《Electronics》：LoRa Communication for Inclination-Based Structural Health Monitoring: Experimental Performance and Multi-Floor Indoor Propagation Analysis
编辑推荐：
本文介绍了基于LoRa的结构健康监测（SHM）系统的设计与实验评估，该系统用于多层钢筋混凝土建筑中的结构倾斜传感与无线数据传输。传感节点集成了ADXL345三轴加速度计、微控制器以及工作于923.4 MHz的SX1276 LoRa收发器，扩频因子为7，带宽为1
本文介绍了基于LoRa的结构健康监测（SHM）系统的设计与实验评估，该系统用于多层钢筋混凝土建筑中的结构倾斜传感与无线数据传输。传感节点集成了ADXL345三轴加速度计、微控制器以及工作于923.4 MHz的SX1276 LoRa收发器，扩频因子为7，带宽为125 kHz，发射功率为14 dBm。倾斜传感子系统首先在0–90°的参考范围内进行了验证，平均绝对误差为0.45°，均方根误差为0.48°。随后在分布于五个楼层的25个室内测量位置对无线通信性能进行了评估，采用接收信号强度指示（RSSI）、网关上报的数据包信噪比（SNR）、数据包交付率（PDR）、层间衰减以及传播模型比较等指标。实测RSSI范围为?45至?106 dBm，数据包SNR范围为2.17至6.58 dB。在每个位置发送100个数据包时，PDR范围为94%至100%，表明在所研究环境中实现了可靠的数据包交付。在0 m水平参考位置处，相邻楼层过渡的平均层间衰减为10.25 dB，表明钢筋混凝土结构内垂直传播具有显著影响。传播模型性能采用包含20个位置的公共数据集进行评估。在FSPL、对数距离和ITU-R P.1238模型中，ITU-R P.1238与实测RSSI数据最为吻合，RMSE为11.33 dB，MAE为7.21 dB。这些结果证明了LoRa通信用于基于倾斜的SHM的可行性，并为多层建筑中的室内覆盖评估和网关布置规划提供了实践指导。
研究背景方面，结构劣化、沉降和变形会对土木基础设施的安全性、适用性和长期可靠性产生不利影响，结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）因此成为持续或定期评估结构状态、识别可能指示损伤或异常行为变化的重要手段。在多高层建筑中，结构构件倾斜变化可提供与结构位移、梁变形、基础沉降或异常荷载相关的有用信息，早期检测此类变化有助于在结构劣化发展为更严重损伤之前实施基于状态的检查与维护。传统SHM系统通常采用有线传感器、人工检查或高精度测量设备，虽然可提供精确测量，但大规模部署需要大量布线、复杂安装和较高维护成本。无线智能传感器和无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）因可将传感、本地处理和无线数据传输集成于紧凑监测节点而受到广泛关注。在可用无线技术中，长距离（Long Range, LoRa）通信因具备低功耗、低数据速率、较长距离传输能力而适用于SHM应用。然而，现有基于LoRa的SHM研究主要证明远程加速度和倾斜监测的可行性，室内LoRa研究则主要集中于办公和工业环境中的通信覆盖、物联网连接或传播行为，在经验证的结构倾斜传感节点与多楼层钢筋混凝土部署下RSSI、数据包SNR、数据包交付率（Packet Delivery Ratio, PDR）、楼层穿透损耗（Floor Penetration Loss, FPL）及传播模型精度联合评估方面仍存在研究空白。为此，研究人员开发并实验评估了一套基于LoRa的无线传感系统，用于五层钢筋混凝土建筑中的结构倾斜监测。传感节点集成ADXL345三轴加速度计、微控制器和工作于923.4 MHz的SX1276 LoRa收发器，通信系统配置扩频因子为7、带宽为125 kHz、发射功率为14 dBm，传感节点采用3 dBi全向天线，网关采用8 dBi全向天线。倾斜传感子系统首先在0°至90°参考范围内受控条件下验证，随后在分布于五个楼层的25个测量位置（每层5个水平位置）对无线链路进行表征。研究主要贡献包括：开发并实验验证了集成倾斜传感与LoRa通信的SHM节点；在真实多层钢筋混凝土建筑中系统表征923.4 MHz LoRa通信性能；通过楼层穿透损耗分析量化垂直传播引入的附加衰减；将实测传播行为与自由空间路径损耗（Free Space Path Loss, FSPL）、对数距离路径损耗和ITU-R P.1238室内传播模型比较。关键技术方法方面，研究人员采用ADXL345三轴MEMS加速度计进行静态倾斜测量，通过微控制器采集加速度并计算横滚角和俯仰角，经平均处理提高稳定性；采用SX1276 LoRa收发器在923.4 MHz进行无线数据传输，固定扩频因子7、带宽125 kHz、编码率4/5、发射功率14 dBm；在五层钢筋混凝土建筑中设置25个测量位置（每层?60、?30、0、+30、+60 m），每个位置发送100个数据包，共2500次数据包传输；采用Dragino OLG01N单通道LoRa网关记录RSSI和网关上报数据包SNR，并计算PDR、层间衰减，采用FSPL、对数距离和ITU-R P.1238模型进行传播模型比较，以RMSE和MAE评价模型精度。
