大学生创新性实验计划项目申报表.docx

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1、南京航空航天大学国家大学生创新性实验计划项目申报表项目名称：飞机结构健康监测及强度试验用智能无线传感网络系统 申 请 人： 王子龙 项目所属一级学科名称： 航空宇航科学与技术 专 业： 飞行器设计与工程 学 号： 010610435 身份证号： 321081198803018416 联系电话： 15952011910 电 邮： hjfd641xsc 指导教师: 袁慎芳 职称 教授 指导教师联系电话： 025-84893460 指导教师电邮： ysf 申请日期： 2008 年 10 月 10 日 南京航空航天大学教务处 项目简况项目名称飞机结构健康监测及强度试验用智能无线传感网络系统项目类别A、

2、科学实验和科技制作、科研类； B、学术论文、社会调查类；C、其他类； （ A ）申请资助经费30000元项目起止时间2008年11月1日 2009年11月30日项目负责人姓 名王子龙学 号010610435性 别男民 族汉族出生年月1988.03.01学 院一院专 业飞行器设计与工程年 级本科三年级必修课平均学分绩点3.703电 话15952011910电 邮hjfd641xsc第一指导教师情况个人简历姓名 性别民族职称出生年月主要研究方向袁慎芳女汉族教授1968.4传感测控技术结构健康监测最后学位博士最高学历博士主要教学工作90年以来，一直从事结构健康监测、传感器与信号处理、测控技术和实验力

3、学的科研与教学工作；获国家优秀教学成果二等奖1项。主要科学研究工作2002获博士生导师资格。先后主持国家863项目，国家自然科学基金项目，教育部“新世纪优秀人才”支持项目、预研项目、航空基金、江苏省创新人才基金等其他省部级项目8项。作为主要参加者参加了国家自然科学基金重点项目及国防基础和国防预研项目等近30项国家及省部级项目。由国防出版基金资助出版专著结构健康监控，作为主要编著人编著了专著智能材料结构，发表文章80余篇，其中50余篇被SCI、EI及ISTP收录。申请国家发明专利8项，已获授权2项。2002年被中国知识产权局及中国妇联联合授予“巾帼优秀发明者”称号。2003年被评为江苏省优秀科技

4、工作者。2005年入选教育部“新世纪优秀人才计划”。项目组主要成员姓 名性别学号所在学院项目分工签字联系电话张红男010610735航空宇航学院节电电路，硬件张红15850510907秦显慧男030620434自动化学院网络协议，软件秦显慧15950519840其他指导教师简况姓 名性别所在学院研究方向项目分工签字联系电话1.项目研究的内容、目的和意义、具体目标等无线传感器网络是由大量依据特定的通讯协议，可进行相互通信和协作的智能无线传感器节点组成的网络。无线传感器网络有着广泛的应用前景，飞机结构的强度试验和健康监测也是该技术的一个重要应用领域。在航空领域，机体结构是各类军用飞行器发展必不可少

5、的平台，结构强度性能是确保飞行器先进结构、机构可实现和保证飞行安全并满足战技指标的最主要的关键技术之一，其技术发展水平和解决关键技术难题的积累直接关系到先进飞行器平台研制的成败。飞机结构的静力/疲劳实验是研究飞行器结构强度的重要手段。飞机结构试验通过有计划地对结构受载后的性能进行观测和对测量参数如压力、位移、振幅、振频、疲劳寿命等进行分析，对结构的工作性能和承载能力做出正确的评价和估计，并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。飞机结构的静力/疲劳实验技术的发展已有一定的历史，积累了一定的经验，尤其是飞机静力试验方法。但目前随着航空科学技术的飞速发展，飞机结构设计思想不断更新，轻质、高可靠性

6、、高机动性、高维护性、高生存力、超音速巡航、隐身、大航程和短距起落的综合要求已成为现代军用飞机结构设计的一项极为重要而且必须遵循的准则。这些性能要求使得结构材料面临更加恶劣的使用环境，也为飞机结构的静力/疲劳实验提出了新的要求。目前飞机结构的静力/疲劳实验普遍存在测量点多、规模大等特点，因此造成了引线复杂、附加重量大等问题；此外，试验系统整体的智能化、网络化程度不高，使得飞机静力/疲劳试验的整体效率不高，测量精度有待改进，费用有待降低。另一方面，在线实时地对结构状态进行监测的结构健康监测技术近年来一直是研究的热点，结构健康监测技术则利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构

