基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊藝+李端

收稿日期：2013-05-27

作者簡(jiǎn)介：楊 藝(1980—），男，湖北利川人，講師，碩士研究生，研究方向：信號(hào)檢測(cè)與智能控制。

文章編號(hào)：1003-6199(2014)02-0137-04

摘 要：設(shè)計(jì)一種基于Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑震動(dòng)、晃動(dòng)等在線監(jiān)測(cè)。檢測(cè)終端功耗低、體積小、便于安裝，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能有效檢測(cè)精度為0.01075g的三分量加速度，并估算檢測(cè)點(diǎn)的位移。

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關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);高層建筑; 三分量加速度傳感器

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Design of Online Monitoring System for Tall Building Based on Wireless Sensor Networks

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YANG Yi, LI Duan

（School of Electrical Engineering an Automation ,Henan Polytechnic University， Jiaozuo,Henan 454000,China）

Abstract:A monitoring system for highrise based on Zigbee wireless sensor networks is presented in this paper.The slight vibration and wobble can be detected on line by this system.The detector is low power dissipation,small size and easy to install.Experiments verify the effectiveness of detecting three axis accelerations and estimating displacement.The experiment results show precision of detecting acceleration is 0.01075g.

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Key words:wireless sensor network; tall building; three axis acceleration senor

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1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，高層建筑在全球范圍內(nèi)遍地開(kāi)花。高層建筑的安全至關(guān)重要。建筑物的增高在放大了地震、強(qiáng)風(fēng)等對(duì)其自身影響的同時(shí)，也導(dǎo)致人們對(duì)其心理安全感的下降。

高層建筑的震動(dòng)和晃動(dòng)現(xiàn)象十分常見(jiàn)。2011年3月11日日本發(fā)生里氏8.8級(jí)強(qiáng)震，東京的高層建筑普遍震感強(qiáng)烈，一棟20層高的高層建筑震動(dòng)時(shí)間達(dá)到4分鐘，震動(dòng)幅度超過(guò)20cm，遠(yuǎn)在千里之外的上海的高樓也有明顯震感，引起人們的極度恐慌。除了地震、大風(fēng)外，電梯的運(yùn)行、建筑內(nèi)群體性活動(dòng)、城市軌道交通等也會(huì)引起高層建筑的震動(dòng)［1］。2011年7月5日，韓國(guó)首爾一棟39層高的建筑震動(dòng)近10分鐘，致使數(shù)百人驚慌逃離。最后查明，原因竟是在12層一些練習(xí)“跆搏”健身操的人和整個(gè)大樓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振引起。

對(duì)高層建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)評(píng)價(jià)震動(dòng)對(duì)建筑的影響，發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的損傷，評(píng)估其安全性，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)，已成為土木工程的必然要求［2］。

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分布在建筑物各處的三分量加速度傳感器采集建筑物三維加速度，采集的信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，估算建筑物的震動(dòng)情況，并對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)性能做出評(píng)估。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

為了有效監(jiān)測(cè)建筑物整體動(dòng)態(tài)情況，便于上位機(jī)重建建筑物當(dāng)前狀態(tài)，無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)安裝在建筑物的關(guān)鍵部位。不同結(jié)構(gòu)的建筑物其自由振動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法差異較大，且影響建筑物位移估算，故本文以框架結(jié)構(gòu)高層建筑為例。框架結(jié)構(gòu)由梁柱構(gòu)成，在縱橫兩個(gè)方向都承受很大的力。為此，應(yīng)分別在每層樓的梁柱結(jié)合處安裝無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)該點(diǎn)的三分量加速度，通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央?yún)f(xié)調(diào)器，再上傳至上位機(jī)處理。上位機(jī)可自行處理數(shù)據(jù)；也可通過(guò)LAN（Local Area Network）網(wǎng)絡(luò)傳送至中心機(jī)房統(tǒng)一處理；或通過(guò)WAN（Wide Area Network）將信息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)視計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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Zigbee設(shè)備在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End Device）三種。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化信道、建立通信地址表等。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器除了負(fù)責(zé)建立通訊網(wǎng)絡(luò)外，還需要將其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)上傳中央控制器（Central Controller），并將中央控制器的逐點(diǎn)巡檢等指令下達(dá)到各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)在本系統(tǒng)中除了提供數(shù)據(jù)傳輸路由外，還兼具檢測(cè)數(shù)據(jù)功能。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中只具備信號(hào)檢測(cè)功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和中央控制器兩部分組成。由于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在室內(nèi)緊貼墻壁處，墻體、窗戶等會(huì)影響無(wú)線傳輸距離。為保證系統(tǒng)通訊的可靠性，選用Helicomm Zigbee通訊模塊IPLink1223，其最大通訊距離為100m，實(shí)驗(yàn)顯示可在封閉狀態(tài)下穿越一層墻壁，符合系統(tǒng)要求。另外本模塊體積小、功耗低，發(fā)射時(shí)功耗為29mA，接收時(shí)功耗僅為27mA。為了提高通訊鏈路的可靠性，系統(tǒng)采用鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每條鏈路上采用雙路由器設(shè)置，既每層樓的Zigbee模塊設(shè)置兩個(gè)路由器。為避免與WIFI無(wú)線信號(hào)信道沖突，選用4、9、14、15信道，其工作頻段分別是2.425GHz、2.450GHz、2.457GHz和2.480GHz。

