基于智能手机的通道构建、时间同步及结构健康监测方法

摘要

本发明涉及结构健康监测领域，具体涉及基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法、时间同步方法及结构健康监测方法。本发明为了解决现有的智能手机结构检测方法只能实现单点数据采集分析，没有实现手机间的时间同步，进而导致得到的模态检测及损伤识别的分析结果可靠度不高的缺点，而提出一种基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法，包括：准备若干智能手机，选择一部作为控制端，构建无线局域网络，其他作为采集端，连接无线局域网络；采集端开启特定端口，等待Socket Client进行连接；获取连接到控制端无线局域网所有采集端的IP地址，并构建对应数目的Socket Client，分别与各个采集端内的Socket Server连接，构建完整的Socket通信通道。本发明适用于结构健康检测设备。

权利要求

1.一种基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法，包括：步骤一、准备预定数量的智能手机，选择其中一部作为控制端，构建无线局域网络，其他作为采集端，连接所述无线局域网络；

步骤二、采集端开启特定端口，以Socket Server身份等待Socket Client进行连接；

步骤三、读取Linux内核/proc/net/arp目录，获取连接到控制端无线局域网所有采集端的IP地址，并构建对应数目的Socket Client，分别与各个采集端内的Socket Server连接，构建完整的Socket通信通道；

其特征在于：

在步骤三中，若控制端主动断开所有网络连接，则重复执行步骤三重新建立连接；若采集端失去了与控制端的连接，重复步骤二和步骤三重新建立与控制端的连接。

2.一种基于智能手机无线局域网的时间同步方法，其特征在于，包括：步骤一、使用如权利要求1所述方法构建控制端与各个采集端之间的通信通道；

步骤二、控制端接收到开始同步信号后，通过通讯通道向所有采集端发送自身时间标签t1[1]；

步骤三、采集端接收到控制端的时间标签t1[1]时，产生一个自身时间标签t2[1]；

步骤四、控制端记录t1[1]以及t2[1]，并记录接收到采集端回传时间标签时控制端的时间标签t3[1]；

步骤五、重复步骤二至四n次，得到数组t1[n]，t2[n]，t3[n]；

步骤六、对数组t1[n]、t2[n]、t3[n]进行数据清洗，剔除异常值；

具体过程为：

步骤六一、求数组t1[n]的平均值 其中N为数组t1[n]中时间标签的个数；t1i表示数组t1[n]中第i个时间标签；

步骤六二、求数组t1[n]的标准差σ：

步骤六三、进行判断，如果 则保留t1i；否则将t1i从数组t1[n]中剔除；

步骤六四、对数组t1[n]中的每一个时间标签执行步骤六三，得到清洗后的数组t1[n]；

步骤六五、对数组t2[n]、t3[n]执行步骤六一至步骤六四，得到清洗后的数组t2[n]和数组t3[n]；

步骤七、求清洗后每个数组的均值t1，t2，t3；

步骤八、分别求得每个采集端与控制端时间轴的差值Δt＝(t2-t1)-(t3-t1)/2；

步骤九、每个采集端根据差值Δt将本机系统时间处理成与控制端同步的时间。

3.一种基于智能手机的结构健康监测方法，其特征在于，包括：步骤一、使用如权利要求2所述的方法将作为控制端的手机以及若干个作为采集端的手机进行时间同步；

步骤二、将所述作为采集端的手机放置于待监测的土木结构上；

步骤三、控制端根据接收到的开始记录命令，向采集端发出数据采集信号，使采集端采集自身的加速度传感器数据，并以控制端时间轴为基准，每隔单位时间记录加速度传感器数据，形成数据文件；

步骤四、当预设的定时时间结束或手动停止后，结束采集；

步骤五、结束采集后，所有采集端将各自的数据文件发送给控制端。

说明书

基于智能手机的通道构建、时间同步及结构健康监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及结构健康监测领域，具体涉及基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法、时间同步方法及结构健康监测方法。

