淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧古建監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

侯全兵 趙利峰 楊永興

（建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100000）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)裝置在物體上的信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，目標(biāo)是讓物品本體跟網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)在人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。隨著5G 物聯(lián)網(wǎng)、新基建以及NB-IoT等信息通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了傳感器、控制器、機(jī)器、人和物的深化融合，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，從而方便智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理。預(yù)計(jì)到2025 年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)數(shù)將會(huì)達(dá)到252 億智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能透過(guò)傳感器，全面監(jiān)測(cè)產(chǎn)品狀況、運(yùn)作與外在環(huán)境。

2 智慧古建筑監(jiān)測(cè)的必要性

古建古跡[3]是中華五千年建筑文明的結(jié)晶，更是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族文明程度有效載體，作為祖先留下的寶貴遺產(chǎn)，具有歷史科學(xué)以及文化遺產(chǎn)載體價(jià)值不可再生性。文物承載燦爛文明，傳承歷史文化，維系民族精神，代表著這個(gè)國(guó)家的歷史和底蘊(yùn)，顯示中華民族的淵源和風(fēng)采，擁有巨大的研究?jī)r(jià)值，事關(guān)國(guó)家和民族根本利益，也關(guān)系到每個(gè)個(gè)人利益。因此為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于“要系統(tǒng)梳理傳統(tǒng)文化資源，讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產(chǎn)和書寫在古籍里的文字都活起來(lái)”、“要處理好繼承與創(chuàng)造性發(fā)展的關(guān)系，重點(diǎn)做好創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新性發(fā)展”等重要論述精神，落實(shí)好“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明三年行動(dòng)計(jì)劃”等相關(guān)政策，采用“物聯(lián)網(wǎng)+新基建+5G”技術(shù)研究體系，全方位監(jiān)測(cè)、保護(hù)好古建筑文物本體，讓古建筑本體有尊嚴(yán)的“活”起來(lái)，以史為軸，追蹤溯源，迫在眉睫。

為探索古建筑的保存風(fēng)險(xiǎn)，一些古建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]堪憂，古建筑安全防范系統(tǒng)應(yīng)該積極采取措施，做到防患于未然。有必要采用信息化方法對(duì)古建筑加以保護(hù)，目前絕大部分佛龕、塔寺以及古文遺址、墓葬類古建筑群[5]保存環(huán)境的監(jiān)測(cè)方法還是通過(guò)半人工測(cè)量等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)，所以采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段、提高古建筑監(jiān)控整體性能，尤為重要。智慧古建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖如圖1 所示。

3 古建筑監(jiān)測(cè)感知終端[11]概述

靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)監(jiān)測(cè)相互連通的安裝于被測(cè)量點(diǎn)儲(chǔ)液罐液面高度與測(cè)量基點(diǎn)液面高度的相對(duì)變化，由高精度硅晶芯體傳感器測(cè)量，適用于測(cè)量地量程小精度高的液位測(cè)量，從而反推各個(gè)儲(chǔ)液罐安裝位置相對(duì)位置沉降變化量的一種精密儀器。它采用連通器原理，在使用中多個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)壓強(qiáng)腔體通過(guò)軟管連接至液位器，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)過(guò)程的信號(hào)變化通過(guò)RS485 總線傳輸?shù)叫盘?hào)采集系統(tǒng)，由此測(cè)出各測(cè)點(diǎn)的壓力變化量而分析古建筑周邊地表的相對(duì)沉降高度。

全溫補(bǔ)高精度數(shù)字輸出型雙軸傾角傳感器是一款全溫補(bǔ)高精度雙軸傾角儀，它抗外界電磁干擾能力強(qiáng)、承受沖擊震動(dòng)能力強(qiáng)，另外系統(tǒng)內(nèi)置高精度24itA/D差分轉(zhuǎn)換器，同時(shí)通過(guò)五階濾波算法，抗外界電磁干擾能力強(qiáng)、承受沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)大從而可以測(cè)量傳感器輸出相對(duì)于水平面的傾斜和俯仰角度，操作簡(jiǎn)單，不需要相對(duì)變化變的兩個(gè)相對(duì)面進(jìn)行安裝，由此測(cè)出各測(cè)點(diǎn)的X，Y軸角度變化量，用來(lái)輔助監(jiān)測(cè)古建筑本體具體點(diǎn)位的水平位移變化情況。