3.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括路由器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。其硬件電路完全相同，僅需在Zigbee模塊設(shè)置時(shí)分別設(shè)為路由器或終端節(jié)點(diǎn)即可。

選用Freescale MMA7260QT三軸加速度傳感器檢測(cè)建筑物的三分量加速度。MMA7260QT的加速度檢測(cè)范圍可通過(guò)選擇設(shè)定為±1.5g、±2g、±4g、±6g。當(dāng)檢測(cè)范圍為±4g時(shí)，其檢測(cè)精度為300mV/g，與PIC16F886IML的10位AD轉(zhuǎn)換配合使用其檢測(cè)精度可達(dá)0.01075g。參照日本地震烈度表，當(dāng)選擇檢測(cè)加速度范圍為±4g時(shí)，可以檢測(cè)I-VII地震引起的地面水平加速度［3］［4］。另外該傳感器體積小功耗低，正常工作時(shí)功耗為500uA。

系統(tǒng)選用PIC16F886作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制芯片。PIC16F886最多可實(shí)現(xiàn)14路10位AD轉(zhuǎn)換。通過(guò)設(shè)置可將AD轉(zhuǎn)換的參考電壓定為Vcc和GND，并可設(shè)置使用內(nèi)部集成的RC時(shí)鐘信號(hào)，另外上電復(fù)位電路簡(jiǎn)單，這使得外圍元器件降到最少。當(dāng)使用4MHz時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，芯片功耗僅為220uA。選用PIC16F886的QFN封裝，能進(jìn)一步減小PCB板面積，節(jié)約成本，提高可靠性。PIC16F886和Zigbee模塊之間只需要用TTL電平實(shí)現(xiàn)串行通訊。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月

第33卷第2期楊 藝等:基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。

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圖2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

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3.2 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

中央節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器工作，將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并向協(xié)調(diào)器下達(dá)上位機(jī)的指令。系統(tǒng)采用PIC18F23K22作為控制芯片，除了具備功耗低、體積小、外圍元件少等有點(diǎn)外，其還具有兩個(gè)URAT口，可滿足和同時(shí)與Zigbee協(xié)調(diào)器和上位機(jī)串行通訊的功能。由于系統(tǒng)采用3.3V供電，所以PIC18F23K22與上位機(jī)串口之間通訊的電平轉(zhuǎn)換采用MAX3232。中央控制器硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

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圖3 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

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4 控制芯片程序設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)層面上來(lái)說(shuō)，控制芯片程序設(shè)計(jì)分為加速度信號(hào)自檢程序、檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)傳輸程序。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序相同，且包括上述三個(gè)內(nèi)容。而中央控制器僅有數(shù)據(jù)傳輸指令，且與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序不同。

4.1 傳輸數(shù)據(jù)格式規(guī)定

IPLink1223傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)格式如圖4所示。

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圖4 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

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報(bào)頭（Header）1Byte的第5、6、7三個(gè)位可表示該幀數(shù)據(jù)的類型，分別為“命令請(qǐng)求”、“命令應(yīng)答”、“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”或“ASK應(yīng)答”。當(dāng)上位機(jī)對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡檢時(shí)，IPLink1223模塊會(huì)自動(dòng)返回ASK應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。合理應(yīng)用該方式可大大簡(jiǎn)化巡檢應(yīng)答程序。

LQI用于指示鏈路信號(hào)質(zhì)量，如果該檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)鏈路質(zhì)量過(guò)低會(huì)影響傳輸信號(hào)的可靠性，因此在系統(tǒng)自檢過(guò)程中可以通過(guò)讀取該字段檢測(cè)信號(hào)鏈路質(zhì)量，如果信號(hào)過(guò)低，可在上位機(jī)報(bào)警提示。

