基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統研究

李澤，張晨，郝萬君，朱俊明，孫強

（蘇州科技大學電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009）

基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統研究

李澤，張晨，郝萬君，朱俊明，孫強

（蘇州科技大學電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009）

一種基于Zigbee技術和電阻應變片的建筑健康狀況系統，該系統可用于高層建筑，避免了傳統有線檢測帶來的弊端。系統采用的Zigbee無線通信技術，硬件選用的是CC2530，將采集到的數據進行分析后利用GPRS技術傳輸到遠程數據檢測中心，實現了對高層建筑的實時監控。

Zigbee；CC2530；GPRS；高層建筑；建筑健康

近年來隨著建筑倒塌事故的頻繁發生，人們開始著力于研究事故原因，其中建筑的結構問題是最主要的原因之一[1-2]。而建筑的結構勘探一直是工程中施工人員的技術難題之一，光靠人力巡查和定期檢修似乎已經不能滿足對建筑物健康狀況的全面實時檢測。尤其隨著高層建筑日益增多，檢測工作則顯得更加困難。

文章主要針對高層智能建筑的結構問題進行研究，提出一種智能檢測建筑結構健康情況的方法，給出檢測的主要解決方案，通過本方案的實施，可以很好解決以往建筑結構人工檢測的工作強度大等難題。系統主要采用多個小型傳感器，將其連接到電腦終端，實現操作人員在終端可以實時“看”到建筑物的受力和受傷情況的功能。

1 基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統功能分析及系統設計

Zigbee是一種典型的無線傳感網絡，目前針對大棚等工業農業環境使用非常廣泛[3-5]，在該系統中，主要采用Zigbee作為網絡構架，實現對于高層建筑的健康狀況檢測。對于高層建筑健康狀況的檢測系統一般應該具有以下功能：（1）對建筑結構進行實時檢測；（2）由檢測結果判斷損傷位置和程度；（3）根據結果評估建筑物運營狀況；（4）提高對突發狀況的反應速度，減少損失。

圖1為高層建筑健康檢測系統總體設計框圖。

圖1 高層建筑健康檢測系統總體設計框圖

設計基于Zigbee的高層建筑健康檢測系統基本包括下列幾模塊。

（1）信號輸入檢測模塊。通過傳感器等感知元件完成各種檢測信號的拾取和轉換，是信息采集的關鍵環節。

系統中主要使用電阻應變片檢測建筑物的形變情況，通過電阻應變片在外力作用下產生機械形變，再由應變引起電阻變化，即電阻應變效應，檢測建筑物形變量。

應變片由于其原材料不同對于壓力的感知效果不同，其材料靈敏度系數關系如式1。

電阻應變片的靈敏度系數的影響因素是縱向與橫向的形變，主要是縱向的相對變化影響更大。建筑物可能發生的情況為出現裂縫及彎曲，通過測量一定區域的電壓進行判斷，那么電壓超出允許范圍發出報警，完成簡易的監測作用。

（2）數據采集模塊。模塊是通過硬件和軟件對傳感器輸出的信號進行數據的采集、傳輸和存儲；圖2為系統中采集傳輸裝置的硬件組成圖。

（3）數據處理和分析模塊。系統采用89C51單片機對各種收集的信號進行處理與分析。主要完成信號判別和信號輸出功能。針對式1，這個過程基本是運用相應的編制好的軟件程序來完成，具體程序流程圖如圖3。

（4）監控中心模塊。通過傳來的數據來斷定結構的損傷部位和損傷程度，及時發現其異常；圖3流程圖為數據處理和分析模塊工作流程。

（5）數據管理模塊。是將各種數據以及分析結果進行存儲的系統，并對結構進行實時觀察，出現異常時進行報警，從而提高管理水平。圖4為采集傳輸總系統。

圖2 采集傳輸裝置的硬件組成

圖3 數據處理和分析模塊工作流程圖

圖4 采集傳輸總系統

2 基于Zigbee高層建筑健康狀況系統仿真

無線傳感器網絡生成總體要經過如下步驟:

（1）將傳感器節點放置在指定位置上，就可省去定位系統，本系統采用6結點結構，分布于高層建筑的第2、4、6、8、10、12層，不布線，通過Zigbee網絡進行信息的傳導；（2）傳感器節點進入到自檢啟動的喚醒狀態，每個傳感器節點會發出信號監控并記錄周圍傳感器節點的工作情況，同時傳感器節點也要發送信息給中心控制站（基站），來通知基站自己的工作狀態；（3）這些傳感器節點會根據監控到的周圍傳感器節點的情況，采用一定的組網算法，從而形成按一定規律結合成的網絡；（4）組成網絡的傳感器節點根據一定的路由算法選擇合適的路徑進行數據通訊，完成數據采集、處理和發送。網絡生成電路測量仿真圖如圖5所示。

3 結語

文章設計了一種基于Zigbee的高層建筑健康度的檢測系統。主要考慮到Zigbee可以自由組網，不產生費用，且幾十到幾百的傳輸距離足夠使用，技術成熟。系統主要關注于建筑物所觀測區域的形變問題，如曲折、裂縫等，通過信息采集和無線傳輸將數據傳送到上位機。尤其適用于建筑層數變高使得建筑物內部布線不便的情況，無線傳輸技術的引入較好解決了這樣的問題。該系統原理簡單、操作便利、實時性強、系統穩定，具有較好的市場前景，團隊也將進一步跟進技術更新，將系統更加完善。

圖5 電路測量仿真圖

[1]李澤，郝萬君，高涵文.含有分布時滯的T-S模糊系統的時滯依賴法魯棒H∞濾波[J].蘇州科技學院學報（工程技術版），2014，27（3）：60-67.

[2]郝萬君，喬焰輝，李澤，許洪華，馬潔明，基于模糊模型的一類不確定非線性系統協調優化控制[J].蘇州科技學院學報（自然科學版），2015，32（4）：40-45.

[3]沈曙明，馬亮，袁海龍，孫新岸，沈衛康.基于Zigbee鍋爐溫度檢測系統的應用設計[J].應用科技，2010（5）：163-173.

[4]王良，馬克軍.基于Zigbee技術糧倉環境檢測系統的設計[J].信息通信，2012（5）：60-61.

[5]徐澤清.Zigbee無線網絡在館藏圖書溫濕度監控系統中的應用[J].黑龍江工程學院學報（自然科學版），2011，25（4）：67-71.

The research on the health status system of high buildings based on Zigbee

LI Ze,ZHANG Chen,HAO Wanjun,ZHU Junming,SUN Qiang
（School of Electronic and Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The paper presents a system for testing the health condition of buildings based on the Zigbee technology and resistance strain gages,which can be used in the testing of the high-rise buildings and avoid the demerits of the traditional testing with wires.In the system,the Zigbee wireless communication technology and the hardware of CC2530 are employed to the device.After the data collected are analyzed,the data will be transmitted to the distant data testing center via GPRS,which completes the real-time observations on high-rise buildings.

Zigbee;CC2530;GPRS;high-rise buildings;health condition of structures

TN925

A

1672-0679（2016）04-0078-03

（責任編輯：盧文君）

2015-04-16

李澤（1983-），女，山西太原人，講師，從事模糊系統、魯棒控制濾波等研究。