背景技术

[0002] 高层建筑及桥梁是现代社会重要的基础设施，对整个社会的正常运转起着重要的支撑作用。这些建筑的结构安全状况不仅直接关系到人们的生命财产安全，也影响着国民经济的正常运行。在长期使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化、荷载长期效应和构件缺陷等因素共同作用，结构将不可避免地逐渐产生损伤积累，导致其承载力下降，甚至危及结构的安全使用。近些年来，世界各地发生了多起工程结构失稳的严重事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失，并对社会产生了恶劣的影响。这些惨剧提醒人们，借助高效结构健康监测技术，监测结构状态，在结构出现损伤后及时识别，对保障服役结构安全至关重要。

[0003] 传统的结构健康监测系统采用专用传感器，由于专用传感器造价高，导致安装数量有限，对于本身构造复杂、自由度众多的实际的建筑结构，难以准确地获取损伤大小和部位。近些年来，功能强大的智能手机广泛普及。智能手机不仅集成了加速度传感器、陀螺仪等多种高性能传感器及GPS模块，还具备强大的数据采集、处理、存储和传输能力，为采用智能手机进行结构健康监测提供了可能。智能手机里采用的一般都是压电式传感器，具有压电式传感器具有的精确度高、线性行为良好等优点，而且其中集成了大量技术先进的模块系统，可以方便的进行调用从而服务于各个领域，为人们提供便利。目前其应用方面已经较为广泛，比如人体的健康监测、汽车碰撞、家电控制、图书馆管理、运动识别等。同时，智能手机在结构健康监测方面的应用研究也渐渐起步，大连理工大学赵雪峰等人研发了猎户座云细胞(Orion CC)智能手机结构健康云监测系统。该程序实现了对智能手机传感器数据的采集、分析和上传等功能，并由韩瑞聪等人用此程序进行了桥梁拉索索力的测试，验证了数据的可用性。

[0004] 而目前的智能手机在结构监测方面的研究及应用，只能实现单点的数据采集及分析，并没有实现手机间的协同工作，这使监测数据分析得到的结果较为有限，得到的模态检测及损伤识别的分析结果可靠度不高。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有的智能手机结构检测方面只能实现单点的数据采集及分析，并没有实现手机间的时间同步，进而导致监测数据不能进行协同分析，得到的结果较为有限，得到的模态检测及损伤识别的分析结果可靠度不高的缺点，而提出一种基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法、时间同步方法及结构健康监测方法。

[0006] 一种基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法，包括：

[0007] 步骤一、准备预定数量的智能手机，选择其中一部作为控制端，构建无线局域网络，其他作为采集端，连接所述无线局域网络；

[0008] 步骤二、采集端开启特定端口，以Socket Server身份等待Socket Client进行连接；

[0009] 步骤三、读取Linux内核/proc/net/arp目录，获取连接到控制端无线局域网所有采集端的IP地址，并构建对应数目的Socket Client，分别与各个采集端内的Socket Server连接，构建完整的Socket通信通道。