目的地址（Address）字段用于指定本幀數(shù)據(jù)發(fā)往的目標(biāo)。其中協(xié)調(diào)器的地址0000H，廣播地址為FFFFH。當(dāng)上位機(jī)巡檢時(shí)，可采用逐點(diǎn)巡檢方式，也可采用廣播巡檢方式。為便于系統(tǒng)后期信號(hào)處理，系統(tǒng)規(guī)定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址的高位為樓層號(hào)、低位為節(jié)點(diǎn)號(hào)。如0304H，表示第3層的第4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。另外規(guī)定01和02節(jié)點(diǎn)號(hào)為路由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)（Data）是檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的有效數(shù)據(jù)，是用戶自己定義的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)有效負(fù)載為7個(gè)字節(jié)。從高到低分別是狀態(tài)（Status）1字節(jié)、X軸加速度（X-axis Acceleration）2字節(jié)、Y軸加速度（Y-axis Acceleration）2字節(jié)、Z軸加速度（Z-axis Acceleration）2字節(jié)。其中狀態(tài)字節(jié)含義分別是：FFH表示正常、00H表示電源故障、AAH表示X軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、BBH表示Y軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、CCH表示Z軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。

因?yàn)镈ata字段的數(shù)據(jù)位數(shù)為7位，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Data length）的數(shù)據(jù)始終未07H。

校驗(yàn)字段（XOR），用于驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)正確性。系統(tǒng)對(duì)前面12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，并存入校驗(yàn)字段中。當(dāng)接收端接收到信號(hào)時(shí)，首先計(jì)算數(shù)據(jù)前12個(gè)字節(jié)的異或結(jié)果，如果計(jì)算結(jié)果與校驗(yàn)字段數(shù)據(jù)相同，則表示接收數(shù)據(jù)正確，否則錯(cuò)誤。

4.2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序包括初始化程序、自檢程序、上位機(jī)巡檢應(yīng)答程序、AD轉(zhuǎn)換程序、串行數(shù)據(jù)發(fā)送程序等幾個(gè)部門。程序流程圖如圖5所示。

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圖5 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

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初始化程序功能包括設(shè)置PIC16F886單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口通訊格式；設(shè)置AD轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)等。自檢程序包括檢測(cè)電源電壓程序、AD轉(zhuǎn)化是否正常等。若自檢發(fā)現(xiàn)故障，直接在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)字段的第一個(gè)字節(jié)填寫相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼發(fā)送出去。

當(dāng)自檢無(wú)誤，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)的巡檢指令。當(dāng)接收到上位機(jī)的巡檢指令后，系統(tǒng)只需等待1秒空閑，Zigbee模塊會(huì)自動(dòng)范圍一個(gè)ASK指令，并且攜帶本機(jī)地址。等待1秒，是為了躲過(guò)檢測(cè)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，不至于數(shù)據(jù)通道擁擠。

讀數(shù)據(jù)程序就是讀取AN8、AN9、AN10三個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。因?yàn)橄到y(tǒng)采用10位AD轉(zhuǎn)換，因此程序直接將低8位送給對(duì)應(yīng)的低位字節(jié)，高2位送給對(duì)應(yīng)的高位字節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)程序調(diào)用串口發(fā)送數(shù)據(jù)。XOR字段為Zigbee模塊自動(dòng)添加，無(wú)需處理。

4.3 中央節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序僅包含數(shù)據(jù)傳輸。分為接收檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)、下達(dá)巡檢指令兩個(gè)部分。程序流程圖如圖6所示。

當(dāng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序。初始化程序主要完成設(shè)置PIC18F23K22單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口1和串口2的通訊格式。自檢程序主要是檢測(cè)與協(xié)調(diào)器的通訊是否正常。如與協(xié)調(diào)器通訊有故障則在數(shù)據(jù)幀相應(yīng)字段寫入錯(cuò)誤代碼，并上傳給上位機(jī)。由于中央節(jié)點(diǎn)的通訊是單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，因此單片機(jī)需要模擬一個(gè)數(shù)據(jù)幀格式。規(guī)定報(bào)頭為FFH、LQI為FFH、地址為0000H、XOR需要計(jì)算后寫入。

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圖6 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖

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當(dāng)自檢無(wú)誤時(shí)，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)巡檢指令。如有上位機(jī)巡檢，則將巡檢指令轉(zhuǎn)發(fā)給URAT1端口，再由Zigbee模塊發(fā)出。若沒(méi)有巡檢指令則判斷是否有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。如有上傳數(shù)據(jù)，則由URAT2上傳給上位機(jī)。

5 上位機(jī)軟件簡(jiǎn)介

上位機(jī)采用VB.Net實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、預(yù)處理和數(shù)據(jù)還原功能，并應(yīng)用SQL Server存儲(chǔ)預(yù)處理數(shù)據(jù)和還原數(shù)據(jù)。

