基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

侯絢昕

（湖南省兒童醫(yī)院基建工程部 湖南省長沙市 410007）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進，如今我國各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在日趨完善，但由于歷史遺留等因素的影響，如今各地區(qū)仍然存在諸多老舊建筑，該些建筑因本身質(zhì)量以及環(huán)境因素的影響，很多都存在一定的安全隱患，并且隨著時間的不斷推移，該些建筑物的安全性和穩(wěn)定性也在持續(xù)下降。在此情況下，為避免發(fā)生建筑物坍塌、垮塌等安全事故，應(yīng)對各類建筑物進行監(jiān)測預(yù)警，確保建筑物安全問題能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理。因此，對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物檢測預(yù)警系統(tǒng)進行研究分析，將有著一定現(xiàn)實意義。

1 建筑物安全監(jiān)測要素

建筑物在長時間使用后將會出現(xiàn)老化、地基振動等情況，促使建筑物整體穩(wěn)定性、安全性均出現(xiàn)持續(xù)下降。基于建筑物安全影響因素，確定建筑物安全監(jiān)測應(yīng)從位移、傾斜、裂縫等三大要素進行，具體內(nèi)容如下。

（1）位移。建筑物在使用過程中所涉及到的位移量主要包括有水平位移和垂直位移兩種，在兩種位移的影響下，建筑物將可能會出現(xiàn)地基下沉、地基滑動、建筑物坍塌、垮塌等情況。

（2）傾斜。建筑物的傾斜角度將會決定建筑的整體受力均衡狀態(tài)。若是建筑物發(fā)生傾斜情況，那么其整體受力將會變?yōu)榉蔷鉅顟B(tài)，建筑物的局部應(yīng)力將會持續(xù)變大，當局部應(yīng)力大于建筑物整體結(jié)構(gòu)所能夠承受極限的時候，建筑物便會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂等問題。

（3）裂縫。結(jié)合實際情況來看，建筑物的裂縫問題主要由建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降、外界溫度變化幅度過大以及內(nèi)部應(yīng)力偏大等因素導(dǎo)致。其中溫度變化幅度過大將會導(dǎo)致建筑物材料表面和內(nèi)部收縮程度出現(xiàn)明顯差異，當收縮壓力超過建筑物材料所能夠承受的極限時，建筑物便會出現(xiàn)裂縫情況；內(nèi)部應(yīng)力偏大則會影響建筑物整體結(jié)構(gòu)性能，其也可能會導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫問題。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文所設(shè)計的建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機技術(shù)，整體系統(tǒng)主要有傳感器子系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、終端子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)組成。其中傳感器子系統(tǒng)主要負責(zé)探測和收集建筑物及其周邊環(huán)境各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，并將收集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過初步處理后發(fā)送給無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要負責(zé)數(shù)據(jù)的接收、傳遞、系統(tǒng)各設(shè)備模塊之間的無線連接，是保障系統(tǒng)整體性，實現(xiàn)各模塊之間數(shù)據(jù)交互的重要橋梁；終端子系統(tǒng)主要由PC 機組成，其將會作為建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的人機交互界面，操作人員不僅可以通過終端子系統(tǒng)對建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行實時控制，還可以在界面中實時查看各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時終端子系統(tǒng)也負責(zé)提供預(yù)警、風(fēng)險警告等功能。

3 傳感器子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳感器子系統(tǒng)總體架構(gòu)

建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的傳感器子系統(tǒng)主要負責(zé)對建筑物以及周邊環(huán)境各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行收集和處理，相關(guān)數(shù)據(jù)主要可以分為環(huán)境信息和建筑物信息兩大類，其中環(huán)境信息又分為溫濕度信息、風(fēng)速風(fēng)向信息、光照強度信息等；建筑物信息則可以分為應(yīng)力變化信息、振動加速度信息、傾斜程度信息以及裂縫情況信息等。基于上述要求，本文設(shè)計如圖1 所示的傳感器子系統(tǒng)硬件構(gòu)成架構(gòu)。

圖1：傳感器子系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成

3.2 傳感器設(shè)備選擇

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)備選擇

（1）溫濕度傳感器。溫濕度傳感器將會采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器具備電阻式濕度傳感元件和VTC 測溫元件，可以在實際應(yīng)用過程中對周邊環(huán)境溫度和濕度進行實時監(jiān)測[1]。

（2）風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)速風(fēng)向傳感器將會采用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器。此傳感器作為一款數(shù)字式傳感器，其具備數(shù)字化檢測功能，內(nèi)設(shè)有超聲波風(fēng)速、風(fēng)險傳感器，可以實現(xiàn)周邊元件風(fēng)速風(fēng)向的快速檢測效果。

（3）光照強度傳感器。光照強度傳感器將會采用BH1750 傳感器。此傳感器內(nèi)置有16 位模式轉(zhuǎn)換器芯片和16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，實際工作電壓為3.3V[2]。

3.2.2 建筑物監(jiān)測傳感器設(shè)備選擇

（1）結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測將會采用振弦式應(yīng)變計。此傳感器在應(yīng)用過程中可以通過弦振動頻率與弦的張力之間的變化關(guān)系來測量應(yīng)變計所處點的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)。

（2）結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測。結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測將會選用低頻ICP 加速度計[3]。此傳感器主要用于大體積、轉(zhuǎn)動速度慢的物體加速度檢測，在設(shè)計中，此傳感器將會用于建筑物地基和地板振動情況的實時監(jiān)測。

