基于單片機技術的超高層建筑傾斜監(jiān)測系統(tǒng)

賈俊偉 龔 威

(天津城市建設學院計算機與信息工程學院，天津 300384)

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)革命及人口的增長，加劇了城市化的進程，為了在有限的城區(qū)面積中提供更多的使用面積，建筑開始向更高的空間發(fā)展.經(jīng)濟的不斷增長及對效率的追求令現(xiàn)代化高層建筑越來越高在過去向上空發(fā)展被認為是代表“神”，而高塔則被認為是地標的象征，是超越日常生活的權力，高塔的垂直向上，是代表著一種精神的象征.而今像高空發(fā)展已經(jīng)演變?yōu)檎闻c經(jīng)濟的綜合行為，我們有許多理由相信，摩天大廈將是都市未來的基本要素，同時認為都市結構與現(xiàn)代高樓兩者密不可分.

“高層建筑”英語稱high－rise路或tall Building，最初出現(xiàn)的高層建筑被稱為“摩天樓”(skyscraper)，德語為“凌云廈”(Wolkenkratzer)，它們以不同的意味表達，接近高空含意.“摩天樓”一詞在沙利文(Louis Sullivan)于1896年的論述“高層辦公大樓的藝術考慮”(The Tall office Building Artistically Considered，)一文中有所注解，他的解答很簡單，“一幢很高的建筑物”，但仍有“相當大的自由度”，是“一種自豪而飛翔的東西”.早先的摩天樓其實并不高，究竟多少層以上或多高的建筑稱為高層建筑，世界各國基于本國的經(jīng)濟條件及消防裝備等具體情況，對高層建筑起始高度的定義并不一致.

1972年，國際高層會議在對高層建筑的定義上取得了較統(tǒng)一的認識，并把高層建筑分為4類:①9～16層(50 m以下);②17～25層(75 m以下);③26～40層(100 m以下);④40層以上(超過100 m).如近年美國著名結構工程師查爾斯·湯頓(Charles H.Thornton)認為:40層以下(500英尺或164米以下)為高層建筑(High－rise);40～100層(500～1 200英尺或164 m～393 m)為中高層建筑(Tall Building);100層以上(1 200英尺或393 m以上)為超高層建筑(Super Tall Building).

1995年，我國修訂了原有的《高層民用建筑防火規(guī)范》(GBJ45－82)，新的《高規(guī)》(GB50045－95)仍然規(guī)定10層及10層以上的居住建筑及高度超過24m的公共建筑為高層建筑，但刪除了原有防火規(guī)范不適用于100 m以上的高層建筑的規(guī)定，新增加了“當高層建筑高度超過250 m時，建筑設計采取的特殊防火措施，應提交國家消防主管部門組織專題研究、論證”的內容.我國第一幢超過100 m的高層建筑是1976年建造的廣州白云賓館，33層，高108 m，之后除了1983年的南京金陵飯店高109 m以外，直到1985年才有一幢真正高度意義上的超高層建筑——深圳的國貿中心大廈，50層，高160 m.目前，我們一般仍習慣于將100 m以上的高層建筑稱為超高層建筑.但由于防火能力的提高，顯然100 m早已不是限制我國高層建筑發(fā)展的高度界限了.

今天，超過100 m的建筑數(shù)不勝數(shù)，建筑物不論從結構還是設備施工上均無明顯化.對于超高層建筑高度的界定，不能簡單按新《高規(guī)》所提到的250 m為界.從高層建筑的技術構成上分析，隨著建筑高度的持續(xù)增加，同時結合房屋的具體形狀，其設計概念將面臨嚴峻的考驗.

超高層建筑主要受以下因素影響:風對建筑物變形及晃動的影響;地質運動;土質的松動;建筑物本身結構問題，材料受雨水等腐蝕產(chǎn)生變形、傾斜.當然，高層及超高層建筑物的晃動也是隨之而來的一個不可避免的話題，這種晃動在某種程度上極大地影響建筑物本身的使用壽命及安全.