為了提高運(yùn)行效率，上位機(jī)軟件采用多線程模式工作。軟件分為：主線程、數(shù)據(jù)讀取次線程、數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程和數(shù)據(jù)還原次線程等4個(gè)線程。其中主線程完成操作界面控件響應(yīng)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。當(dāng)COM接收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取次線程，并讀取串口數(shù)據(jù)，當(dāng)串口緩沖區(qū)字節(jié)為0時(shí)，關(guān)閉該線程。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取次線程讀取完一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程。當(dāng)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程處理完一個(gè)幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)還原線程。數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程首先檢驗(yàn)該幀數(shù)據(jù)的正確性，然后檢測(cè)該檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量及狀態(tài)位。如有故障則在頁(yè)面上顯示或報(bào)警。接著提取地址和X、Y、Z三個(gè)軸的加速度信息，并將該信息傳遞給數(shù)據(jù)還原次線程。最后調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息、狀態(tài)信息、LQI信息存入SQL的DataStuts數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)還原次線程完成將10位二進(jìn)制的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并顯示在界面對(duì)應(yīng)的控件上。同時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息和還原的加速度信息存入SQL的AccelerationData數(shù)據(jù)表中。上位機(jī)軟件運(yùn)行程序主界面如圖7所示。

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圖7 上位機(jī)程序主界面

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6 結(jié)論及展望

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有硬件可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗低（發(fā)射和接收功耗小于60mA）、硬件電路外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。但仍然存在一些需要改進(jìn)的地方：

1）本系統(tǒng)的檢測(cè)精度為0.01075g，雖然能檢測(cè)I級(jí)地震產(chǎn)生的地表加速度，但對(duì)于輕微的高層建筑晃動(dòng)無(wú)法有效檢測(cè)。主要原因是加速度傳感器檢測(cè)精度過(guò)低。目前，如何提高三分量加速度傳感器的檢測(cè)精度并微型化，也是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。彌補(bǔ)本系統(tǒng)存在的不足，依賴于傳感器領(lǐng)域的研究成果及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

2）由于高層建筑震動(dòng)的三分量加速度之間存在一定的耦合關(guān)系，本系統(tǒng)目前僅能提供各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移估算值。如何對(duì)X、Y、Z三軸加速度準(zhǔn)確解耦，并找到更合理的位移估算算法需要進(jìn)一步研究。

3）本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)建筑物的三分量加速度。如何利用這些加速度信息對(duì)建筑的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)可視化重現(xiàn)，需要進(jìn)一步研究并實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 姚錦寶，夏禾.列車運(yùn)行引起高層建筑物震動(dòng)分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué),2009,30(2):71-76.

［2］ 刁建鵬.微波干涉測(cè)量在高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.震動(dòng)與沖擊.2010,29(11)：177-179.

［3］ 朱亮，鄒兵，嚴(yán)龍. 基于MMA7260QT的危險(xiǎn)場(chǎng)所跌倒檢測(cè)設(shè)備的研制［J］.工業(yè)安全與環(huán)保2012，38(5):45-48.

［4］ 陶玉貴，蔣慧. 基于DSP和MMA7260Q的車輛加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào). 2011,29(6): 845-847.

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。



圖2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路圖



3.2 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

中央節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器工作，將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并向協(xié)調(diào)器下達(dá)上位機(jī)的指令。系統(tǒng)采用PIC18F23K22作為控制芯片，除了具備功耗低、體積小、外圍元件少等有點(diǎn)外，其還具有兩個(gè)URAT口，可滿足和同時(shí)與Zigbee協(xié)調(diào)器和上位機(jī)串行通訊的功能。由于系統(tǒng)采用3.3V供電，所以PIC18F23K22與上位機(jī)串口之間通訊的電平轉(zhuǎn)換采用MAX3232。中央控制器硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。



圖3 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)



4 控制芯片程序設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)層面上來(lái)說(shuō)，控制芯片程序設(shè)計(jì)分為加速度信號(hào)自檢程序、檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)傳輸程序。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序相同，且包括上述三個(gè)內(nèi)容。而中央控制器僅有數(shù)據(jù)傳輸指令，且與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序不同。

4.1 傳輸數(shù)據(jù)格式規(guī)定

IPLink1223傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)格式如圖4所示。



圖4 數(shù)據(jù)傳輸幀格式



報(bào)頭（Header）1Byte的第5、6、7三個(gè)位可表示該幀數(shù)據(jù)的類型，分別為“命令請(qǐng)求”、“命令應(yīng)答”、“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”或“ASK應(yīng)答”。當(dāng)上位機(jī)對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡檢時(shí)，IPLink1223模塊會(huì)自動(dòng)返回ASK應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。合理應(yīng)用該方式可大大簡(jiǎn)化巡檢應(yīng)答程序。