7、健康状况相关的信息(如应力、应变、温度等)，并结合先进的信号信息处理方法和结构力学建模方法，提取结构特征参数，识别结构的状态。结构健康监测技术对于提高航空航天飞行器结构、国防武器装备结构的安全性、延长结构寿命、降低结构维护费用具有重要的意义，但由于需要将大量传感元件同结构集成，因此也迫切需要降低附加重量、提高系统运行速度及精度的有效方法。无线传感器网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的飞机结构静力/疲劳实验系统和健康监测系统提供了很好的手段。采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量，从而大大降低由于增加测试系统所导致的结构重量的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状比较复杂，不便于引线的部

8、位；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高试验系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。本项目将针对大型结构健康监测和静力疲劳试验系统的要求及特点，研究适合于结构健康监测和静力疲劳试验的智能无线传感器节点的实现；传感器网络的组织结构、网络通信协议的实现方法及设计理论；基于智能无线传感网络的静力疲劳试验方法，相关研究进展对于减少结构健康监测和静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度和效率、降低费用具有重要的意义。无线传感器

9、网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的飞机结构静力疲劳实验系统和健康监测系统提供了很好的手段。2.国内外的研究状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）无线传感器网络的最初研究来源于美国军方。美国国防先进研究计划局（DARPA）于2001年在“网络嵌入式软件技术”（Network embedded software technology）项目的支持下，资助加州伯克力大学开发了名为“Smart Dust”（智能灰尘）或“Mote”的无线传感器开发系统，从那时期起到现在，DARPA每年都投入几千万美元进行无线传感器网络技术的预研1。2002年8月初，美国国家科学基金委（NSF）、DARPA、航

10、空航天局（NASA）等12个重要研究机构在加州伯克利大学联合召开了“未来传感系统”国家研讨会，旨在探讨未来传感器系统及其在工程应用中的前沿发展方向。会议讨论认为无线传感器网络的实现及其传感数据的传输、分析及决策技术的研究同基于微机械、纳米技术的新型传感技术一样，代表着未来传感器研究的前沿方向，并且对于战场信息感知、国土安全与反恐战争、大型结构健康监测及强度实验等工程应用领域具有极其重要的研究意义2。基于该次会议的讨论，美国NSF于2003年初，由工程学部及计算机与信息工程学部联合发布了传感及传感器网络研究指南，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究，着重将无线传感器网络的实现及其传感数据的

11、传输、分析及决策技术列入了鼓励研究方向，正是基于这样的背景，国外掀起了一股无线传感器网络的研究热潮。目前的研究表明：无线传感网络系统可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、医疗卫生、反恐、灾害监测等领域。由于它的巨大应用价值，已经得到了许多国家的军事部门、工业界的极大关注3-12。在国内，无线传感网络的研究已经起步，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究13-14。针对结构健康监测和飞机静力/疲劳试验的研究，国内几乎是空白，南京航空航天大学、哈尔滨工业大学，都开展了一些前期的探索15-16，其中南京航空航天大学航空科技智能材料与结构重点实验

12、室已初步研制了自己的节点，但总体上，国内这方面的研究还处起步阶段，同国外水平有一定差距。参考文献：1. http:/www.ce.berkeley.edu/Programs/Geoengineering/sensors/presentations/2. Sensor and Sensor Network, Program Solicitation，NSF 03-512，Dec.，2002。3. Bulusu et al., Scalable Coordination for Wireless Sensor Networks: Self-Configuring Localization Syst

13、em, ISCTA 2001, Ambleside, U.K., July 2001.4. Savarese C, and Rabaey J, Robust Positioning Algorithm for Distributed Ad-hoc Wireless Sensor Networks. In: Park Y, ed. Proceedings of the USENIX Technical Annual conference. Monterey: USENIX, 2001, 317-328.5. Lan F. Akyildiz, Weilian su, Yogesh Sankaras

14、ubramaniam, et al. A Survey on Sensor NetWorks, IEEE Communications Magazine, Auguest 2002.102114.6. Ganesan D, et. al, Highly-Resilient, Energy-Efficient Multipath Routing in Wireless Sensor Networks. Mobile Computing and Communications Review, 2002,1(2): 295-298.7. Woo, T. Tong, and D. Culler (200

