無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)因為其強大的網絡傳輸效能，近年來廣泛應用於各種工程及生活領域，由於該項技術具有高頻且連續的取樣能力，因此特別適用於以動態監測為目的之觀測任務。
本研究以WSN技術做為平台，並配合虛擬觀測平差技巧的引入，發展出適合WSN網形之動態解算程序，另外也使用序列式平差改進傳統網形解算程序，以進行高頻網形解算；而在即時監測數據處理方面，首先透過靈敏度分析方法決定監測網之變形可偵測性，並使用外部衛星定位觀測將區域解算成果連結至全域坐標系統，獲得監測網於長時間觀測下之絕對變化，最後將節點歷時位移資訊透過快速傅立葉轉換以獲取結構物之頻譜資訊和週期變化，並建構成為一套適合WSN動態定位與監測之完整資料處理和分析流程。
而透過數值實驗成果顯示，由本研究所建議之解算程序除可在無固定基準的動態條件下正確獲得解算成果外，並有效抑制因訊號脫落所而造成之解算誤差。不僅在測量網形的計算上可適應網形的動態變動，更能降低高頻解算的運算時間成本，對於提升WSN在監測實務工作上的可靠度與效率均具有顯著幫助，未來在結構物系統識別等相關技術配合之下，將能夠應用於結構物健康檢測與分析等任務，以具體提升結構物安全診斷與潛在災害預警等工作之效能。

The Wireless Sensor Network (WSN) technique has been widely applied in engineering applications as well as in our daily life for its powerful networking capability. This technique is particularly feasible for a dynamic monitoring task since it provides continuous observables at a high sampling rate. In this study, a WSN-based wireless positioning network is established, and a rigorous approach for processing its dynamic observations has been developed by utilizing the unified least-squares technique. A sensitivity analysis is also carried out to evaluate the quality of the monitoring network in detecting deformations. Then, the local positioning solutions are transformed into a global reference frame by employing external GPS measurements, and the Fast Fourier Transform (FFT) technique is performed to obtain the spectral information of the measured target. Finally, all the above procedures are integrated and a completed flow for WSN data processing and analyzing is thus established. Based on numerical test results, the proposed approach has been proven for its capability in producing a quality solution for a WSN-based monitoring network. Consequently, when it is incorporated with the Structural Health Monitoring (SHM) technique, the reliability and efficiency for a structure safety evaluation and hazard mitigation task can be substantially improved.

目 錄
口試委員會審定書…………………………………………………… i
誌謝……………………………………………………………………. ii
中文摘要……………………………………………………………… …iii
英文摘要………………………………………………………………. iv
第一章 序論……………………………………………………………...1
1-1研究背景……………………………………………………….… 1
1-2研究動機與目的……………………………………………….… 2
1-3研究方法……………………………………………………. ...… 5
1-4論文架構……………………………………………………...….7
第二章 文獻回顧………………………………………………….……..9
2-1 WSN原理及架構……………………………………………….. .9
2-2 WSN實際應用……………………………………………….. 12
2-2-1 居家照護……………………………………………….13
2-2-2 自然環境監測………………………………………….13
2-2-3 結構物監測應用……………………………………….13
2-3 WSN定位相關研究……………………………………………..14
2-3-1 非測距技術定位模式………………………………….14
2-3-2 測距定位模式………………………………………….15
第三章 WSN監測網之網形建構………………………………………21
3-1 網形組成與可解條件探討……………………………………...21
3-2 平差模式選擇之探討…………………………………………...22
3-3 應用序列式平差於WSN網形解算之效益…………………….25
3-4 網形強度與精度評估…………………………...………………29
第四章 WSN即時監測數據分析與應用………………………………32
4-1 區域坐標與全域坐標之連結...…………………………………32 4-2 解算成果之頻譜分析…...………………………………………36
4-3 監測網之靈敏度分析…………………………………… .…….40
第五章 實驗測試……………………………………………………….43
5-1 平差求解最佳化探討……………………………..…………….43
5-1-1控制資訊與約制個數之影響………………..……………...44
5-1-2奇異點有無對網形解算之影響………………..…………...45
5-2 序列式與非序列式平差於WSN資料處理效率比較……..…..48
5-2-1網形求解時間比較………………..………………………...48
5-2-2考量WSN時間延遲於資料處理程序之比較………….…..49
5-3 坐標轉換模式探討……..……………………………………….50
5-4 WSN網形解算介面開發……..……............................................53
5-4-1 輸入資料與輸出資料格式介紹……....................................53
5-4-2 解算流程與成果展示……....................................................55
5-5 實例分析…………………………………… …….…….............58
5-5-1 小型振動台實驗……………………………………………60
5-5-2 門形鷹架實驗………………………………………………63
5-6小結………………………………………………...…….............70
第六章 結論…………………………………..…………………...........71
6-1 結論……………………………..……………………………….71
6-2 未來工作與建議……………………………………….………..73
參考文獻………………………………………………………….……74



