòu)中位置的知識(shí)。網(wǎng)絡(luò)的定位能力必須允許3 D分辨率節(jié)點(diǎn)的位置。
第六，作為一個(gè)整體的傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該在某種程度上類(lèi)似于有線系統(tǒng)去獲得數(shù)據(jù)能力，也就是說(shuō)在網(wǎng)路與渠道之間保持同步和最小的錯(cuò)誤。網(wǎng)絡(luò)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的采樣同步誤差應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于信號(hào)在接受的時(shí)期。
第七，傳感網(wǎng)絡(luò)和SHM系統(tǒng)應(yīng)該圍繞傳感器和監(jiān)測(cè)的原理組建，不需要?jiǎng)?lì)磁結(jié)構(gòu)和對(duì)主要的能量使用進(jìn)行測(cè)量，但是需要功能捕捉和分析環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)利用像來(lái)自交通、風(fēng)的環(huán)境能量來(lái)勵(lì)磁，我們就可以在強(qiáng)迫激勵(lì)結(jié)構(gòu)上避免與成本有關(guān)的能量收支。
最后，SHM不能依靠有人類(lèi)介入的任何部分的決策，要能夠損傷特征分析，數(shù)據(jù)采集，發(fā)電和自主完成功能。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要處理所有數(shù)據(jù)所在的位置，定期向生成報(bào)表，并把他們傳送到監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，在檢測(cè)到一種威脅或一個(gè)極端的事件（例如快速增長(zhǎng)的裂紋或地震）時(shí)發(fā)出警報(bào)。
在這一部分我們提出了符合所有這些要求的框架。
3. 無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線智能傳感網(wǎng)絡(luò)（WISAN，“傳感網(wǎng)絡(luò)”）在設(shè)計(jì)時(shí)把連續(xù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目標(biāo)記在心里。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要符合前面所述的要求和為各種各樣的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的切實(shí)實(shí)施提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。有限信號(hào)處理的智能功能，壓縮，波形代和嵌入式計(jì)算智能（模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）使這類(lèi)傳感網(wǎng)絡(luò)幾乎在大量的SHM方法中適用。
傳感節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖一所示。數(shù)據(jù)采集模塊是圍繞Texas Instruments的超低耗MSP430F1611單片機(jī)建立的。數(shù)據(jù)采集模塊也提供了六個(gè)12位的數(shù)模通道，兩個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換頻道，16通用數(shù)字輸入/輸出渠通道和16M位的EEPROM存儲(chǔ)器。模塊化設(shè)計(jì)允許一個(gè)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)與靈活的數(shù)數(shù)輸入/輸出通道和解除了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器執(zhí)行信號(hào)處理任務(wù)。
數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)一條內(nèi)部總線連接到網(wǎng)絡(luò)接口上。在網(wǎng)絡(luò)接口上根據(jù)IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Chipcon的2.4Ghz模塊CC2420被用于接收廣播。一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的所有組件都是低價(jià)的，實(shí)現(xiàn)了每頻道$100成本的目標(biāo)。
利用MSP430單片機(jī)和CC2420芯片RF射頻（高頻交流變化電磁波）設(shè)計(jì)傳感節(jié)點(diǎn)需要的驅(qū)動(dòng)能量非常低。信號(hào)在MSP430單片機(jī)里每1Mhz消耗0.84mW或者每8Mhz消耗7.5mW，這在單片機(jī)里是非常有優(yōu)越性的。另外，MSP430單片機(jī)在低功率模式下大約只有5μW消耗,使在備用狀態(tài)下的電池壽命達(dá)到好幾年。CC2420射頻收發(fā)器是低功耗，低花費(fèi)，是IEEE 802.15.4部門(mén)為高頻交流變化電磁波能夠2.4 GHz的無(wú)線帶寬里順應(yīng)接收而設(shè)計(jì)的。收發(fā)模塊提供了16個(gè)頻道的范圍在2 Mchips /s和250 kbps有效原始數(shù)據(jù)率d 直接序列擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器，它低功率消耗（接收時(shí)是60 mW，發(fā)送時(shí)是52 mW），有效范圍在10 ~ 75米，輸出功率可編程，硬件MAC加密和認(rèn)證(AES- 128)，有信號(hào)強(qiáng)度指示器和電池監(jiān)視器。WISAN節(jié)點(diǎn)所有設(shè)備滿負(fù)荷(在 3V時(shí)75mW)運(yùn)行時(shí)消耗的總的最大功率遠(yuǎn)低于其他傳感網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)的功率消耗。
如此的低功耗能夠延長(zhǎng)電池的壽命和延長(zhǎng)更換周期到好幾年，或者還可以利用環(huán)境振動(dòng)的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)。WISAN節(jié)點(diǎn)消耗的峰值功率（(75 mW）在時(shí)間上是非常短暫的，而且僅在必要時(shí)與信標(biāo)保持同步和傳送收集到的數(shù)據(jù)的一些時(shí)間里出現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)的其他所有的時(shí)間都工作在低功耗模式下，約0.1瓦特的電力消耗。舉個(gè)例子，在一段30秒的時(shí)間里，在50Hz下連續(xù)采集12位的模擬輸入將產(chǎn)生2250字節(jié)的數(shù)據(jù)。假設(shè)最糟糕的功率消耗和1毫秒的保守采集時(shí)間，那么采集過(guò)程將消耗50Hz*30s*(1ms*7.5mW+19ms*5µW) = 0.0113925J的能量。假設(shè)無(wú)線鏈路利用率為50%（一個(gè)非常保守的估計(jì)）傳播這些數(shù)據(jù)將會(huì)持續(xù)2250bytes/(250kbps*0.5/8)≈0.14s。因此，傳送過(guò)程大約要耗費(fèi)0.14s*(52mW+7.5mw) =8.3mJ的能力。假設(shè)一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的在接收模式下大約要花100毫秒來(lái)等待802.15.4的信標(biāo)，則總共的能量消耗將增加到大約0.1s*(60mW+7.5mW) =6.75mJ。因此一個(gè)WISAN節(jié)點(diǎn)在50赫茲采樣率連續(xù)30秒采集一個(gè)模擬信號(hào)的總共能量消耗為11.4mJ+8.3mJ+6.75mJ=26.45mJ。相比較，Lynch提出的設(shè)計(jì)，在傳送相同數(shù)量數(shù)據(jù)的功率消耗為0.9J (相對(duì)于 WISAN的8.3mJ)，相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)別或者更高。這些數(shù)據(jù)將直接影響傳感節(jié)點(diǎn)電池的使用壽命和是備用電池能夠利用能量采集設(shè)備產(chǎn)生的小到1mW下工作。