[0010] 一种基于智能手机无线局域网的时间同步方法，包括：

[0011] 步骤一、使用前述的通信通道构建方法，构建控制端与各个采集端之间的通信通道；

[0012] 步骤二、控制端接收到开始同步信号后，通过通讯通道向所有采集端发送自身时间标签t1[1]；

[0013] 步骤三、所有采集端接收到控制端的时间标签t1[1]时，产生一个自身时间标签t2[1]，并向控制端回传t1[1]，t2[1]；

[0014] 步骤四、控制端记录t1[1]以及t2[1]，并记录接收到采集端回传时间标签时控制端的时间标签t3[1]；

[0015] 步骤五、重复步骤二至四n次，得到数组t1[n]，t2[n]，t3[n]；

[0016] 步骤六、对数组t1[n]、t2[n]、t3[n]进行数据清洗，剔除异常值；

[0017] 步骤七、求清洗后每个数组的均值t1，t2，t3；

[0018] 步骤八、分别求得每个采集端与控制端时间轴的差值Δt＝(t2-t1)-(t3-t1)/2；

[0019] 步骤九、每个采集端根据差值Δt将本机系统时间处理成与控制端同步的时间。

[0020] 一种基于智能手机的结构健康监测方法，包括：

[0021] 步骤一、使用前述的时间同步方法将作为控制端的手机以及若干个作为采集端的手机进行时间同步；

[0022] 步骤二、将所述作为采集端的手机放置于待测的土木结构上；

[0023] 步骤三、控制端根据接收到的开始记录命令，向采集端发出数据采集信号，使采集端采集自身的加速度传感器数据，并以控制端时间轴为基准，每隔单位时间记录加速度传感器数据，形成数据文件；

[0024] 步骤四、当预设的定时时间结束或手动停止后，结束采集；

[0025] 步骤五、结束采集后，所有采集端将各自的数据文件发送给控制端。

[0026] 本发明的有益效果为：1、由控制端读取自身无线局域网系统分配给采集端的IP地址，构建对应多个Socket Client主动呼叫采集端的Socket Server，建立Socket连接，改变了传统一个Socket Server连接多个Socket Client的特定模式；2、在搭载非实时操作系统的智能手机间实现高精度的时间同步，使得监测分析得到的结果更为精确，得到的模态检测及损伤识别的分析结果可靠度更高；3、控制端与采集端之间通过Socket连接传递彼此的时间标签，获取各设备时间轴，将此过程进行多次，并对时间标签进行正态拟合、数据清洗、误差消除等特定的算法处理，使整个网络拥有高精度的统一时间。

附图说明

[0027] 图1为本发明的基于智能手机的时间同步方法的流程图；

[0028] 图2为本发明的时间标签t1、t2采集及延时分析示意图；

[0029] 图3为本发明的时间标签t3采集及延时分析示意图；

[0030] 图4为本发明的基于智能手机的结构健康监测方法的流程图；

[0031] 图5为控制端接收到的数据文件的一个实施例的界面图。

具体实施方式

[0032] 具体实施方式一：本实施方式的基于智能手机无线局域网的通信通道构建方法，包括：

[0033] 步骤一、准备若干部智能手机，其一作为控制端，构建无线局域网络，其他作为采集端，连接所述无线局域网络；

[0034] 步骤二、采集端开启特定端口，以Socket Server身份等待Socket Client进行连接；

[0035] 步骤三、读取Linux内核/proc/net/arp目录，获取连接到控制端无线局域网所有采集端的IP地址，并构建对应数目的Socket Client，分别与各个采集端内的Socket Server连接，构建完整的Socket通信通道。

[0036] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在步骤三中，若控制端主动断开所有网络连接，则重复执行步骤三重新建立连接；若采集端失去了与控制端的连接，重复步骤二和步骤三重新建立与控制端的连接。

[0037] 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0038] 具体实施方式三：本实施方式的基于智能手机无线局域网的时间同步方法，如图1 所示，包括：