LQI用于指示鏈路信號(hào)質(zhì)量，如果該檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)鏈路質(zhì)量過(guò)低會(huì)影響傳輸信號(hào)的可靠性，因此在系統(tǒng)自檢過(guò)程中可以通過(guò)讀取該字段檢測(cè)信號(hào)鏈路質(zhì)量，如果信號(hào)過(guò)低，可在上位機(jī)報(bào)警提示。

目的地址（Address）字段用于指定本幀數(shù)據(jù)發(fā)往的目標(biāo)。其中協(xié)調(diào)器的地址0000H，廣播地址為FFFFH。當(dāng)上位機(jī)巡檢時(shí)，可采用逐點(diǎn)巡檢方式，也可采用廣播巡檢方式。為便于系統(tǒng)后期信號(hào)處理，系統(tǒng)規(guī)定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址的高位為樓層號(hào)、低位為節(jié)點(diǎn)號(hào)。如0304H，表示第3層的第4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。另外規(guī)定01和02節(jié)點(diǎn)號(hào)為路由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)（Data）是檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的有效數(shù)據(jù)，是用戶自己定義的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)有效負(fù)載為7個(gè)字節(jié)。從高到低分別是狀態(tài)（Status）1字節(jié)、X軸加速度（X-axis Acceleration）2字節(jié)、Y軸加速度（Y-axis Acceleration）2字節(jié)、Z軸加速度（Z-axis Acceleration）2字節(jié)。其中狀態(tài)字節(jié)含義分別是：FFH表示正常、00H表示電源故障、AAH表示X軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、BBH表示Y軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、CCH表示Z軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。

因?yàn)镈ata字段的數(shù)據(jù)位數(shù)為7位，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Data length）的數(shù)據(jù)始終未07H。

校驗(yàn)字段（XOR），用于驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)正確性。系統(tǒng)對(duì)前面12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，并存入校驗(yàn)字段中。當(dāng)接收端接收到信號(hào)時(shí)，首先計(jì)算數(shù)據(jù)前12個(gè)字節(jié)的異或結(jié)果，如果計(jì)算結(jié)果與校驗(yàn)字段數(shù)據(jù)相同，則表示接收數(shù)據(jù)正確，否則錯(cuò)誤。

4.2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序包括初始化程序、自檢程序、上位機(jī)巡檢應(yīng)答程序、AD轉(zhuǎn)換程序、串行數(shù)據(jù)發(fā)送程序等幾個(gè)部門。程序流程圖如圖5所示。

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圖5 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖



初始化程序功能包括設(shè)置PIC16F886單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口通訊格式；設(shè)置AD轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)等。自檢程序包括檢測(cè)電源電壓程序、AD轉(zhuǎn)化是否正常等。若自檢發(fā)現(xiàn)故障，直接在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)字段的第一個(gè)字節(jié)填寫相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼發(fā)送出去。

當(dāng)自檢無(wú)誤，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)的巡檢指令。當(dāng)接收到上位機(jī)的巡檢指令后，系統(tǒng)只需等待1秒空閑，Zigbee模塊會(huì)自動(dòng)范圍一個(gè)ASK指令，并且攜帶本機(jī)地址。等待1秒，是為了躲過(guò)檢測(cè)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，不至于數(shù)據(jù)通道擁擠。

讀數(shù)據(jù)程序就是讀取AN8、AN9、AN10三個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。因?yàn)橄到y(tǒng)采用10位AD轉(zhuǎn)換，因此程序直接將低8位送給對(duì)應(yīng)的低位字節(jié)，高2位送給對(duì)應(yīng)的高位字節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)程序調(diào)用串口發(fā)送數(shù)據(jù)。XOR字段為Zigbee模塊自動(dòng)添加，無(wú)需處理。

4.3 中央節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序僅包含數(shù)據(jù)傳輸。分為接收檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)、下達(dá)巡檢指令兩個(gè)部分。程序流程圖如圖6所示。

當(dāng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序。初始化程序主要完成設(shè)置PIC18F23K22單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口1和串口2的通訊格式。自檢程序主要是檢測(cè)與協(xié)調(diào)器的通訊是否正常。如與協(xié)調(diào)器通訊有故障則在數(shù)據(jù)幀相應(yīng)字段寫入錯(cuò)誤代碼，并上傳給上位機(jī)。由于中央節(jié)點(diǎn)的通訊是單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，因此單片機(jī)需要模擬一個(gè)數(shù)據(jù)幀格式。規(guī)定報(bào)頭為FFH、LQI為FFH、地址為0000H、XOR需要計(jì)算后寫入。

