Lynch, Jerome Peter;Sundararajan, Arvind;Law, Kincho H.;Kiremidjian, Anne S.;Kenny, Thomas;Carryer, Ed
Structural Engineering and Mechanics
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v.15
no.3
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pp.285-297
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2003
Complementing recent advances made in the field of structural health monitoring and damage detection, the concept of a wireless sensing network with distributed computational power is proposed. The fundamental building block of the proposed sensing network is a wireless sensing unit capable of acquiring measurement data, interrogating the data and transmitting the data in real time. The computational core of a prototype wireless sensing unit can potentially be utilized for execution of embedded engineering analyses such as damage detection and system identification. To illustrate the computational capabilities of the proposed wireless sensing unit, the fast Fourier transform and auto-regressive time-series modeling are locally executed by the unit. Fast Fourier transforms and auto-regressive models are two important techniques that have been previously used for the identification of damage in structural systems. Their embedment illustrates the computational capabilities of the prototype wireless sensing unit and suggests strong potential for unit installation in automated structural health monitoring systems.
Lynch, Jerome Peter;Law, Kincho H.;Kiremidjian, Anne S.;Carryer, Ed;Farrar, Charles R.;Sohn, Hoon;Allen, David W.;Nadler, Brett;Wait, Jeannette R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.17
no.3_4
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pp.393-408
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2004
There exists a clear need to monitor the performance of civil structures over their operational lives. Current commercial monitoring systems suffer from various technological and economic limitations that prevent their widespread adoption. The wires used to route measurements from system sensors to the centralized data server represent one of the greatest limitations since they are physically vulnerable and expensive from an installation and maintenance standpoint. In lieu of cables, the introduction of low-cost wireless communications is proposed. The result is the design of a prototype wireless sensing unit that can serve as the fundamental building block of wireless modular monitoring systems (WiMMS). An additional feature of the wireless sensing unit is the incorporation of computational power in the form of state-of-art microcontrollers. The prototype unit is validated with a series of laboratory and field tests. The Alamosa Canyon Bridge is employed to serve as a full-scale benchmark structure to validate the performance of the wireless sensing unit in the field. A traditional cable-based monitoring system is installed in parallel with the wireless sensing units for performance comparison.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.65
no.1
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pp.122-127
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2016
In this paper, new spectrum sensing schemes based on analog/RF front-end processing are introduced for IoT wireless sensor networks. While the conventional approaches for wireless channel cognition have been issued in signal processing area, the RF spectrum cognition concept makes it feasible to achieve cognitive wireless sensor networks (C-WSNs). The spectrum cognition at RF processing is categorized as four kinds of sensing mechanisms. Two recent reseaches are described as promising candidates for the C-WSN. One senses spectrum by the frequency discriminating receiver, the other senses and detects from the frequency selective super-regenerative receiver. The introduced systems with simple and low-power RF architectures play dual roles of channel sensing and demodulation. simultaneously. Therefore, introduced spectrum sensing receivers can be one of the best candidates for IoT wireless sensor devices in C-WSN environments.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.35
no.9A
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pp.896-905
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2010
In this paper, we present a new sensing method based on phase entropy. Entropy is a measurement which quantifies the information content contained in a signal. For the PSK modulation, the information is encoded in the phase of the transmitted signal. By focusing on phase, more information is collected during sensing, which suggests a superior performance. The sensing based on Phase entropy is not limited to PSK signal. We generalize it to PAM signal as well. It is more advantageous to detect the phase. The simulation results have confirmed the excellent performance of this novel sensing algorithm.
As a testbed for various structural health monitoring (SHM) technologies, a super-tall structure - the 610 m-tall Guangzhou Television and Sightseeing Tower (GTST) in southern China - is currently under construction. This study aims to explore state-of-the-art wireless sensing technologies for monitoring the ambient vibration of such a super-tall structure during construction. The very nature of wireless sensing frees the system from the need for extensive cabling and renders the system suitable for use on construction sites where conditions continuously change. On the other hand, unique technical hurdles exist when deploying wireless sensors in real-life structural monitoring applications. For example, the low-frequency and low-amplitude ambient vibration of the GTST poses significant challenges to sensor signal conditioning and digitization. Reliable wireless transmission over long distances is another technical challenge when utilized in such a super-tall structure. In this study, wireless sensing measurements are conducted at multiple heights of the GTST tower. Data transmission between a wireless sensing device installed at the upper levels of the tower and a base station located at the ground level (a distance that exceeds 443 m) is implemented. To verify the quality of the wireless measurements, the wireless data is compared with data collected by a conventional cable-based monitoring system. This preliminary study demonstrates that wireless sensing technologies have the capability of monitoring the low-amplitude and low-frequency ambient vibration of a super-tall and slender structure like the GTST.