就像之前描述的，低功耗真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，是能量采集設(shè)備能夠連續(xù)工作。在實(shí)踐階段，一個(gè)幾乎無(wú)需維護(hù)的SHM系統(tǒng)可以利用驅(qū)動(dòng)WISAN節(jié)點(diǎn)的機(jī)電設(shè)備或者壓電式發(fā)電設(shè)備組建。
選擇物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與802.15.4相互兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也解決電磁兼容性、可靠性和安全性的問(wèn)題。為802.15.4設(shè)備配置無(wú)線電頻率(頻道)使其與其他出現(xiàn)的流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存是有預(yù)見(jiàn)性的，就像802.11（無(wú)線上網(wǎng)）。利用頻道吸收在一定程度上產(chǎn)生電磁干擾是允許的。傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信可以通過(guò)先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的加密和認(rèn)證變得非常安全。
位于Chipcon公司生產(chǎn)的射頻接口模塊的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)允許在傳感模塊通過(guò)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量來(lái)實(shí)施定位能力。這種能力能被執(zhí)行以下描述的過(guò)程。節(jié)點(diǎn)定位能潛在地被用于減少電腦連接動(dòng)作次數(shù)的路由算法和在傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布能源消耗。
實(shí)時(shí)的搶占式內(nèi)核在傳感節(jié)點(diǎn)里按照時(shí)間表來(lái)執(zhí)行任務(wù)，支持高精度的全球時(shí)間同步，傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的命令。例如，為了從結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)上重建位移式模態(tài)振型，重建位移式模態(tài)振型的精度取決于抽樣事件的時(shí)間同步的精度。全球時(shí)間同步的時(shí)間信號(hào)將被轉(zhuǎn)發(fā)802.15.4超幀的一部分并且納入航標(biāo)。結(jié)合低延遲的實(shí)時(shí)內(nèi)核, 預(yù)計(jì)全球時(shí)間同步的精度將在微秒的級(jí)別。
傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施軟件提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)嵌入式智能和分布式計(jì)算負(fù)荷。通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)壓縮實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的最小占用。通過(guò)模糊邏輯的實(shí)施和能無(wú)需傳送數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)完成控制任務(wù)轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單方法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間的最小化。考慮到低能量的消耗WISAN的網(wǎng)絡(luò)接口，我們不能認(rèn)為快速的應(yīng)用，用大功率計(jì)算設(shè)備來(lái)執(zhí)行傳感節(jié)點(diǎn)里的傅里葉快速變換操作是合理的能量智能化。例如，估計(jì)摩托羅拉MPC555單片機(jī)的一個(gè)自回歸模型4000系數(shù)計(jì)算消耗大約3 J的能量。在WISAN里不使用任何計(jì)算壓縮方案?jìng)魉?6000字節(jié)的原始數(shù)據(jù)將消耗大概66.75mJ的能量（保守地估計(jì)）。因此，網(wǎng)絡(luò)傳播具有潛在44次的比在傳感器里計(jì)算更優(yōu)越的算法。數(shù)據(jù)將被傳送到一個(gè)專門(mén)連接到用低價(jià)能量作為電源的節(jié)點(diǎn)上，如電力線路或一個(gè)太陽(yáng)能電池。這樣的專門(mén)的節(jié)點(diǎn)將為SHM系統(tǒng)的計(jì)算要求提供一個(gè)更經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
所有上述的考慮同樣支配著傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。我們建議使用比雙層結(jié)構(gòu)有更加好的容錯(cuò)的二級(jí)三簇結(jié)構(gòu)。圖二闡明了二級(jí)三簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
一個(gè)簇里的傳感節(jié)點(diǎn)通常由一個(gè)中等價(jià)位的像電池或采集裝置能量為電源來(lái)驅(qū)動(dòng)的。為了使一個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量最小和減少連接動(dòng)作消息的數(shù)量，所有節(jié)點(diǎn)都與族里的頭節(jié)點(diǎn)單獨(dú)相連。如果一個(gè)單獨(dú)連接的線路不能用時(shí)，它就會(huì)被多路連接所替代。各種各樣的節(jié)能路由算法可以應(yīng)用到在接受從其他節(jié)點(diǎn)來(lái)的傳感器節(jié)點(diǎn)的路由信息時(shí)減少和平均分配能耗。然而一個(gè)單路連接的郵件傳遞的通常是會(huì)傳送給所有節(jié)點(diǎn)。多路連接的目的是在可能發(fā)生的簇首跳出服務(wù)時(shí)為網(wǎng)絡(luò)提供容錯(cuò)，以防萬(wàn)一，比如在一個(gè)極端事件如地震。由Kottapalli提出的二級(jí)交流結(jié)構(gòu)在任何的“現(xiàn)場(chǎng)大師”（簇首）跳出服務(wù)時(shí)被完全破壞。
