Monitoring of civil infrastructures is critically needed to track aging, damages and ultimately to prevent severe failures which can endanger many lives. The ability to monitor in a continuous and fine-grained fashion the integrity of a wide variety of buildings, referred to as structural health monitoring, with low-cost, long-term and continuous measurements is essential from both an economic and a life-safety standpoint. To address these needs, we propose a low-cost wireless sensor node specifically designed to support modal analysis over extended periods of time with long-range connectivity at low power consumption. Our design uses very cost-effective MEMS accelerometers and exploits the Narrowband IoT protocol (NB-IoT) to establish long-distance connection with 4G infrastructure networks. Long-range wireless connectivity, cabling-free installation and multi-year lifetime are a unique combination of features, not available, to the best of our knowledge, in any commercial or research device. We discuss in detail the hardware architecture and power management of the node. Experimental tests demonstrate a lifetime of more than ten years with a 17000 mAh battery or completely energy-neutral operation with a small solar panel (60 mm x 120 mm). Further, we validate measurement accuracy and confirm the feasibility of modal analysis with the MEMS sensors: compared with a high-precision instrument based on a piezoelectric transducer, our sensor node achieves a maximum difference of 0.08% at a small fraction of the cost and power consumption.


翻译:为了跟踪老化、破坏和最终防止可能危及许多生命的严重故障,亟需对民用基础设施进行监测,以追踪老化、破坏和最终防止发生危及许多生命的严重故障; 有能力持续和精细地监测各种建筑物的完整性,即结构健康监测,从经济和生命安全的角度讲,低成本、长期和连续的测量至关重要; 为满足这些需要,我们提议建立一个低成本的无线传感器节点,专门用来支持长期进行模式分析,在低电耗下进行远程连接; 我们的设计使用成本效益高的MEMS加速计,并利用Narrowband IoT 协议(NB-IoT)与4G基础设施网络建立长距离连接; 远程无线连接、无线安装和多年寿命是一个独特的组合,在任何商业或研究设备中,我们的知识都不具备这种组合。 我们详细讨论节点的硬件结构和电力管理。 我们的实验试验显示,使用17,000立方米的电池或完全无节能的IOVO协议(NB-IO-IoT),与4G基础设施网络建立长距离连接; 远程无线连接、无线连接、无线连接和高分辨率的服务器,以我们120毫米的服务器进行高分辨率测量。

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