《Electronics》：Real-Time Aircraft Altitude Estimation for SAR Imaging Using Pitch Sum with Difference Channels and Multi-Beams
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该研究提出并实验评估了一种基于LoRa的结构健康监测（SHM）系统，用于多层钢筋混凝土建筑中的结构倾角感知与无线数据传输。传感节点集成ADXL345三轴加速度计、微控制器（MCU）和SX1276 LoRa收发器，工作于923.4 MHz，扩频因子（SF）为7，
该研究提出并实验评估了一种基于LoRa的结构健康监测（SHM）系统，用于多层钢筋混凝土建筑中的结构倾角感知与无线数据传输。传感节点集成ADXL345三轴加速度计、微控制器（MCU）和SX1276 LoRa收发器，工作于923.4 MHz，扩频因子（SF）为7，带宽（BW）为125 kHz，发射功率为14 dBm。倾角感知子系统首先在0–90°参考范围内验证，平均绝对误差（MAE）为0.45°，均方根误差（RMSE）为0.48°。随后在分布于五个楼层的25个室内测量位置评估无线通信性能，采用接收信号强度指示（RSSI）、网关报告的数据包信噪比（SNR）、数据包投递率（PDR）、楼层间衰减和传播模型比较。实测RSSI范围为?45至?106 dBm，数据包SNR范围为2.17至6.58 dB。每个位置传输100个数据包时，PDR范围为94%至100%，表明在所研究环境中数据包投递可靠。在0 m水平参考位置，相邻楼层转换的平均楼层间衰减为10.25 dB，表明钢筋混凝土结构内垂直传播具有显著影响。传播模型性能使用公共20位置数据集评估。在自由空间路径损耗（FSPL）、对数距离（Log-Distance）和ITU-R P.1238模型中，ITU-R P.1238与实测RSSI数据最吻合，RMSE为11.33 dB，MAE为7.21 dB。这些结果表明LoRa通信用于基于倾角的SHM具有可行性，并为多层建筑室内覆盖评估和网关布置规划提供实践指导。
该研究针对多层钢筋混凝土建筑中结构倾角监测与无线数据传输需求，开发并实验评估基于LoRa的结构健康监测（SHM）系统。研究背景在于结构劣化、沉降和变形会影响土木基础设施安全性、适用性和长期可靠性，倾角变化可反映结构位移、梁变形、基础沉降或异常荷载；传统有线传感、人工巡检或高精度测量虽准确，但大规模部署存在布线多、安装复杂和维护量大等问题，无线传感器网络及LoRa因低功耗、长距离、低数据率传输和可配置物理层参数而具有吸引力。现有研究已分别验证LoRa结构监测可行性和室内多楼层传播特性，但联合验证倾角传感节点与RSSI、SNR、PDR、楼层间衰减及传播模型精度于同一多楼层钢筋混凝土部署的实验仍有限，且室内传播具有站点依赖性，因此开展本项研究。研究人员构建集成ADXL345三轴加速度计、微控制器和SX1276 LoRa收发器的传感节点，在五层钢筋混凝土建筑中完成倾角验证与25个测点通信表征；结果表明静态倾角测量MAE为0.45°、RMSE为0.48°，RSSI为?45至?106 dBm，数据包SNR为2.17至6.58 dB，PDR为94%至100%，平均相邻楼层间衰减约10.25 dB，ITU-R P.1238模型最吻合实测RSSI，RMSE为11.33 dB、MAE为7.21 dB。该研究的意义在于证明LoRa通信支持倾角型SHM的可行性，并为室内覆盖评估和网关布置规划提供实验依据。
关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用集成传感节点与固定网关架构，ADXL345静态重力投影计算roll/pitch并进行多采样平均；SX1276 LoRa工作于923.4 MHz，SF7、BW 125 kHz、编码率4/5、发射功率14 dBm，节点与网关分别采用3 dBi和8 dBi全向天线，网关为Dragino OLG01N单通道LoRa网关；实验样本来源为五层钢筋混凝土建筑，25个测点分布于五层，每层设?60、?30、0、+30、+60 m水平位置，相邻楼层约3.6 m、垂直间隔0–14.4 m，每点发送100包、间隔约6 s；分析RSSI、网关报告数据包SNR、PDR、楼层间衰减，并与FSPL、Log-Distance、ITU-R P.1238比较，采用公共20位置数据集（排除Floor 1，因ITU-R P.1238-13未给出约0.9 GHz办公环境对应L
f(4)值）。
研究结果如下。3.1 Inclination Measurement Validation（倾角测量验证）：在0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°参考角各重复测量三次，最大误差约0.67°（60°），最小误差0.10°（10°），MAE和RMSE分别为0.45°和0.48°，表明ADXL345在受控静态条件下可提供高精度倾角测量，但报告值应解释为静态性能而非长期现场精度。3.2 Link Budget Analysis（链路预算分析）：以Pt=14 dBm、Gt=3 dBi、Gr=8 dBi得到标称链路项25 dB，FSPL理论接收功率显著高于实测RSSI；例如Floor 1、0 m处理论约?29.92 dBm而实测约?86 dBm，差约56 dB，说明室内钢筋混凝土、墙体、阴影、衍射和多径引入附加衰减，理论值仅作理想基线。