危房智能監測傳感系統研發

魏世玉，江君

(1.重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心；2. 重慶地質礦產研究院；3.重慶華地工程勘察設計院，重慶 400042)

危房智能監測傳感系統研發

魏世玉1,2,3，江君1,2,3

(1.重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心；2. 重慶地質礦產研究院；3.重慶華地工程勘察設計院，重慶 400042)

基于磁致伸縮位移傳感、傾角傳感以及無線通訊技術，研發無人值守式危房智能監測傳感系統，可同時觀測房屋裂縫寬度及結構整體傾斜變化，具有數據遠程發送、本地存儲、超限報警功能。選取重慶市奉節縣某危房進行應用示范，結果表明監測數據連續性較好，設備環境適應性較強；靈敏度較高、精度滿足工程實踐需求；通過遠程平臺對監測數據進行管理，實現了危房監測的遠程自動化。

智能；監測；裂縫；傾斜

目前，我國現存大批超過設計基準期的老舊房屋，全國大約 1/3的住宅安全儲備不足，奉節“樓裂裂”、富陽的“樓倒倒”等類似事件時有出現。為保障廣大住戶的生命財產安全，加強房屋住用安全監測與監管顯得尤為迫切。現有對建筑物進行狀態監測和安全評估的方法中，主要采用傳統的全站儀、水準儀、千分表等人工方法來觀察測量建筑物的變形、位移、沉降、傾斜等，受人為因素影響誤差較大。此外，還可以通過 GPS定位技術實現自動化的絕對位移觀測。

1 技術路線

危房智能監測傳感系統主要包含前端傳感、中層傳輸、頂層展示三部分，通過磁致伸縮位移傳感及傾角傳感技術研究，無線采發及通訊技術研究，監測軟件系統開發來實現，其技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

2 傳感技術研究

2.1 磁致伸縮位移傳感

基于磁致伸縮原理而設計的新型智能化位移傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確檢測活動磁環的絕對位置，實現測量被測體的實際位移值，具有高精度、有效傳遞距離遠、非接觸式、可靠性高且適應于惡劣環境等特點。磁致伸縮位移傳感器基本結構是由信號檢測系統、波導管、磁致伸縮波導絲以及內含磁鐵的浮子組成，在某些位移傳感器中，浮子用磁環代替。工作時，傳感頭中的脈沖發生器首先在磁致伸縮波導絲上施加一個電脈沖信號，根據電磁場理論，此電脈沖同時伴隨一個環型磁場以光速沿磁致伸縮波導絲向下傳遞。當該環形磁場遇到浮子中磁鐵產生的縱向磁場時，將與之進行矢量疊加，形成一個螺旋形的磁場。當磁致伸縮材料所處的磁場發生變化時，磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會跟著發生變化。因此當合成磁場發生變化形成螺旋形磁場時，磁致伸縮波導絲會產生伸縮變形，而沿螺旋形磁場的伸縮將導致波導絲產生扭曲形變，從而激發扭轉波。

2.2 傾角傳感

隨著 MEMS技術的發展，慣性傳感器件在近年來成為最成功，應用最廣泛的微機電系統器件之一，而 微加速度 計（micro-accelerometer）就 是慣性傳 感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應用，現在的 MEMS 加速度計有非常高的集成度，即傳感系統與接口線路集成在一個芯片上。傾角傳感器高度集成MCU、MEMS加速度計，模數轉換電路、通訊單元實現雙軸傾斜觀測。該傳感器特點是：硅微機械傳感器測量 (MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化，輸出角度以水準面為參考，基準面可被再次校準。數據方式輸出，接口形式包括 RS232、RS485和可定制等多種方式。抗外界電磁干擾能力強。

3 通訊技術研究

根據危房自動化監測特性，遠程通訊模組應具備安全性、可靠性以及低功耗特性，經過廣泛的市場調研，研究決定選用中移物聯網有限公司研發的 M6310物聯網專網通訊模組。M6310模塊，是一款工業級的兩頻段GSM/GPRS無線模塊，其工作頻段是：GSM900MHz和 DCS1800MHz，M6310提 供 GPRS數 傳，GSM 短信 業 務， 并 支 持 GPRS multi-slot class1~12（ 默 認 為class12）、GPRS編 碼 格 式 CS-1、CS-2、CS-3和CS-4。該模塊采用了低功耗技術，電流功耗在睡眠模式 DRX=5下，低至 1.3mA。