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圖6 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖



當(dāng)自檢無(wú)誤時(shí)，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)巡檢指令。如有上位機(jī)巡檢，則將巡檢指令轉(zhuǎn)發(fā)給URAT1端口，再由Zigbee模塊發(fā)出。若沒(méi)有巡檢指令則判斷是否有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。如有上傳數(shù)據(jù)，則由URAT2上傳給上位機(jī)。

5 上位機(jī)軟件簡(jiǎn)介

上位機(jī)采用VB.Net實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、預(yù)處理和數(shù)據(jù)還原功能，并應(yīng)用SQL Server存儲(chǔ)預(yù)處理數(shù)據(jù)和還原數(shù)據(jù)。

為了提高運(yùn)行效率，上位機(jī)軟件采用多線程模式工作。軟件分為：主線程、數(shù)據(jù)讀取次線程、數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程和數(shù)據(jù)還原次線程等4個(gè)線程。其中主線程完成操作界面控件響應(yīng)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。當(dāng)COM接收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取次線程，并讀取串口數(shù)據(jù)，當(dāng)串口緩沖區(qū)字節(jié)為0時(shí)，關(guān)閉該線程。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取次線程讀取完一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程。當(dāng)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程處理完一個(gè)幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)還原線程。數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程首先檢驗(yàn)該幀數(shù)據(jù)的正確性，然后檢測(cè)該檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量及狀態(tài)位。如有故障則在頁(yè)面上顯示或報(bào)警。接著提取地址和X、Y、Z三個(gè)軸的加速度信息，并將該信息傳遞給數(shù)據(jù)還原次線程。最后調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息、狀態(tài)信息、LQI信息存入SQL的DataStuts數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)還原次線程完成將10位二進(jìn)制的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并顯示在界面對(duì)應(yīng)的控件上。同時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息和還原的加速度信息存入SQL的AccelerationData數(shù)據(jù)表中。上位機(jī)軟件運(yùn)行程序主界面如圖7所示。

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圖7 上位機(jī)程序主界面

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6 結(jié)論及展望

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有硬件可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗低（發(fā)射和接收功耗小于60mA）、硬件電路外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。但仍然存在一些需要改進(jìn)的地方：

1）本系統(tǒng)的檢測(cè)精度為0.01075g，雖然能檢測(cè)I級(jí)地震產(chǎn)生的地表加速度，但對(duì)于輕微的高層建筑晃動(dòng)無(wú)法有效檢測(cè)。主要原因是加速度傳感器檢測(cè)精度過(guò)低。目前，如何提高三分量加速度傳感器的檢測(cè)精度并微型化，也是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。彌補(bǔ)本系統(tǒng)存在的不足，依賴于傳感器領(lǐng)域的研究成果及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

2）由于高層建筑震動(dòng)的三分量加速度之間存在一定的耦合關(guān)系，本系統(tǒng)目前僅能提供各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移估算值。如何對(duì)X、Y、Z三軸加速度準(zhǔn)確解耦，并找到更合理的位移估算算法需要進(jìn)一步研究。

3）本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)建筑物的三分量加速度。如何利用這些加速度信息對(duì)建筑的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)可視化重現(xiàn)，需要進(jìn)一步研究并實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 姚錦寶，夏禾.列車運(yùn)行引起高層建筑物震動(dòng)分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué),2009,30(2):71-76.

［2］ 刁建鵬.微波干涉測(cè)量在高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.震動(dòng)與沖擊.2010,29(11)：177-179.

［3］ 朱亮，鄒兵，嚴(yán)龍. 基于MMA7260QT的危險(xiǎn)場(chǎng)所跌倒檢測(cè)設(shè)備的研制［J］.工業(yè)安全與環(huán)保2012，38(5):45-48.

［4］ 陶玉貴，蔣慧. 基于DSP和MMA7260Q的車輛加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào). 2011,29(6): 845-847.