3.3 RSSI Performance Evaluation（RSSI性能评估）：25个位置平均RSSI约?45至?106 dBm，从Floor 5向Floor 1总体降低；水平位置以中心0 m通常最强，但?30 m与+30 m、?60 m与+60 m不完全对称，说明RSSI不由距离单独决定；最低RSSI出现在Floor 1最大水平间隔处，RSSI高于理论灵敏度阈值但不足以单独判定可靠性。3.4 Packet SNR Performance Evaluation（数据包SNR性能评估）：平均数据包SNR约2.17至6.58 dB，从高楼层向低楼层总体降低，水平距离增大总体降低但存在局部起伏，符合多径与结构遮挡影响；垂直楼层间隔对SNR降低较水平位置变化更系统，但SNR仅表征成功接收包。3.5 Packet Delivery Ratio Analysis（数据包投递率分析）：每点100包、共2500次传输，PDR为94%至100%；Floor 5五个位置均100%，楼层平均PDR为100.0%、99.8%、99.4%、98.0%、96.2%（Floor 5至Floor 1）；最低94%出现在Floor 1、?60 m；PDR下降幅度明显小于RSSI下降，表明较弱信号下仍保持较高包投递。3.6 Inter-Floor Attenuation Analysis（楼层间衰减分析）：在0 m水平位置，Floor 5至Floor 1的RSSI分别为?45.00、?56.00、?66.67、?74.33、?86.00 dBm；相邻楼层间衰减为7.66至11.67 dB，平均10.25 dB/相邻楼层转换；该值包含楼层穿透、距离增加及位置相关传播机制，非隔离材料穿透损耗，且楼层对间非恒定。3.7 Comparison with Indoor Propagation Models（室内传播模型比较）：使用公共20位置数据集，FSPL的RMSE为38.86 dB、MAE为37.21 dB；Log-Distance降至20.71 dB和17.28 dB；ITU-R P.1238最低，RMSE为11.33 dB、MAE为7.21 dB，表明显式楼层相关衰减项改善多楼层传播表征，但剩余误差说明通用模型不能完全描述站点特定结构、墙体、家具和多径。3.8 Feasibility of LoRa-Based Structural Health Monitoring（基于LoRa的SHM可行性）：25个位置均实现成功通信，RSSI约?45至?106 dBm、SNR约2.17至6.58 dB、PDR 94%至100%，平均相邻楼层衰减约10.25 dB，表明固定单网关在所研究五层建筑中可维持建筑级倾角数据无线传输，但仍需长期现场验证。Communication Coverage Assessment（通信覆盖评估）：Floor 5至Floor 1平均RSSI约?56.93、?67.47、?78.13、?87.67、?97.60 dBm，平均PDR为100.0%、99.8%、99.4%、98.0%、96.2%；在评估配置下，尽管低楼层信号较弱，各楼层平均PDR仍高于96%，说明单固定网关在 investigated 环境中具有可用覆盖，但应联合RSSI、SNR和PDR解释而非采用任意RSSI阈值。
讨论部分总结：倾角传感在受控静态条件下稳定准确，传感与通信集成于同一SHM节点；实际安装需关注传感器坐标与结构轴对准、零偏校准和坐标变换，但安装失准、动态振动、温度变化和长期漂移未独立量化。LoRa通信在25点保持高PDR，RSSI和SNR受距离、楼层、结构遮挡和多径共同影响；楼层间衰减表明垂直传播重要，ITU-R P.1238因含楼层相关衰减项而与实测最接近，但剩余误差说明站点特定测量仍必要。实际部署中，LoRa可减少布线并支持低数据率倾角信息传输，网关布置需同时考虑水平距离、垂直间隔和楼层数量；通信评估不应仅依赖RSSI，应联合SNR和PDR。局限包括单栋五层钢筋混凝土建筑、单一LoRa物理层配置、单通道网关与单节点顺序测量而未验证并发多节点LoRaWAN、每点100包非长期部署、倾角验证以静态条件为主、传播模型为通用模型和公共20位置数据集；未来需长期现场部署、多建筑与多材料、替代LoRa配置与网关位置、多网关与并发多节点、附加结构参数及自动异常检测。
研究结论部分翻译：该研究提出了一种基于LoRa的SHM系统，用于五层钢筋混凝土建筑中的结构倾角感知与无线数据传输。传感节点集成ADXL345三轴加速度计、微控制器和SX1276 LoRa收发器，工作于923.4 MHz。倾角子系统在0–90°范围验证，MAE为0.45°、RMSE为0.48°，表明其适用于静态倾角监测。与既往基于LoRa的SHM和室内传播研究相比，该研究在同一钢筋混凝土建筑环境中联合评估静态倾角感知与多楼层无线通信性能。通信性能在25个室内位置通过RSSI、网关报告的数据包SNR、PDR、楼层间衰减和传播模型比较评估。实测RSSI为?45至?106 dBm，数据包SNR为2.17至6.58 dB，PDR为94%至100%。平均楼层间衰减约为每相邻楼层转换10.25 dB，表明钢筋混凝土环境内垂直传播具有显著影响。在评估的传播模型中，ITU-R P.1238与实测RSSI数据最吻合，RMSE为11.33 dB、MAE为7.21 dB，优于Log-Distance和FSPL模型；结果强调在多楼层LoRa传播分析中纳入楼层相关衰减的重要性。总体而言，所提系统在使用单个固定LoRa网关时于所研究建筑内表现出可靠数据包投递，支持基于倾角的SHM中LoRa通信的可行性。未来工作将聚焦长期现场部署、附加结构感知参数、替代LoRa配置和网关位置，以及用于自动结构状态评估的智能数据分析技术。