15、3), Taming the underlying challenges of reliable multihop routing in sensor networks, Proceedings of the first ACM Conference on embedded networked sensor systems, Los Angeles, USA. 8. Marcelo G. Rubinstein, Igor M. Moraes, Miguel Elias M. Campista, Lus Henrique M. K. Costa, Otto Carlos M. B. Duarte

16、, A Survey on Wireless Ad Hoc Networks, 2006, ISBN 978-0-387-34634-29. Nicolas Fournel, Marine Minier, Stphane Ubda, Survey and Benchmark of Stream Ciphers for Wireless Sensor Networks, 2006, ISSN 0302-9743.10. 牟连佳，牟连泳，无线传感网络及其在工业领域应用研究，工业控制计算机，2005，01。11. 杨扬，朱善安，基于无线传感网络的环境监控系统的设计和实现，工业控制计算机，2007，9

17、。12. 桑海泉，康荣学，无线传感网络在安全生产中的应用，中国安全生产科学技术，2007，5。13. 任丰原，黄海宁，林闯（2003），无线传感器网络，软件学报，14(7):12821291。14. 马祖长，孙怡宁，梅涛（2004），无线传感网络综述，通信学报，25(4): 114-124。15. 赖小松，袁慎芳, 嵌入式Ad hoc 无线传感器的载荷定位研究，测控技术，2004，12，8-10。16. 叶伟松，袁慎芳，无线传感网络在结构健康监测中的应用，传感技术学报，2006，03。3.研究方法、研究方案及可行性（理工类项目填写技术路线和技术指标）研究方法及方案：1）. 智能无线传感节点硬件

18、的研究节点的实现包括硬件与软件两部分，节点的硬件由信号调理电路、A/D转换器、微处理器及其外围电路、射频电路、电源及其电源管理电路组成。节点的设计将采用以下方法：a).微处理器的选择。无线传感节点可采用的微处理器种类很多，有Motorola的68HC16系列，基于ARM的嵌入式处理器，Atmel的AVR系列，TI的MSP430等，研究中将对以上系列芯片进行性能对比，并参考国外无线传感节点的进展情况，选取合适的微处理器芯片。b).在国外已经建立起来的无线传感器网络中，多数传感器节点的通信电路硬件设计是基于射频电路，使用315916MHz、2.4GHz 及5.8GHz 的频段。在本项目的研究中，将

19、比较上述频段，依据低功耗、高可靠性、传输距离在80-150米之间的要求确定所使用的频段及相应的射频电路，同时着重考虑低功耗的原则。c).为压电元件及加速度传感器提供电荷放大器、高通滤波器等调理电路，为电阻应变元件提供桥路、高通滤波器等调理电路，为位移计等放大电路等转换电路。为无线传感节点设计信号发生电路，可产生Lamb波、正弦、脉冲等常用主动监测激励信号，以适应主动监测的需求。d).为了能够组建适用于大型结构健康监测和静力/疲劳试验的无线传感网络，节点必须满足尺寸小和低功耗的要求。在本项目的节点设计中，将选择采用小体积的集成芯片和多层抗干扰电路设计技术，使得节点尺寸在4.03.0cm以内；同时

20、选择采用低功耗的集成芯片和分立元件设计电路，配合低功耗软件设计技术使得节点在休眠模式下能够达到一年的工作寿命。项目研究中，还将探索采用MEMS方法，实现尺寸更小的无线传感节点。2）.智能无线传感节点软件操作系统及网络组织结构a).节点的软件部分主要包括操作系统与协议实现。Berkeley为Mica专门开发了TinyOS操作系统，其他可应用于无线传感网络的操作系统有uCos以及uCLinix，或者又需要把这几种操作系统综合运用。在研究无线传感器节点时将比较这些操作系统的性能，以选择更适合静力/疲劳试验和结构健康监测中无线传感网络的操作系统。另外，低功耗的问题也涉及软件实现的方法。软件同时应提供电

21、源管理功能，以尽可能充分降低节点功耗。b).无线传感网络可采用分级结构，在分级结构中，网络被分为簇，每个簇又由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成了高一级的网络。在高一级的网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级的结构中，簇头结点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由结点使用算法选举产生。每个网络簇中都包含传感节点，路由处理节点和接收节点三个部分。传感节点的任务是根据传感点需要采集不同的所需要的物理量，如温度，压力，湿度等等，路由节点主要负责网络的路由，接收节点主要负责信号的接收和处理。为降低对每个节点的功耗需求，可采用多跳路由的方式进行网络簇之间的连接。3).无