圖 目 錄
圖1-1、多重點位量測與WSN監測示意圖………………..…........….2
圖 1-2、WSN應用於結構物監測示意圖…………………..……………..4
圖 1-3、研究流程圖…………………………………………………… ….7
圖 2-1、無線感測網路平台架構示意圖………………………………......9
圖 2-2、點對點網路拓墣……………………………………………...….11
圖 2-3、星狀拓墣示意圖………………………………..………………..12
圖 2-4、階層式拓墣示意圖………………………………………………12
圖 2-5、WSN節點測距交會圖…………………………………………..17
圖 2-6、TOA法測距交會圖……………………………………………18
圖 3-1、含有奇異點之網形…………………………….………………...22
圖 3-2、WSN資料處理架構圖…………………………………………..25
圖 3-3、WSN資料處理流程圖…………………………………………..26
圖 3-4、時間延遲之影響…………………………………………………29
圖 3-5、序列式與非序列式於時間延遲之影響…………………….…...29
圖 4-1、區域與全域坐標系之連結………………………………………32
圖 4-2、主動運動與被動運動對監測網影響示意圖……………………34
圖 4-3、坐標基準之轉換…………………………………………………34
圖 4-4、歷時位移變化圖…………………………………………………37
圖 4-5、加入外力訊號之歷時位移變化圖………………………………37
圖 4-6、加入外力訊號之頻譜圖…………………………………………38
圖 4-7、加入外力訊號之歷時位移變化圖………………………………38
圖 4-8、加入雜訊之頻譜圖………………………………………………39
圖 4-9、加入較大雜訊之頻譜圖…………………………………………39
圖 5-1、三維測邊網………………………………………………………43
圖 5-2、單位權後驗標準差與控制資訊變化圖…………………………45
圖 5-3、均方根誤差與控制資訊變化圖…………………………………45
圖 5-4、含有奇異點之二維測邊網………………………………………46
圖 5-5、序列式與非序列式解算時間成果………………………………48
圖 5-6、考量時間傳輸延遲之序列式與非序列式解算時間成果………50
圖 5-7、二維測邊網於非均勻變形………………………………………51
圖 5-8、重心位置較差……………………………………………………52
圖 5-9、二維方向較差……………………………………………………52
圖 5-10、觀測量資料格式………………………………………………..53
圖 5-11、點位初始值坐標格式…………………………………………54
圖 5-12、點位解算成果坐標格式………………………………………54
圖 5-13、解算流程示意圖………………………………………………..55
圖 5-14、WSN軟體解算介面……………………………………………56
圖 5-15、介面細部展式a………………………………………………...57
圖 5-16、介面細部展式b………………………………………………...57
圖 5-17、DT50雷射測距儀………………………………………………58
圖 5-18、WSN進階節點…………………………………………………59
圖 5-19、WSN測距模組…………………………………………………59
圖 5-20、WSN測距模組組成單元………………………………………59
圖 5-21、WSN振動台實驗配置…………………………………………60
圖 5-22、測試1網形示意圖……………………………………………...60
圖 5-23、測試1待測點三維歷時變化…………………………………61
圖 5-24、測試1待測點頻譜變化………………………………………...61
圖 5-25、測試2之921地震歷時位移……………………………………62
圖 5-26、測試2傅立葉頻譜……………………………………………...62
圖 5-27、門型鷹架示意圖………………………………………………..63
圖 5-28、WSN監測模組…………………………………………………63
圖 5-29、WSN網形示意圖………………………………………………64
圖 5-30、點7靜態量測成果……………………………………………...65
圖 5-31、點8靜態量測成果……………………………………………...65
圖 5-32、點7位移歷時圖………………………………………………...66
圖 5-33、點8位移歷時圖………………………………………………...66
圖 5-34、點7頻譜圖……………………………………………………...67
圖 5-35、點8頻譜圖……………………………………………………...67
圖 5-36、微振儀量測結成果……………………………………………..68
圖 5-37、微振儀量測結成果之傅立葉頻譜……………………………..68
圖 5-38、區域解算成果..…………………..……………………………..69
圖 5-39、監測網形於絕對坐標框架……………………………………..69
圖 5-40、超站儀進行絕對坐標觀測……………………………………..70














表 目 錄
表1-1、WSN監測模組與速度型微振動量測儀比較表..…...................….4
表5-1、點位坐標及分布………………..…..........................................….44
表5-2、二維測邊網點位坐標………………..…..................................….46
表5-3、自由網平差結果………………..…..........................................….47
表5-4、虛擬觀測平差結果………………..…......................................….47
表5-5、序列式與非序列式解算時間成果結果………………....….........48
表5-6、考量WSN傳輸時間延遲效應與求解時間之比較……...............49
表5-7、非均勻變形參數計算成果……..…...............................................51
表5-8、DT50雷射測距模組規格……..….................................................58

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