[0039] 步骤一、使用如具体实施方式一或二中所述方法构建控制端与各个采集端之间的通信通道；

[0040] 步骤二、控制端接收到开始同步信号后，通过通讯通道向所有采集端发送自身时间标签t1[1]。

[0041] 步骤三、采集端接收到控制端的时间标签t1[1]时，产生一个自身时间标签t2[1]。

[0042] 步骤四、控制端记录t1[1]以及t2[1]，并记录接收到采集端回传时间标签时控制端的时间标签t3[1]。

[0043] 步骤五、重复步骤二至四n次，得到数组t1[n]，t2[n]，t3[n]。

[0044] 步骤六、对数组t1[n]、t2[n]、t3[n]进行数据清洗，剔除异常值。

[0045] 步骤七、求清洗后每个数组的均值t1，t2，t3。

[0046] 步骤八、分别求得每个采集端与控制端时间轴的差值Δt＝(t2-t1)-(t3-t1)/2。

[0047] 步骤九、每个采集端根据差值Δt将本机系统时间处理成与控制端同步的时间。

[0048] 下面具体说明客户端与服务端时间轴差值的计算原理：

[0049] 时间标签从控制端发送到采集端的过程如图2所示，假设控制端与某一采集端时间轴真实差值为Δt，收到同步时间命令后其向此采集端发送自身时间标签t1，在时间标签发送过程中，控制端从处理到发出信号的延时为Δt1，网络延时为Δt2，采集端从收到信号到进行处理的延时为Δt3，则采集端将处理后那一时刻的自身时间t2与控制端发送的时间标签比较之后得到Δt′，有

[0050] Δt′＝t2-t1   (2-1)

[0051] Δt′＝Δt1+Δt2+Δt3+Δt   (2-2)

[0052] 采集端处理完成后，向控制端回复时间标签信息，在时间标签信息回复过程中，采集端从处理到发出信号的延时为Δt4，网络延时为Δt5，控制端从收到信号到进行处理的延时为Δt6，则控制端将处理后那一时刻的自身时间t3与t1比较可得Δt″，有[0053] Δt″＝t3-t1   (2-3)

[0054] Δt″＝Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6   (2-4)

[0055] 信息往返过程，路径相同，故可以认为

[0056] Δt1+Δt2+Δt3＝Δt4+Δt5+Δt6   (2-5)

[0057] 由式2-4及式2-5可得

[0058] Δt″＝2(Δt1+Δt2+Δt3)   (2-6)

[0059] 由式2-1、2-2、2-3、2-6可消去Δt1+Δt2+Δt3、Δt′、Δt″，得[0060] Δt＝(t2-t1)-(t3-t1)/2   (2-7)

[0061] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤六具体为：

[0062] 步骤六一、求数组t1[n]的平均值 其中N为数组t1[n]中时间标签的个数；t1i表示数组t1[n]中第i个时间标签。

[0063] 步骤六二、求数组t1[n]的标准差σ：

[0064] 步骤六三、进行判断，如果 则保留t1i；否则将t1i从数组t1[n] 中剔除。

[0065] 步骤六四、对数组t1[n]中的每一个时间标签执行步骤六三，得到清洗后的数组t1[n]。

[0066] 步骤六五、对数组t2[n]、t3[n]执行步骤六一至步骤六四，得到清洗后的数组t2[n]和数组t3[n]。

[0067] 其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

[0068] 具体实施方式五：本实施方式提供一种基于智能手机的结构健康监测方法，如图4 所示，包括：

[0069] 步骤一、使用如具体实施方式三或四中任意一项所述的方法将作为控制端的手机以及若干个作为采集端的手机进行时间同步；

[0070] 步骤二、将所述作为采集端的手机放置于待监测的土木结构上；

[0071] 步骤三、控制端根据接收到的开始记录命令，向采集端发出数据采集信号，使采集端采集自身的加速度传感器数据，并以控制端时间轴为基准，每隔单位时间记录加速度传感器数据，形成数据文件；

[0072] 步骤四、当预设的定时时间结束或手动停止后，结束采集；

[0073] 步骤五、结束采集后，所有采集端将各自的数据文件发送给控制端。

[0074] 例如，操作人员先将各个手机的时间进行同步，即以控制端手机为基准，将其余作为采集端的手机进行同步。然后将作为采集端的手机放置于待监测的结构上，并操作控制端，使控制端向采集端发出信号，采集端在接收到信号后根据控制端设置采集加速度传感器数据。数据采集过程以定时器定时结束或手动结束作为结束点。采集结束后，采集端将采集到的数据发送给控制端。控制端接收到数据后，将数据进行整理并显示，具体的界面如图 5所示。其中数据文件共有4列，A列为以控制端时间轴为基准的时程信息，B、C、D 列分别为此时刻此采集端加速度传感器每个轴向上的加速度信息。

[0075] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。