Impact detection and health monitoring are very important tasks for civil infrastructures, such as bridges. Piezoceramic based transducers are widely researched for these tasks due to the piezoceramic material's inherent advantages of dual sensing and actuation ability, which enables the active sensing method for structural health monitoring with a network of piezoceramic transducers. Wireless sensor networks, which are easy for deployment, have great potential in health monitoring systems for large civil infrastructures to identify early-age damages. However, most commercial wireless sensor networks are general purpose and may not be optimized for a network of piezoceramic based transducers. Wireless networks of piezoceramic transducers for active sensing have special requirements, such as relatively high sampling rate (at a few-thousand Hz), incorporation of an amplifier for the piezoceramic element for actuation, and low energy consumption for actuation. In this paper, a wireless network is specially designed for piezoceramic transducers to implement impact detection and active sensing for structural health monitoring. A power efficient embedded system is designed to form the wireless sensor network that is capable of high sampling rate. A 32 bit RISC wireless microcontroller is chosen as the main processor. Detailed design of the hardware system and software system of the wireless sensor network is presented in this paper. To verify the functionality of the wireless sensor network, it is deployed on a two-story concrete frame with embedded piezoceramic transducers, and the active sensing property of piezoceramic material is used to detect the damage in the structure. Experimental results show that the wireless sensor network can effectively implement active sensing and impact detection with high sampling rate while maintaining low power consumption by performing offline data processing and minimizing wireless communication.
Hu, Hang;Xu, Youyun;Liu, Zhiwen;Li, Ning;Zhang, Hang
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.6
no.12
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pp.3061-3080
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2012
To improve the sensing performance, cooperation among secondary users can be utilized to collect space diversity. In this paper, we focus on the optimization of cooperative spectrum sensing in which multiple cognitive users efficiently cooperate to achieve superior detection accuracy with minimum sensing error probability in multiple cross-over cognitive radio networks. The analysis focuses on two fusion strategies: soft information fusion and hard information fusion. Under soft information fusion, the optimal threshold of the energy detector is derived in both noncooperative single-user and cooperative multiuser sensing scenarios. Under hard information fusion, the optimal randomized rule and the optimal decision threshold are derived according to the rule of minimum sensing error (MSE). MSE rule shows better performance on improving the final false alarm and detection probability simultaneously. By simulations, our proposed strategy optimizes the sensing performance for each cognitive user which is randomly distributed in the multiple cross-over cognitive radio networks.
International Journal of Internet, Broadcasting and Communication
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v.12
no.3
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pp.32-38
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2020
The deployment of geographically distributed wireless sensors has greatly elevated the capability of monitoring structural health in social-overhead capital (SOC) public infrastructures. This paper deals with the utilization of a distributed mobility management (DMM) approach for the deployment of wireless sensing devices in a structural health monitoring system (SHM). Then, a wireless sensing mechanism utilizing low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH)-based clustering algorithm for smart sensors has been analyzed to support the seamless data transmission of structural health information which is essentially important to guarantee public safety. The clustering of smart sensors will be able to provide real-time monitoring of structural health and a filtering algorithm to boost the transmission of critical information over heterogeneous wireless and mobile networks.
Shoukry, Samir N.;Luo, Yan;Riad, Mourad Y.;William, Gergis W.
Smart Structures and Systems
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v.12
no.6
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pp.661-678
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2013
In this paper, a wireless sensing system for structural field evaluation and rating of bridges is presented. The system uses a wireless platform integrated with traditional analogue sensors including strain gages and accelerometers along with the operating software. A wireless vehicle position indicator is developed using a tri-axial accelerometer node that is mounted on the test vehicle, and was used for identifying the moving truck position during load testing. The developed software is capable of calculating the theoretical bridge rating factors based on AASHTO Load and Resistance Factor Rating specifications, and automatically produces the field adjustment factor through load testing data. The sensing system along with its application in bridge deck rating was successfully demonstrated on the Evansville Bridge in West Virginia. A finite element model was conducted for the test bridge, and was used to calculate the load distribution factors of the bridge deck after verifying its results using field data. A confirmation field test was conducted on the same bridge and its results varied by only 3% from the first test. The proposed wireless sensing system proved to be a reliable tool that overcomes multiple drawbacks of conventional wired sensing platforms designed for structural load evaluation of bridges.
Yi, Xiaohua;Cho, Chunhee;Wang, Yang;Tentzeris, Manos M.
Smart Structures and Systems
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v.18
no.6
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pp.1217-1231
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2016
In this research, a slotted patch antenna sensor is designed for wireless strain and crack sensing. An off-the-shelf RFID (radiofrequency identification) chip is adopted in the antenna sensor design for signal modulation. The operation power of the RFID chip is captured from wireless reader interrogation signal, so the sensor operation is completely battery-free (passive) and wireless. For strain and crack sensing of a structure, the antenna sensor is bonded on the structure surface like a regular strain gage. Since the antenna resonance frequency is directly related with antenna dimension, which deforms when strain occurs on the structural surface, the deformation/strain can be correlated with antenna resonance frequency shift measured by an RFID reader. The slotted patch antenna sensor performance is first evaluated through mechanics-electromagnetics coupled simulation. Extensive experiments are then conducted to validate the antenna sensor performance, including tensile and compressive strain sensing, wireless interrogation range, and fatigue crack sensing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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