22、线传感网络的网络协议的研究a). 对面向结构健康监测和静力/疲劳试验的无线传感网络的网络协议，将分为基础层、网络层、数据管理与处理层、应用开发环境层和应用层。基础层以传感器集合为核心,包括每个传感器的软、硬件资源。基础层的功能包括监测感知对象、采集感知对象的信息、传输发布信息以及初步的信息处理。网络层以通信网络为核心,功能是实现传感器与传感器、传感器与用户之间的通信,网络层包括通信网络、支持网络通信的各种协议和软、硬件资源。数据管理与处理层是以数据管理与处理软件为核心,包括支持数据的采集、存储、查询、分析等各种数据管理,为用户决策提供有效的帮助。应用开发环境层作为最底下的三层和应用层之间的过渡

23、，为用户能够在基础层、网络层和数据管理与处理层的基础上开发各种传感器网络应用软件提供有效的软件开发环境和软件工具。应用层由各种网络应用软件系统构成。b). Zigbee是在原有IEEE 802.15.4 Compliant Radio协议的基础上由Ember, Freescale, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung等八个公司联合提出并改进的世界上第一个专为实现远地测控无线传感网络而设计的网络协议，这个协议的最大优点就是比较好的考虑了无线传感网络的功耗问题，同其他已有的协议相比，如蓝牙、IEEE 802.

24、11，该协议可有效降低无线传感网络的功耗。另外该协议的安全性、容错性也较好，适合节点数目较多的网络。在本项目的研究中，将研究并应用Zigbee协议，并比较今后可能出现的其他协议，应用于结构健康监测和静力/疲劳试验系统中的无线传感网络。4). 基于智能无线传感网络的静力疲劳试验方法、准则及健康监测方法a). 参考军机结构静力疲劳试验大纲及规范，设计基于智能无线传感网络的静力疲劳试验流程； 对传感网络多节点的测试采用物理时钟同步方法进行同步，同时研究飞机结构静力疲劳试验时的加载与网络节点测试的协调方法。b). 参考常规结构健康监测方法，研究基于智能无线传感网络的的结构状态监测及损伤识别方法。5).

25、 基于智能无线传感网络的静力/疲劳和结构健康监测实验研究依托中航一集团全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，选取典型的航空结构试验件，如飞机大型壁板、盒段，进行上述无线传感网络技术在结构健康监测和静力/疲劳试验中的功能验证，同时通过实验，研究对无线传感器网络性能的评价方法，通过实验完善基于智能无线传感网络的静力疲劳试验方法、准则及健康监测方法。可行性分析：研究思想为申请者在研究了所在实验室相关课题组成员所积累的经验的基础上提出的，这些经验包括了十几年有关结构健康监测的研究经验及对无线传感网络在国内外最新研究进展的把握。研究方案也参考了大量国际上无线传感网络技术的最新进展，方法比较成孰。申

26、请者的指导老师及相关课题组成员一直长期从事结构健康监测、传感技术、信号信息处理及人工智能等方面的研究，在这方面具有较丰富的经验并已取得不少进展，其中在结构健康监测方面的研究成果先后获国家发明三等奖1项及其他省部级科技进步奖6项，这些进展有一些可在本项目的研究中加以应用。课题的前期准备充分，申请者所在的课题组较熟悉国外的相关产品。申请者所在实验室已于2002年从美国Cross Bow公司购买了2套MOTE MICA无线传感器开发平台，2004年又购买了2套MOTE MICAZ系统，为实践实验方案提供了良好的平台。课题组成员已熟悉该套系统的全部性能及相关TinyOS软件操作系统。申请者所在实验室已

27、经利用该无线传感网络系统同多主体协作技术结合初步构成了一个分布式结构健康监测，实现了结构连接件失效和集中载荷的定位监测，该系统已于2004申请了国家发明专利（专利申请号： 200410065667.6 ）。申请者所在课题组已经在完全熟悉Mote软硬件的基础上，初步研制出我们自己的无线传感节点，图一为所初步研制的无线传感节点照片，这套系统的性能与Mica系统相当。申请者参与了这套无线传感节点的研制工作，主要参与了A/D转换器、信号调理电路、电源及其电源管理电路的设计和封装工作，有基于此基础开发创新的能力。图一 初步研制的无线传感器节点本项目组所在的南京航空航天大学航空科技智能材料与结构重点实验室