圖2：無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3：各傳感器節(jié)點獲取的位移數(shù)據(jù)情況圖

（3）結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測。結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測將會采用光纖光柵傳感器。此傳感器具有測量精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離長、可操作性強，整體耐用性高等特點，可以實現(xiàn)對建筑物主體結(jié)構(gòu)傾斜程度的實時在線監(jiān)測效果。

（4）建筑裂縫監(jiān)測。建筑物裂縫監(jiān)測將會采用裂縫傳感器。此傳感器將會設(shè)置在建筑物易發(fā)生沉降縫區(qū)域，并通過橫向監(jiān)測和豎向監(jiān)測結(jié)合的方式實現(xiàn)對建筑物裂縫發(fā)育情況的實時監(jiān)測。

3.3 控制器選擇

傳感器子系統(tǒng)的控制器將會選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6型微處理器。該處理器是32 位處理器，內(nèi)置有ARM 公司的Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核，促使微處理器具有高性能、低功耗、低運行成本等優(yōu)勢。因而在對市面上諸多微處理器進行綜合分析研究后，最終選用此微處理器。

4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)設(shè)計

在建筑物檢測預(yù)警系統(tǒng)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要發(fā)揮著連接各設(shè)備模塊，實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的作用。傳感器數(shù)據(jù)將會經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進行信號調(diào)理、放大以及A/D 轉(zhuǎn)化等一系列處理環(huán)境后，再由無線收發(fā)單元發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)由以太網(wǎng)絡(luò)傳遞給任務(wù)協(xié)調(diào)服務(wù)器，最后再由RS485 總線傳輸給上位機（PC機）進行數(shù)據(jù)處理、管理及顯示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示。

5 上位機軟件設(shè)計

建筑物檢測預(yù)警系統(tǒng)的上位機主要由PC 機構(gòu)成，其在系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計和顯示等功能。不過想要達成相應(yīng)的功能內(nèi)容，還需要結(jié)合系統(tǒng)需求進行軟件設(shè)計。在軟件設(shè)計過程中選用了LabVIEW 圖形化編程語言來完成軟件系統(tǒng)核心操作平臺的搭建。其次，軟件不僅包括有環(huán)境監(jiān)測以及建筑物檢測等數(shù)據(jù)信息顯示情況，還有具備預(yù)設(shè)參數(shù)設(shè)置、傳感器狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自動預(yù)警等諸多功能內(nèi)容，可以滿足本系統(tǒng)檢測的實際需求。最后，建筑物檢測預(yù)警系統(tǒng)中引入了MidasGen 軟件[4]，可以基于各類傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合建筑物的實際形成構(gòu)建建筑物數(shù)據(jù)變化模型，以此來對建筑物進行有限元分析，促使實時監(jiān)測結(jié)果更加直觀立體。

6 系統(tǒng)功能檢驗

6.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

以某建筑為研究對象，結(jié)合建筑物實際情況合理選擇各傳感器設(shè)備監(jiān)測節(jié)點，并為各傳感器監(jiān)測節(jié)點進行編號，以此來對建筑物進行整體全面檢測。在綜合考慮后，確定傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的距離控制在10m 左右[5]，總節(jié)點數(shù)量將會確定為41 個，獲取到圖3 中的數(shù)據(jù)結(jié)果。

由圖3（a）可知，隨著傳感器節(jié)點編號的持續(xù)增加，傳感器所收集到的建筑物位移變化量也在持續(xù)加快，因此，在后續(xù)建筑物監(jiān)測過程中，應(yīng)在位移量變化最明顯的幾個區(qū)域設(shè)置有光纖光柵傳感器來對其位移量進行進一步監(jiān)測。

由圖3（b）可知，隨著傳感器節(jié)點編號的持續(xù)增加，Y 方向的位移數(shù)據(jù)變化卻在持續(xù)減小，由此可見，29 以前的節(jié)點區(qū)域均存在較為嚴重的位移變化情況，應(yīng)適當安裝振弦式傳感器進行進一步監(jiān)測。

由圖3（c）可知，隨著傳感器節(jié)點編號的持續(xù)增加，Z 方向上的位移數(shù)據(jù)變化也在持續(xù)加大，相對于來說，在15 以前的傳感器節(jié)點變化相對較好，但在15 以后編號的傳感器節(jié)點所收集的Z 方向上的位移數(shù)據(jù)卻在持續(xù)增加。

綜合分析可知領(lǐng)頭建筑物的位移量更加明顯，因此需要在該建筑物處合理設(shè)置光纖光柵傳感器。具體來說就是在1-20 點處設(shè)置有振弦式傳感器；在21-25 點和26-41 點處設(shè)置有光纖光柵傳感器，其中21-25 點處還需要加設(shè)有振弦式傳感器，以此來實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的全面收集。

7 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，如今社會對于建筑安全性的要求也在不斷提升。在此背景下，本文設(shè)計出一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物檢測預(yù)警系統(tǒng)，并以某建筑物為研究對象，對該系統(tǒng)進行了檢驗分析，合理優(yōu)化的建筑物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的具體安裝方案，在后續(xù)監(jiān)測過程中確定此系統(tǒng)具有較強的可操作性，可以在實際建筑物監(jiān)測預(yù)警過程中進行普及應(yīng)用。