三軸加速度計(jì)由一片經(jīng)過(guò)微機(jī)械處理的硅芯片及溫度傳感器組成，芯片的作用主要是用于信號(hào)調(diào)整低功率ASIC以及用于存儲(chǔ)補(bǔ)償值的微處理器?？蛇m用于振動(dòng)[7]測(cè)試，撞擊測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品采用數(shù)字接口，借助RS485 總線輸出，功耗低，外殼材質(zhì)鋁合金磨砂氧化，安裝采用M4 螺絲或M16*1.5 底部螺絲安裝，性能穩(wěn)定，防護(hù)等級(jí)IP67，主要用來(lái)測(cè)試古建筑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的振動(dòng)規(guī)律變化情況。

溫濕度記錄儀采用溫濕度數(shù)字傳感器探頭，通過(guò)軟件客戶端程序可以進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)的設(shè)置。溫濕度自動(dòng)記錄存儲(chǔ)功能，在斷電或通訊線路故障等偶發(fā)情況下能夠自動(dòng)記錄溫濕度數(shù)據(jù)到本機(jī)。優(yōu)化的存儲(chǔ)記錄功能使產(chǎn)品在存儲(chǔ)空間記錄滿之后，自動(dòng)擦除最早記錄并記錄新數(shù)據(jù)，無(wú)需客戶進(jìn)行擦除操作。

裂縫監(jiān)測(cè)傳感器用于古建筑長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)并記錄在高空以及不易接觸結(jié)構(gòu)位置上的重點(diǎn)裂縫變化，該儀器裂縫位移精度為±0.01mm，最小采樣間隔為1 分鐘，最大采樣間隔為24 小時(shí)；能夠連續(xù)測(cè)量并記錄裂縫在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)變化過(guò)程，用于長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)古建筑墻體以及不易接觸結(jié)構(gòu)位置上的重點(diǎn)裂縫變化情況，連續(xù)測(cè)量并記錄裂縫在一段時(shí)間內(nèi)的變化過(guò)程以及古建筑周邊環(huán)境溫度的變化值，清晰地反映古建筑墻壁的裂縫[10]變化趨勢(shì)。

投入式液位變送器用于古建筑周邊地下水位監(jiān)測(cè)。它采用高精度擴(kuò)散硅傳感器精工封裝而成。利用先進(jìn)的電路線性和溫度補(bǔ)償技術(shù)，使其線性更加，溫漂系數(shù)更低，抗干擾更強(qiáng)，測(cè)量精準(zhǔn)，穩(wěn)定性好，可直接投入水、油等液體中長(zhǎng)期進(jìn)行工程作業(yè)。儀器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、重量輕、便于安裝、使用方便、免維護(hù)；零點(diǎn)量程可以在外部連續(xù)調(diào)節(jié)，遷移范圍寬。

風(fēng)速風(fēng)向一體計(jì)傳感器用于古建筑周邊環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向。它集風(fēng)速傳感和風(fēng)向傳感器為一體，實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，本身主要的作用是監(jiān)測(cè)古建筑周邊環(huán)境氣象要素中的風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)；風(fēng)速計(jì)采用三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)，性能佳；風(fēng)向傳感器是一種以風(fēng)向箭頭為主的轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)傳感器，通過(guò)感知古建筑周邊的風(fēng)向參數(shù)信息，并將其傳遞給同軸碼盤并輸出對(duì)應(yīng)風(fēng)向相關(guān)數(shù)值的傳感器設(shè)備。

4 古建筑監(jiān)測(cè)通訊網(wǎng)絡(luò)概述

圖1 智慧古建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖

圖2 古建筑監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)流程圖

以古建筑[2]為傳感器組網(wǎng)中心，通過(guò)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)相應(yīng)的傳感器來(lái)對(duì)古建筑進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)，基于MODBUS 協(xié)議規(guī)則之下，采用無(wú)線傳輸或者有線RS485 串口總線傳輸將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模擬信號(hào)，RS-485 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電氣接口規(guī)范，它規(guī)定平衡驅(qū)動(dòng)器合接收器的電特性，多采用兩線制接線方式，接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在同一條RS-485 總線上最多可以掛接32 個(gè)感知終端。借助物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射終端，下行通訊報(bào)文通過(guò)無(wú)線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器端，最終將古建筑監(jiān)測(cè)報(bào)文數(shù)據(jù)通過(guò)按協(xié)議規(guī)則將其解析處認(rèn)為可讀取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)，在通過(guò)古建筑監(jiān)測(cè)平臺(tái)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)將利用三維圖像可視化以及二維圖表分析技術(shù)將其加載到監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)前端，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析古建筑全方位監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，達(dá)到古建筑全方位監(jiān)測(cè)保護(hù)的效果。