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。

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圖2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

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3.2 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

中央節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器工作，將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并向協(xié)調(diào)器下達(dá)上位機(jī)的指令。系統(tǒng)采用PIC18F23K22作為控制芯片，除了具備功耗低、體積小、外圍元件少等有點(diǎn)外，其還具有兩個(gè)URAT口，可滿足和同時(shí)與Zigbee協(xié)調(diào)器和上位機(jī)串行通訊的功能。由于系統(tǒng)采用3.3V供電，所以PIC18F23K22與上位機(jī)串口之間通訊的電平轉(zhuǎn)換采用MAX3232。中央控制器硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

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圖3 中央節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

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4 控制芯片程序設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)層面上來(lái)說(shuō)，控制芯片程序設(shè)計(jì)分為加速度信號(hào)自檢程序、檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)傳輸程序。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序相同，且包括上述三個(gè)內(nèi)容。而中央控制器僅有數(shù)據(jù)傳輸指令，且與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序不同。

4.1 傳輸數(shù)據(jù)格式規(guī)定

IPLink1223傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)格式如圖4所示。

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圖4 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

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報(bào)頭（Header）1Byte的第5、6、7三個(gè)位可表示該幀數(shù)據(jù)的類型，分別為“命令請(qǐng)求”、“命令應(yīng)答”、“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”或“ASK應(yīng)答”。當(dāng)上位機(jī)對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡檢時(shí)，IPLink1223模塊會(huì)自動(dòng)返回ASK應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。合理應(yīng)用該方式可大大簡(jiǎn)化巡檢應(yīng)答程序。

LQI用于指示鏈路信號(hào)質(zhì)量，如果該檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)鏈路質(zhì)量過(guò)低會(huì)影響傳輸信號(hào)的可靠性，因此在系統(tǒng)自檢過(guò)程中可以通過(guò)讀取該字段檢測(cè)信號(hào)鏈路質(zhì)量，如果信號(hào)過(guò)低，可在上位機(jī)報(bào)警提示。

目的地址（Address）字段用于指定本幀數(shù)據(jù)發(fā)往的目標(biāo)。其中協(xié)調(diào)器的地址0000H，廣播地址為FFFFH。當(dāng)上位機(jī)巡檢時(shí)，可采用逐點(diǎn)巡檢方式，也可采用廣播巡檢方式。為便于系統(tǒng)后期信號(hào)處理，系統(tǒng)規(guī)定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址的高位為樓層號(hào)、低位為節(jié)點(diǎn)號(hào)。如0304H，表示第3層的第4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。另外規(guī)定01和02節(jié)點(diǎn)號(hào)為路由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)（Data）是檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的有效數(shù)據(jù)，是用戶自己定義的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)有效負(fù)載為7個(gè)字節(jié)。從高到低分別是狀態(tài)（Status）1字節(jié)、X軸加速度（X-axis Acceleration）2字節(jié)、Y軸加速度（Y-axis Acceleration）2字節(jié)、Z軸加速度（Z-axis Acceleration）2字節(jié)。其中狀態(tài)字節(jié)含義分別是：FFH表示正常、00H表示電源故障、AAH表示X軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、BBH表示Y軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤、CCH表示Z軸加速度數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。

因?yàn)镈ata字段的數(shù)據(jù)位數(shù)為7位，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Data length）的數(shù)據(jù)始終未07H。

校驗(yàn)字段（XOR），用于驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)正確性。系統(tǒng)對(duì)前面12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，并存入校驗(yàn)字段中。當(dāng)接收端接收到信號(hào)時(shí)，首先計(jì)算數(shù)據(jù)前12個(gè)字節(jié)的異或結(jié)果，如果計(jì)算結(jié)果與校驗(yàn)字段數(shù)據(jù)相同，則表示接收數(shù)據(jù)正確，否則錯(cuò)誤。

4.2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序包括初始化程序、自檢程序、上位機(jī)巡檢應(yīng)答程序、AD轉(zhuǎn)換程序、串行數(shù)據(jù)發(fā)送程序等幾個(gè)部門。程序流程圖如圖5所示。

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圖5 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

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初始化程序功能包括設(shè)置PIC16F886單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口通訊格式；設(shè)置AD轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)等。自檢程序包括檢測(cè)電源電壓程序、AD轉(zhuǎn)化是否正常等。若自檢發(fā)現(xiàn)故障，直接在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)字段的第一個(gè)字節(jié)填寫相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼發(fā)送出去。

當(dāng)自檢無(wú)誤，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)的巡檢指令。當(dāng)接收到上位機(jī)的巡檢指令后，系統(tǒng)只需等待1秒空閑，Zigbee模塊會(huì)自動(dòng)范圍一個(gè)ASK指令，并且攜帶本機(jī)地址。等待1秒，是為了躲過(guò)檢測(cè)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，不至于數(shù)據(jù)通道擁擠。