4 危房智能監測傳感設備集成

設備研發集成了磁致伸縮位移傳感、傾角傳感以及無線通訊技術，可實現無人值守式永久測量，如圖2所示。可同時測量雙軸傾斜、裂縫寬度變化；內置 GSM/GPRS無線網絡，機身具有 16M數據存儲 FLASH，實現監測數據本地存儲及定時無線發送功能；超低功耗設計，使用標準 7號電池供電連續工作 1年；內置 GPS，數據包中包含坐標信息；藍牙功能，結合手機 APP實現參數配置、歷史數據讀取。

圖2 危房監測專用傳感設備

5 數據分析與展示

基于監測數據解譯、監測成果分析與表達以及數據分析，編制監測設備遠程管理及監測數據分析軟件。

5.1 原始監測數據解譯

由于傳感器輸出數據為模擬信號或數字信號，所以數據接收端須具備監測數據解譯基本功能，項目通過對傳感器輸出數據格式進行研究，編制相應數據解譯模塊，最終得到直觀的十進制觀測數據。解析功能集成于現場采發端，主要是將光電信號解析為可識別的物理量，其基本思路如圖3所示。

圖3 數據解譯基本思路

5.2 監測成果分析及數據分析預測

監測數據為固有的時間序列，為反映真實的變形情況，研究監測數據粗差剔除、系統誤差改正以及偶然誤差平滑降噪的實用性方法，最終以觀測成果為數據源在時間域尺度上繪制變形過程線，運用數據分析方法預測變形趨勢，基于此可較直觀的反映監測數據的相關性，同時更有助于對變形模式和穩定性趨勢的判斷。通過數據分析法進行預測有兩種方法，包括多項式擬合和移動平均法，得到變化曲線。

6 應用實例

6.1 工程概況

重慶市奉節縣永安鎮某危房為框架結構，基礎形式為樁基礎，分三個單元，共有 10層，現有居民 90戶400余人，門面 4間，總建筑面積約 7400m2，變形區域長約 149m，寬約 56m，坡頂高程 297～ 299m，坡底高程214～ 221m，相對高差約 80m。房屋位于斜坡坡頂。變形特征主要表現為斜坡坡頂的地表變形與房屋開裂。自 2013年 11月以來，該住宅樓各樓層地面和墻體均出現不同程度的開裂，并導致防盜門無法關閉，嚴重影響了居民的正常生活，威脅到居民的生命和財產安全。選取位于臨空面法向方向的 LF01號墻體裂縫進行應用示范，將危房智能監測傳感設備主機安裝于墻體裂縫一側，將拉線環套在鉚釘上固定于裂縫另一側。數據采集周期為每3天一次。

6.2 監測數據結果與分析

經過 3個月的應用示范，得到 LF01號裂縫變形過程線如圖4所示，房屋傾斜過程線如圖5所示。由圖可知，LF01號裂縫在觀測期間，裂縫寬度呈現間斷性增大的趨勢，累計變化量最大達到 5.91mm。此外，房屋有向臨空面發生傾斜的趨勢，但變形較為緩慢，其絕對傾斜變化量為 19.43mm，傾角變化值為 6.97＂ ,目前二者均表現收斂趨勢。

圖4 LF01裂縫變形過程線

圖5 房屋傾斜過程線

7 結語

通過應用示范得出如下結論：（1）監測期間數據連續性較好，說明設備野外環境適應性較強，通訊功能較可靠。（2）位移觀測精度優于 0.2mm，房屋傾斜觀測精度優于 0.001°，滿足工程監測實踐的需求。（3）監測期間設備能捕捉到實際微變形情況，說明設備觀測靈敏度較好。（4）通過遠程平臺對監測數據進行管理，實現了監測的遠程自動化，同時說明軟件解算算法是可靠的。

[1] 江亦海 .既有房屋安全動態監測管理信息系統研究 [J].住宅科技 , 2015(1):41-43.

[2] 張永紅 .淺談城市危房的安全監測 [J].江西測繪 , 2013(2):45-46.

TP212.6

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：1671-0711（2017）07（下）-0198-02