自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備在既有建筑改造中的應(yīng)用

李 兵 李鑫奎 沈志勇 況中華 施 臻

1.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2.上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為了工程領(lǐng)域技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，尤其是低功耗及自組網(wǎng)通信技術(shù)，其在建筑健康監(jiān)測或施工過程監(jiān)測中的應(yīng)用日趨重要，因此對系統(tǒng)硬件研發(fā)、模塊設(shè)計(jì)及調(diào)試的高標(biāo)準(zhǔn)要求也就顯得較為突出。傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程分為以下3個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（由大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究起步于20世紀(jì)90年代，并從最初利用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)微型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備逐漸過渡到對網(wǎng)絡(luò)本身問題的關(guān)注和研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，無線自組網(wǎng)的一個重要發(fā)展方向就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其通過無線通信方式形成一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并將信息傳遞給信息獲取者。孫瑞瑞[1]基于自己的研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及嵌入式設(shè)備進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)和研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對低功耗嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主板軟件驅(qū)動程序及模塊化設(shè)計(jì)。孟祥儒等[2]采用Quinn和Rife-Jane算法對振弦式應(yīng)力傳感器的采集頻率進(jìn)行精確檢測，提高了信噪比，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。夏天祥[3]采用STM32片上資源實(shí)現(xiàn)了傳感器激勵電路等精度測頻并改進(jìn)了傳感器的電路結(jié)構(gòu)，通過自編程序?qū)崿F(xiàn)了自適應(yīng)掃頻激振技術(shù)。賀虎等[4]提出了反饋式激振法，通過低壓撥弦的方法對傳感器進(jìn)行預(yù)激振，有效提高了傳感器監(jiān)測或測量的精度。

隨著建筑業(yè)與信息化的不斷融合，建筑工程施工過程中的監(jiān)測傳感器越來越多，數(shù)據(jù)的采集和傳輸量也越來越大，而建筑工程在傳統(tǒng)有線的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)中，存在著布線麻煩、易損壞、代價(jià)高的缺點(diǎn)；即便是采用傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集傳輸方式，也存在著協(xié)議復(fù)雜、技術(shù)要求高、需要專業(yè)人員參與的缺點(diǎn)，這在很大程度上限制了數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[5-7]。本文針對現(xiàn)有自主研發(fā)的應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，基于自組網(wǎng)、低功耗技術(shù)，對現(xiàn)有產(chǎn)品的通信網(wǎng)絡(luò)及無線傳感的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行硬件系統(tǒng)的深層次研發(fā)，最終研發(fā)出了具有高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的新型低功耗、智能自組網(wǎng)的應(yīng)力傳感器裝置，突破了傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器受施工現(xiàn)場條件限制的技術(shù)瓶頸，延長了監(jiān)測設(shè)備在現(xiàn)場的使用壽命和監(jiān)測時(shí)間，減少了現(xiàn)場大量對傳感器的維護(hù)工作。

1 自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

依托上海建工集團(tuán)股份有限公司現(xiàn)有自主研發(fā)的應(yīng)力監(jiān)測產(chǎn)品，采用智能自組網(wǎng)技術(shù)、低功耗技術(shù)對其硬件系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，提出了一種高效自組網(wǎng)算法和智能控制策略，并配合現(xiàn)有重大工程項(xiàng)目在實(shí)際施工過程中進(jìn)行了大量調(diào)試和檢測。

為解決建筑施工現(xiàn)場監(jiān)測過程中無線數(shù)據(jù)傳輸由于遮擋、干擾等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號衰減嚴(yán)重的問題，本文采用ZigBee與LoRa相結(jié)合的方法，并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行模塊布設(shè)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和有效性。本文所采用的傳輸模式主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)這3種。采集節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)采集模塊、MCU、ZigBee模塊、存儲器、電源。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)包含LoRa模塊、MCU、ZigBee模塊、存儲器、電源。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)又稱協(xié)議轉(zhuǎn)換器，連接2個或更多個管理上相異的網(wǎng)絡(luò)/子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，主機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)（所傳送的信息被劃分為基本的數(shù)據(jù)單元再進(jìn)行傳送，這些基本的數(shù)據(jù)單元稱為數(shù)據(jù)報(bào)）將被傳送至服務(wù)器。其中，LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折中考慮方式，為用戶提供一種簡單且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。其在施工監(jiān)控應(yīng)用場景下，存在傳輸距離過近、衰減迅速的問題。

通過研究高效自組網(wǎng)算法和智能控制策略，使監(jiān)測節(jié)點(diǎn)形成良好的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗降低和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)量的自由增減。圍繞適用于建筑工程施工過程數(shù)字化監(jiān)測需求，開發(fā)具有自組網(wǎng)低功耗的智能監(jiān)測裝置，運(yùn)用了不同物理量監(jiān)測傳感器之間的數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)，滿足不同類型傳感器的快速組網(wǎng)要求。采用系統(tǒng)低功耗技術(shù)，低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種將硬件和軟件綜合為一體的技術(shù)，必須在使用低功耗芯片的同時(shí)，結(jié)合智能的控制策略和優(yōu)化組網(wǎng)算法，研究數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先和退避機(jī)制。當(dāng)多個傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，存在爭搶信道的現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)丟失。而通過節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先和退避機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流暢傳輸、避免丟失。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)模塊可通過自有網(wǎng)絡(luò)將各自的狀態(tài)傳輸至特定的服務(wù)器，支持實(shí)時(shí)查看，方便維護(hù)。具體匯總為：通過研發(fā)適用于施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用高效自組網(wǎng)絡(luò)，智能控制策略，設(shè)計(jì)良好的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；通過研發(fā)適用于多種傳感器數(shù)據(jù)的硬件模塊，根據(jù)特制的協(xié)議規(guī)則，使其對主流傳感器數(shù)據(jù)兼容并能夠穩(wěn)定傳輸；通過研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先和退避機(jī)制，避免多個傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測，使得節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至特定服務(wù)器，支持實(shí)時(shí)查看。