讀數(shù)據(jù)程序就是讀取AN8、AN9、AN10三個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。因?yàn)橄到y(tǒng)采用10位AD轉(zhuǎn)換，因此程序直接將低8位送給對(duì)應(yīng)的低位字節(jié)，高2位送給對(duì)應(yīng)的高位字節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)程序調(diào)用串口發(fā)送數(shù)據(jù)。XOR字段為Zigbee模塊自動(dòng)添加，無(wú)需處理。

4.3 中央節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序僅包含數(shù)據(jù)傳輸。分為接收檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)、下達(dá)巡檢指令兩個(gè)部分。程序流程圖如圖6所示。

當(dāng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序。初始化程序主要完成設(shè)置PIC18F23K22單片機(jī)使用內(nèi)部振蕩信號(hào)、頻率4MHz；設(shè)置串口1和串口2的通訊格式。自檢程序主要是檢測(cè)與協(xié)調(diào)器的通訊是否正常。如與協(xié)調(diào)器通訊有故障則在數(shù)據(jù)幀相應(yīng)字段寫入錯(cuò)誤代碼，并上傳給上位機(jī)。由于中央節(jié)點(diǎn)的通訊是單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，因此單片機(jī)需要模擬一個(gè)數(shù)據(jù)幀格式。規(guī)定報(bào)頭為FFH、LQI為FFH、地址為0000H、XOR需要計(jì)算后寫入。

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圖6 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖

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當(dāng)自檢無(wú)誤時(shí)，系統(tǒng)判斷是否有上位機(jī)巡檢指令。如有上位機(jī)巡檢，則將巡檢指令轉(zhuǎn)發(fā)給URAT1端口，再由Zigbee模塊發(fā)出。若沒(méi)有巡檢指令則判斷是否有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。如有上傳數(shù)據(jù)，則由URAT2上傳給上位機(jī)。

5 上位機(jī)軟件簡(jiǎn)介

上位機(jī)采用VB.Net實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、預(yù)處理和數(shù)據(jù)還原功能，并應(yīng)用SQL Server存儲(chǔ)預(yù)處理數(shù)據(jù)和還原數(shù)據(jù)。

為了提高運(yùn)行效率，上位機(jī)軟件采用多線程模式工作。軟件分為：主線程、數(shù)據(jù)讀取次線程、數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程和數(shù)據(jù)還原次線程等4個(gè)線程。其中主線程完成操作界面控件響應(yīng)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。當(dāng)COM接收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取次線程，并讀取串口數(shù)據(jù)，當(dāng)串口緩沖區(qū)字節(jié)為0時(shí)，關(guān)閉該線程。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取次線程讀取完一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程。當(dāng)數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程處理完一個(gè)幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)數(shù)據(jù)還原線程。數(shù)據(jù)預(yù)處理次線程首先檢驗(yàn)該幀數(shù)據(jù)的正確性，然后檢測(cè)該檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量及狀態(tài)位。如有故障則在頁(yè)面上顯示或報(bào)警。接著提取地址和X、Y、Z三個(gè)軸的加速度信息，并將該信息傳遞給數(shù)據(jù)還原次線程。最后調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息、狀態(tài)信息、LQI信息存入SQL的DataStuts數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)還原次線程完成將10位二進(jìn)制的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并顯示在界面對(duì)應(yīng)的控件上。同時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)時(shí)間、地址信息和還原的加速度信息存入SQL的AccelerationData數(shù)據(jù)表中。上位機(jī)軟件運(yùn)行程序主界面如圖7所示。

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圖7 上位機(jī)程序主界面

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6 結(jié)論及展望

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高層建筑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有硬件可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗低（發(fā)射和接收功耗小于60mA）、硬件電路外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。但仍然存在一些需要改進(jìn)的地方：

1）本系統(tǒng)的檢測(cè)精度為0.01075g，雖然能檢測(cè)I級(jí)地震產(chǎn)生的地表加速度，但對(duì)于輕微的高層建筑晃動(dòng)無(wú)法有效檢測(cè)。主要原因是加速度傳感器檢測(cè)精度過(guò)低。目前，如何提高三分量加速度傳感器的檢測(cè)精度并微型化，也是研究熱點(diǎn)問(wèn)題。彌補(bǔ)本系統(tǒng)存在的不足，依賴于傳感器領(lǐng)域的研究成果及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

2）由于高層建筑震動(dòng)的三分量加速度之間存在一定的耦合關(guān)系，本系統(tǒng)目前僅能提供各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移估算值。如何對(duì)X、Y、Z三軸加速度準(zhǔn)確解耦，并找到更合理的位移估算算法需要進(jìn)一步研究。

3）本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)建筑物的三分量加速度。如何利用這些加速度信息對(duì)建筑的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)可視化重現(xiàn)，需要進(jìn)一步研究并實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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