28、长期以来一直集中从事智能材料结构方面的研究，取得了一批高水平研究成果，同德国宇航院、美国斯坦福大学、马里兰大学、伊利诺伊大学、加拿大航空航天研究院、印度宇航院等国际同行建立有长期合作交流关系。这些国际合作非常有助于课题组了解最新国际研究动态，不断完善研究方案。此外课题组成员以思想活跃，精力充沛的青年人为主，为课题的完成提供了人员的保障。因此本项目的研究是可行的。4.项目的特色与创新点（50字以内）研究无线传感器网络技术应用于结构健康监测和强度试验的新方法，针对飞机静力/疲劳试验展开探索以弥补领域空白。5.对项目的兴趣所在和已有的知识积累或实践基础申请者和课题组成员通过大一、大二两学年的学习，已

29、经掌握了模拟电路、数字电路、材料力学及C+等程序语言等与所申请的项目研究相关的各科知识。其中，课题组成员秦显慧已经大量阅读学习了有关网络协议、编写程序等方面的资料，并且有过硬的编程能力，开始尝试编写无线节点接收发送所需协议；成员张红通过阅读相关书籍，熟悉了电路设计应用软件的使用方法以及了解了节点的理论结构后，已经进入实验室开始了设计工作。申请者已经在南京航空航天大学智能材料研究所参与研究工作了一段时间，对这个项目已经比较熟悉。在此期间，申请者参与了已经初步研制出的无线传感节点的研制工作，主要参与了A/D转换器、信号调理电路、电源及其电源管理电路的设计和封装工作，有基于此基础开发创新的能力。申请

30、者已有研究成果以会议文章的形式在国内会议上交流汇报，近期的会议有由交通部科教司组织召开的“大跨径桥梁结构损伤预警及状态评估技术研讨会”。申请者目前正在参加开发高精度无线传感器节点的研究，预期达到测试精度达到0.1%，测量范围达5000微应变。申请者和课题组成员对所申请项目涉及的领域非常感兴趣，并且在这个项目上投入了很大的热情和精力，努力做出创新的成果，获得预期的成绩。申请者的指导老师及所在实验室在无线传感网络研究方面具有良好的研究基础和积累，能够对本项目的顺利实施提供充分的实验条件和指导。6.现有的资源1）硬件方面：申请者已经掌握初步研制出的无线传感器节点作为基础，同时依托中航一集团全尺寸飞机

31、结构静力/疲劳航空科技重点实验室，具备了实验的条件。2）软件方面：申请者所在实验室已于2002年从美国Cross Bow公司购买了2套MOTE MICA无线传感器开发平台，2004年又购买了2套MOTE MICAZ系统。课题组成员已熟悉所购买系统的全部性能及相关TinyOS软件操作系统。申请者所在实验室成功利用该无线传感网络系统同多主体协作技术结合初步构成了一个分布式结构健康监测，实现了结构连接件失效和集中载荷的定位监测，该系统已于2004申请了国家发明专利（专利申请号： 200410065667.6 ）。7.实施计划及预期成果 可按计划逐项进行安排，如文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、

32、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等。主要研究阶段（起止时间）研究内容2008年11月2009年5月完成智能无线传感节点的软硬件设计和测试，研究适合的分布式无线传感器网络的体系结构，以及相应网络协议的设计和实现。2009年6月2009年11月组建整个健康监测和静力/疲劳试验智能无线传感网络系统，进行结构健康监测和静力/疲劳试验，并完成针对系统功能的验证，对研究结果进行完善总结，提交研究报告。最终研究成果最终成果名称最终成果形式面向健康监测和强度试验智能无线传感网络系统研究报告8.经费预算序号预算项目预算金额（元）序号预算项目预算金额（元）1元器件（

33、耗材）105007资料费24002市内交通费9008加工费30003调研及学术交流费60009其他（注明项目）2000（实验协作费用）4论文版面费30005专利申请费20006上网上机费200合计300009.指导教师意见：同意立项学生申报国家级立项。 指导教师签字：袁慎芳 2008年10月30日10.学院专家推荐意见：同意推荐国家级立项。学院公章 教学院长签名：童明波 2008年10月30日11.学校专家评审意见：同意立项。 项目经费建议：30000元组长签名：郑叔芳 2008年10月30日12.学校主管部门审核意见同意申报国家级项目，批准经费30000元。 教务处公章 负责人签字： 李子全 2008年10月30日