Автоматична ідентифікація пошкоджень з використанням бездротових сенсорів, побудованих на дешевій елементній базі

Abstract

Важливість досліджень, спрямованих на структурний моніторинг архітектурних споруд, зумовлена щільністю забудови, старінням та впливом агресивних умов середовища експлуатації. У роботі акцентовано на розробці Сенсорної збірки, з одного боку, економічно дешевої та доцільної до застосування у системах моніторингу, з іншого боку, сенсорний вузол не повинен поступатися за технічними характеристиками і обчислювальними можливостями існуючим рішенням. Першочергово проаналізовано наявні мікропроцесорні та мікроконтролерні сенсорні вузли щодо вибору найвживаніших архітектурних рішень для бездротових сенсорних вузлів. Таким чином, для прототипу сенсорного вузла вперше вибрано мікроконтролер ST Microelectronics STM32WB55CG із вбудованим ядром бездротового зв’язку. Вперше в одному сенсорному вузлі використано комбінацію з декількох акселерометрів ST Microelectronics LIS3DSH, а саме трьох з метою підвищення відмовостійкості прототипу. Відмінною рисою цієї роботи є пошук і застосування ефективних алгоритмів ідентифікації та моніторингу стану конструкції для недорогих сенсорних вузлів. Дослідження доводить, що використання нейромережевих алгоритмів вимагає наявність великої бази даних в неушкодженому стані для навчання, а час, витрачений як на навчання, так і на ідентифікацію, потребує від мікроконтролера значних обчислювальних потужностей, що робить такі алгоритми недоцільними для використання в динамічних системах реального часу. Отже, зібрано прототип бездротового сенсора, що відповідно пройшов випробування на архітектурній споруді біля залізниці, щоб перевірити чутливість сенсорного вузла. Дослідження отримано результати порівняння двох статистичних алгоритмів ідентифікації пошкоджень, таких як евклідова норма та відстань Махаланобіса.

The importance of research aimed at structural monitoring of architectural constructions is determined by the density of buildings, aging and the influence of aggressive operating conditions of the environment. This work is aimed at developing of a sensor assembly, on the one hand, economically cheap and appropriate for use in monitoring systems. On the other hand, the sensor node should not be inferior to existing solutions in terms of technical characteristics and computing capabilities. First of all, the existing microprocessor and microcontroller sensor nodes were analyzed in order to select the most used architectural solutions for wireless sensor nodes. Thus, the ST Microelectronics STM32WB55CG microcontroller with a built-in wireless communication core was chosen for the sensor node prototype for the first time. A combination of three accelerometers ST Microelectronics LIS3DSH was used in one sensor node in order to increase the fault tolerance of the prototype. A distinctive feature of this work is the search and application of effective algorithms for the identification and monitoring of the state of the structure for inexpensive sensor nodes. The study proves that the use of neural network algorithms requires the presence of a large database in an intact state for training, and the time spent on both training and identification requires significant computing power from the microcontroller, which makes such algorithms unsuitable for the use in dynamic systems of real time. Therefore, a prototype of a wireless sensor was assembled, which was accordingly tested on an architectural structure near the railway to check the sensitivity of the sensor node. The research also provides comparison results of two statistical damage identification algorithms, such as Euclidean norm and Mahalanobis distance.