基于超低成本无线物联网原型的结构健康监测课堂 - 实验室 - 现场教学框架

《IEEE Transactions on Device and Materials Reliability》：A Class–Lab–Field Pedagogical Framework for Structural Health Monitoring Using Ultralow-Cost Wireless IoT Prototypes

　　

摘要：

贡献：本文提出了一种用于结构健康监测（SHM）教育的课堂–实验室–现场（CLF）框架，该框架以 ArduinoNode 为核心——这是一个开源、超低成本（约 50 美元/节点）的无线物联网（IoT）平台，由学生自行构建、编程和部署，从而缩小了从感知到解释的分析–现场差距。

背景： 结构健康监测课程倾向于将结构模型和算法置于仪器工作原理和操作步骤之上；许多 Arduino 实验室缺乏协调一致的户外部署。可供检查且价格合理的、用于教学仪器内部结构的套件仍然稀缺。

预期成果： 沿结构健康监测流程建立操作素养：加速度计基本原理、仪器限制，以及采集、同步、记录之间以及与对含噪现场数据进行可靠解释之间的联系。

应用设计： CLF 依次为压缩课程安排课堂节点准备、结构模型上的实验室工作和现场多系统监测。实践感知优先；结构健康监测理论深度随课时规模而定。

发现： CLF：APESS2025（ N = 56 ）：93.3% 满意度，100% 推荐率；约 60% 的学生报告在传感器/结构健康监测/物联网方面有收获，40% 的学生在无线传感器网络方面有收获，60% 的学生认为其动手实践侧重点远高于或明显高于典型的理论密集型课程。ArduinoNode：人行天桥数据（ArduinoNode、智能手机、商用结构健康监测）与有限元（FE）模型对比，在双链路、亚 10 毫秒级同步条件下，前两阶振型的误差分别为 5.1% 和 7.2%。