在某一超高層建筑上可以架設4臺同樣的裝置，這樣在這一地區(qū)的高層建筑物上都安放這樣的裝置，并分別進行編號.這樣，不僅可以對此建筑群進行系統(tǒng)性分析，而且可以對這一地區(qū)的地質運動，風力風向等自然規(guī)律進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析出運動模型，對今后的建筑業(yè)的發(fā)展也有一個規(guī)劃參考價值.

1 系統(tǒng)組成框圖

本裝置可用于檢測建筑物的傾斜度，當建筑物傾斜度達到其設定值時，發(fā)出報警.同時利用液晶實時顯示當前的狀態(tài)，包括時間，達到某個傾角的次數(shù)，風速風向以及溫濕度等信息，并存儲記錄下來.監(jiān)控中心通過上位機實時監(jiān)控超高層建筑的傾斜情況.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

超高層建筑物傾斜檢測裝置還具有地震預警的效果，一旦發(fā)生大晃動(設定出類似于地震爆發(fā)的模型，數(shù)據(jù)模擬的方式)，則發(fā)出特殊的報警鈴聲，提醒人們及時作出防備工作，為人們爭取寶貴的時間，逃離高層建筑，盡量減少人員傷亡和財產(chǎn)保護.

數(shù)據(jù)采集正常是半年或者是一個季度采集一次，便于統(tǒng)計，預測建筑物的使用年限，及時修整采取補救措施等等，提供建設性意見供參考.

于是本文創(chuàng)新性地引入幾個影響建筑物傾斜的因素，加以檢測，依據(jù)國家及國際的一些標準規(guī)范，進行早期預警，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為維護建筑物，預測使用年限提供具體的數(shù)據(jù)依據(jù)，提供參考性意見.相信像比薩斜塔這樣的建筑悲劇就不會重演了.系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

2 硬件部分設計

HT46RU232作為微控制器，主要與傳感器，液晶顯示以及上位機進行通信［2］.

(1)CPU.盛群單片機HT46RU232，是8位高性能精簡指令單片機，專門為需要A/D轉換產(chǎn)品而設計，例如傳感器信號輸入.HT46RU232是低功耗、低成本、高性能的八位單片機，最多可有40個雙向輸入/輸出口，方便多個外圍芯片與其通信.內置晶體和RC振蕩電路，和為系統(tǒng)提供時鐘.一個8位和2個16位可編程定時/計數(shù)器，4096*16程序存儲器ROM，192*8數(shù)據(jù)存儲器RAM［3］;

(2)風速、風向檢測.符合氣象標準的大風車，速度傳感器(可以使用光柵傳感器，霍爾元件等);符合氣象標準的風向標，利用A/D轉換得出縱向和橫向的值，分析出坐標風向指示;

圖2 WQ 36－10輸出曲線圖

(3)傾角檢測.高精度傾角傳感器WQ 36－10(2個，分別為橫向和縱向)，精度達到0.01°.該傳感器采用高性能磁敏感元件，利用重力擺結構，可無電接觸點的測量傾斜角度.具有體積小、靈敏度高、精度高、壽命長、抗振動、耐環(huán)境污染(耐水，油和各種惡劣環(huán)境)，特別適合用于運動頻繁場合的水平姿態(tài)角度的測控和平面定位等工作場合.本傳感器正向垂直安裝，標簽的指示箭頭垂直指向地心時，為輸出電中點，電壓值為1/2 Vin(如5 V時2.5 V).可以在外部壓環(huán)緊固前，轉動

傳感器，微調起始角度位置，然后再將壓環(huán)上緊.傳感器按逆時針方向轉動，輸出電壓增大，輸出信號約0.5 V～4.5 V.WQ 36－10輸出曲線圖如圖2所示.角度傳感器的工作電壓為直流5 V，與單片機連接時須通過DC/DC電壓轉換;

(4)溫度、濕度檢測.溫度傳感器DS 18 B 20和濕度傳感器.DSl 820數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度.特性:獨特的單線接口，只需1個接口引腳即可通信多點(multidrop)能力使分布式溫度檢測應用得以簡化，不需要外部元件;可用數(shù)據(jù)線供電;不需備份電源;測量范圍從－55℃ ～+125℃，增量值為0.5℃.以9位數(shù)字值方式讀出溫度;在1s(典型值)內把溫度變換為數(shù)字;用戶可定義的非易失性的溫度告警設置;告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度告警情況);