此外，運(yùn)用跳傳模塊結(jié)合信號路徑優(yōu)化機(jī)制提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性，以及采用多種技術(shù)協(xié)同工作的原理，對現(xiàn)有硬件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和開發(fā)，研發(fā)出了一套低功耗智能自組網(wǎng)應(yīng)力傳感器設(shè)備裝置，提高了應(yīng)力傳感器設(shè)備監(jiān)測頻率、使用壽命、數(shù)據(jù)精確度等，既提高了實(shí)際工程監(jiān)測的工作效率，又提升了結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測準(zhǔn)確性。自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備研發(fā)硬件如圖1所示。

圖1 自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備研發(fā)硬件實(shí)物

2 在既有建筑改造施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

上海市南京東路新康大樓歷史保護(hù)建筑于1916年—1921年期間建造完成，至今約有100年歷史，地處黃浦區(qū)江西中路與九江路交界處，最初由英籍建筑師事務(wù)所馬海洋行和英商新康洋行負(fù)責(zé)建筑設(shè)計(jì)和建造。新康大樓為鋼混框架多層建筑結(jié)構(gòu)，總建筑面積約10 400 m2，原建筑地上共9層結(jié)構(gòu)，無地下室。原先結(jié)構(gòu)形式以小跨度尺寸為主，已不能滿足現(xiàn)代實(shí)際辦公及商場功能需求，因此現(xiàn)建設(shè)單位對其進(jìn)行拆除、加固等改造施工。在保留現(xiàn)有歷史外墻的基礎(chǔ)上，采用鋼架整體保護(hù)外墻（型鋼桁架呈U形，尺寸為50 m×20 m×30 m，如圖2所示），以免在實(shí)際施工中對外墻結(jié)構(gòu)造成破壞，并拆除原先內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工，需完成地下5層及新建地上10層結(jié)構(gòu)?？紤]到周邊建筑環(huán)境較為復(fù)雜，樓與樓之間間距很小，且均為歷史保護(hù)建筑，以及施工過程中須開挖24 m深基坑等因素，故在實(shí)際不同施工階段過程中對保護(hù)外墻的鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測是非常重要的。本次在鋼桁架梁端及柱端設(shè)置了34支應(yīng)力計(jì)，并與新研發(fā)的低功耗智能自組網(wǎng)的應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備結(jié)合（圖3），實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力實(shí)時(shí)自動化監(jiān)測，為項(xiàng)目安全施工保駕護(hù)航。

圖2 采用型鋼桁架保護(hù)外墻

圖3 自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用

2.2 自動化應(yīng)力監(jiān)測

在新康大樓外墻保護(hù)工程中應(yīng)用自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，對鋼桁架結(jié)構(gòu)重要的梁端、柱底等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力自動化監(jiān)測，經(jīng)過為期半年的實(shí)際監(jiān)測與調(diào)試完善，采集頻率、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度、能耗時(shí)間等參數(shù)均達(dá)到了較好的狀態(tài)，目前監(jiān)測頻率設(shè)置為1次/min，與原先成熟的應(yīng)力監(jiān)測采集儀產(chǎn)品對比，數(shù)據(jù)誤差在1%以內(nèi)，無線自動化電池使用時(shí)間延長1～2倍，大大提高了監(jiān)測效率（圖4）。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力多測點(diǎn)同時(shí)顯示時(shí)程線

由圖4可知，在新康大樓一柱一樁施工階段過程中，各應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示正常，且與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、源清慧虹應(yīng)力采集模塊的誤差較小，應(yīng)力數(shù)據(jù)發(fā)展也較穩(wěn)定，設(shè)備使用時(shí)間長。經(jīng)過一定的濾波技術(shù)處理，由自組網(wǎng)低功耗應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)無線上傳至云平臺后，其數(shù)據(jù)能較清楚、直觀地反映出結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力變化情況，為集團(tuán)重大工程的建設(shè)安全保駕護(hù)航。

3 結(jié)語

采用ZigBee與LoRa相結(jié)合的方法，并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行模塊布設(shè)，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和有效性，解決了建筑施工現(xiàn)場監(jiān)測過程中無線數(shù)據(jù)傳輸由于遮擋、干擾等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號衰減嚴(yán)重的問題?；谧越M網(wǎng)、低功耗技術(shù)對現(xiàn)有應(yīng)力監(jiān)測采集模塊設(shè)備進(jìn)行了二次研發(fā)，通過修改通信網(wǎng)絡(luò)及無線傳感技術(shù)協(xié)議，運(yùn)用跳傳模塊結(jié)合信號路徑優(yōu)化機(jī)制提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性。該設(shè)備在實(shí)際工程重要結(jié)構(gòu)監(jiān)測中得到了大量的測試與應(yīng)用，應(yīng)用效果很好，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定、真實(shí)、可靠，設(shè)備使用壽命亦大幅度提高，彰顯了低功耗技術(shù)的優(yōu)勢，為無線自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了較好的供電優(yōu)勢。自組網(wǎng)技術(shù)和低功耗技術(shù)在目前通信技術(shù)領(lǐng)域廣受歡迎，且在無線監(jiān)測領(lǐng)域也得到了一定的推廣應(yīng)用。