研究结果方面，倾斜测量验证表明，在0°至90°参考角度范围内，实测倾斜角紧密跟随参考角，最大测量误差约0.67°（出现在60°参考角），最小误差0.10°（10°参考角），MAE和RMSE分别为0.45°和0.48°，重复测量变化小，表明ADXL345可提供高精度静态倾斜测量。链路预算分析表明，基于FSPL的理论接收功率显著高于实测RSSI，例如Floor 1、0 m位置理论接收功率约?29.92 dBm而实测RSSI约?86 dBm，差异约56 dB，说明实际室内传播路径引入了远超自由空间传播距离预测的附加衰减。RSSI性能评估表明，全部25个测量位置的平均RSSI范围约?45至?106 dBm，随传感节点从Floor 5向Floor 1移动，接收信号强度明显降低；中心0 m位置通常信号最强，随水平距离增加RSSI趋于下降，但等幅相反侧位置RSSI并不总是相同，表明接收信号强度并非仅由传播距离决定。数据包SNR性能评估表明，平均数据包SNR范围约2.17至6.58 dB，随楼层间距增加总体降低，水平位置变化也引起局部增减，与室内多径传播特性一致。数据包交付率分析表明，25个位置PDR范围为94%至100%，Floor 5全部位置达100%，Floor 1的?60 m位置最低为94%；各楼层平均PDR分别为100.0%、99.8%、99.4%、98.0%和96.2%，PDR下降幅度明显小于RSSI下降幅度。层间衰减分析表明，0 m水平位置各楼层RSSI分别为?45.00、?56.00、?66.67、?74.33和?86.00 dBm，相邻楼层衰减范围7.66至11.67 dB，平均10.25 dB。传播模型比较表明，在20个位置公共数据集上，FSPL模型RMSE为38.86 dB、MAE为37.21 dB，对数距离模型RMSE为20.71 dB、MAE为17.28 dB，ITU-R P.1238模型RMSE为11.33 dB、MAE为7.21 dB，与实测RSSI最为吻合。基于LoRa的SHM可行性评估表明，全部25个位置均实现成功通信，尽管下层接收信号较弱，固定网关仍维持建筑内通信覆盖。通信覆盖评估表明，各楼层平均RSSI分别约?56.93、?67.47、?78.13、?87.67和?97.60 dBm，对应平均PDR分别为100.0%、99.8%、99.4%、98.0%和96.2%，每层PDR均高于96%。
讨论部分总结指出，倾斜测量结果表明基于ADXL345的传感节点可为静态结构倾斜监测提供稳定且足够精确的测量，但验证主要限于受控静态方向测量，所报精度应解释为静态倾斜测量性能而非动态结构行为的完整评估；实际部署中传感器坐标轴与结构轴的安装对准、初始零偏校准及坐标变换等因素需考虑。LoRa通信与室内传播性能方面，实测结果表明LoRa可在所研究室内条件下维持高数据包交付性能，RSSI和SNR的空间变化说明通信性能不仅受传播距离影响，还受室内环境结构特征影响；PDR下降幅度远小于RSSI下降幅度，说明接收信号电平大幅降低不一定导致数据包交付性能同等退化；层间衰减分析表明垂直传播是多层钢筋混凝土环境LoRa部署的重要考虑因素；传播模型比较表明ITU-R P.1238因包含楼层相关衰减项而表现最佳，但剩余预测误差仍显著，说明广义经验模型不能完全表征具体建筑传播特性，现场测量对精确通信规划仍很重要。实际部署意义方面，结果表明基于LoRa的架构可支持低数据速率结构倾斜信息在五层钢筋混凝土建筑内无线传输，网关布置应同时考虑水平间距和通信路径上钢筋混凝土楼层的数量与特征，通信性能评估不应仅依赖RSSI，而应结合数据包SNR和PDR。局限性方面，通信测量仅在单一五层钢筋混凝土建筑中进行，采用单一LoRa物理层配置和单通道网关单节点顺序测量，100个数据包每位置的交付实验不代表长期现场部署，传感子系统主要在受控静态倾斜条件下评估，传播模型比较采用广义模型和20个位置公共数据集，结果应解释为比较性模型性能信息而非适用于其他建筑的普适预测精度。研究结论部分翻译如下：本研究提出了一种基于LoRa的结构健康监测系统，用于五层钢筋混凝土建筑中的结构倾斜传感与无线数据传输。传感节点集成ADXL345三轴加速度计、微控制器和工作于923.4 MHz的SX1276 LoRa收发器。倾斜子系统在0–90°范围内验证，MAE为0.45°、RMSE为0.48°，表明其适用于静态倾斜监测。与以往基于LoRa的SHM和室内传播研究相比，本工作在同一钢筋混凝土建筑环境中联合评估了静态倾斜传感和多楼层无线通信性能。通信性能在25个室内位置采用RSSI、网关上报数据包SNR、PDR、层间衰减和传播模型比较进行评估。实测RSSI范围为?45至?106 dBm，数据包SNR为2.17至6.58 dB，PDR为94%至100%。相邻楼层过渡的平均层间衰减约10.25 dB，表明钢筋混凝土环境中垂直传播的显著影响。在所评估的传播模型中，ITU-R P.1238与实测RSSI数据最为吻合，RMSE为11.33 dB、MAE为7.21 dB，优于对数距离和FSPL模型。这些结果凸显了在多楼层LoRa传播分析中纳入楼层相关衰减的重要性。总体而言，所提系统在使用单一固定LoRa网关的条件下在整个所研究建筑内展现出可靠的数据包交付，支持了LoRa通信用于基于倾斜的SHM在所测试条件下的可行性。未来工作将聚焦于长期现场部署、附加结构传感参数、替代LoRa配置和网关位置以及面向自动化结构状态评估的智能数据分析技术。