(5)數(shù)據(jù)采集.通過上位機存儲采集數(shù)據(jù)，便于管理、統(tǒng)計，繪制建筑物的晃動曲線圖與受力曲線，根據(jù)當?shù)貙嵡?風力，溫度，濕度，風向，雨水情況等)，提出參考性意見.這種數(shù)據(jù)約半年或者一個季度采集一次，由微型打印機輸出固定標準式數(shù)據(jù)形式，便于攜帶和管理.同時，消除存儲器以前的記錄，讓出足夠的空間存儲以后的數(shù)據(jù).上位機有大量的存儲空間，存儲設定值傾角的次數(shù)統(tǒng)計量以及時間(注:一般設定值不顯示1°的情況，同時也不進行存儲，微小的晃動屬于國家標準的，也是為了減少數(shù)據(jù)的存儲量，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大，無法存儲有用信息的情況發(fā)生);

(6)顯示輸出.大液晶顯示240*128(包括當前的溫濕度，橫縱向傾角，達到設定值如2°，3°，4°，5°的次數(shù)，風向風速，裝置編號等信息)［4］;

(7)報警設置.①超過某傾角(例如國家標準中建筑物最大承受傾角JGJ 3－2002工程建設標準－工程建設行業(yè)標準－建筑工程，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程)3次報警，有可能由于風力晃動，溫濕度影響建筑物的結構提出撤離提示;②瞬間晃動大于一定傾角(類似于地震前的震蕩波)，即使出現(xiàn)一次也需報警，提出地震預警.當然也可能出現(xiàn)人為作用(無意間碰到或者撞到)，提醒維護人員前去查看，檢修.

3 系統(tǒng)軟件部分設計

本系統(tǒng)軟件部分主要采用.NET開發(fā)平臺，采用C語言設計［5］，軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化、觸發(fā)蜂鳴器設計以及讀入串口信息設計.計算機程序界面如圖3所示;裝置正常運行流程如圖4所示;人工采集數(shù)據(jù)流程如圖5所示.

裝置正常運行時:裝置處于運行狀態(tài)，不斷檢測當前風速，風向，溫濕度，傾斜角度(橫向，縱向)，這些量都是進過A/D轉換得到的.時鐘正常運行，并記錄存儲下當前到達某一設定傾角值的次數(shù).一旦某一時刻超出建筑物的最大承受傾斜角度，或者是達到某一設定傾斜角超過一定次數(shù)，則發(fā)出報警提示，并記錄存儲當前時間及傾角值等一系列狀態(tài).

圖3 計算機程序界面

圖4 裝置正常運行流程

圖5 人工采集數(shù)據(jù)流程

4 結論

本文引入了幾個影響建筑物傾斜的因素，加以檢測，并達到監(jiān)控中心的實時監(jiān)測.依據(jù)國家及國際的相關標準規(guī)范，例如GB50009－2001(2006年版)工程建設標準－工程建設國家標準，JGJ8－2007工程建設標準－工程建設行業(yè)標準－建筑工程，建筑結構荷載規(guī)范(GB50009－2001)等，對建筑物進行早期預警，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預測使用年限提供具體的數(shù)據(jù)依據(jù).

當然，這種檢測裝置不僅可以應用在建筑物上，還可以裝置在電視塔、無線電發(fā)射基站上等，應用前景十分廣闊.

［1］李學海.PIC單片機實用教程基礎篇［M］.北京:北京航空航大學出版社，2002:46－51.

［2］沈紅衛(wèi).單片機應用系統(tǒng)設計實例與分析［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003:65－87.

［3］張 鵬，石 鑫，應 俊.HOLTEK HT46系列單片機C語言實例教程［M］.北京:北京郵電大學出版社，2010:33－45.

［4］樊俊霞，李新娥.基于單片機的熱敏阻溫度計的設計［J］.科技信息，2011(18):84.

［5］石利情，姚永濤.關于高層建筑沉降及傾斜監(jiān)測［J］.科技創(chuàng)新導報，2012(18):30－31.