MODBUS 協(xié)議是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域常用通訊協(xié)議，是一個(gè)Master/Slave 架構(gòu)的協(xié)議，定義了一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范。包括RTU、ASCII、TCP。MODBUS最多能支持255 個(gè)子設(shè)備的接入。MODBUS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模型主要由標(biāo)志符、地址碼，數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)位四部分組成。標(biāo)志符用來(lái)標(biāo)識(shí)感知終端的一個(gè)符號(hào)位，功能碼決定這一幀數(shù)據(jù)用于輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)，讀取控制量的唯一識(shí)別碼，每個(gè)感知終端都有地址碼，服務(wù)器端在訪問(wèn)感知終端的時(shí)候依靠地址碼識(shí)別，第三是數(shù)據(jù)位，主要用來(lái)解析傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第四是差錯(cuò)校驗(yàn)位，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)校驗(yàn)，防止通信過(guò)程中電磁干擾從而導(dǎo)致古建筑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

DTU 是一款工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳終端，支持標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485 以及RS422 接口，可定制TTL 電平。設(shè)備為用戶提供TCP/UDP 透明無(wú)線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，可幫助用戶快速接入高速互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于智慧電力、油田監(jiān)控、智慧水利智能交通等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。支持聯(lián)通、電信、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，把古建筑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的感知終端設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)娇蛻舻姆?wù)器端的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、古建筑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、感知終端設(shè)備控制等功能。

5 古建筑監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心安全要求

古建筑監(jiān)測(cè)平臺(tái)[9]最終目標(biāo)是建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解譯、傳輸、古建筑大數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)。其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有古建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)、古建筑本體監(jiān)測(cè)、古建筑位移監(jiān)測(cè)、古建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、古建筑監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系設(shè)立五部分組成。古建筑監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心主要分為古建筑監(jiān)測(cè)信息采集子平臺(tái)，古建筑信息處理子平臺(tái)、古建筑監(jiān)測(cè)預(yù)警等三大子平臺(tái)組成?？傮w古建筑監(jiān)測(cè)信息監(jiān)測(cè)平臺(tái)流程圖如圖2 所示。其中數(shù)據(jù)安全保密指數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[1]的數(shù)據(jù)內(nèi)容是否符合國(guó)家的法律法規(guī)，是否經(jīng)相關(guān)主管和保密部門的審核。平臺(tái)未來(lái)對(duì)外共享的各類數(shù)據(jù)，均需經(jīng)過(guò)相關(guān)的安全審核和脫密處理。其古建勘察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都應(yīng)有相關(guān)安全訪問(wèn)機(jī)制，針對(duì)不同權(quán)限的用戶只能訪問(wèn)相應(yīng)權(quán)限范圍內(nèi)的古建筑相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容。安全保密除了常見的網(wǎng)絡(luò)安全、軟件安全、操作系統(tǒng)安全等方面的需求外，古建筑監(jiān)測(cè)平臺(tái)將全方面的記錄每個(gè)用戶操作日志，監(jiān)控中心管理員可以通過(guò)日志對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候可以根據(jù)日志信息快速對(duì)問(wèn)題進(jìn)行排查。

為保障古建筑監(jiān)測(cè)[6]平臺(tái)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，采取如下措施：a.本地局域網(wǎng)與外網(wǎng)隔離、廣域網(wǎng)邊界處部署防火墻；b.在本地局域網(wǎng)中部署網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)；c.在古建筑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行監(jiān)控[8]系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本論文主要闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧古建監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用，源于物聯(lián)網(wǎng)在智慧古建勘察中的重大作用，對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行概要性描述，本論文主要闡述無(wú)線自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，對(duì)感知終端、通訊網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估等內(nèi)容，對(duì)古建筑進(jìn)行全方位保護(hù)，從而節(jié)省了大量古建筑勘察監(jiān)測(cè)人工成本，實(shí)現(xiàn)了智慧古建物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線自動(dòng)化勘察綜合效益最大化。