基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑監(jiān)測系統(tǒng)研究

侯嚴嚴 邱秀榮

摘要：為減少因建筑坍塌而造成的損失，節(jié)約建筑維護成本，本文提出了一種新的解決方案，即把物聯(lián)網(wǎng)技術融入建筑中，對建筑進行實時的安全檢測。采用Midas Gen軟件對建筑進行建模，并對建筑的檢測內(nèi)容和監(jiān)測點進行設置，在監(jiān)測點布置相應的傳感器，并把這些傳感器通過Zigbee進行組網(wǎng)，完成對建筑物的實時監(jiān)控。結果表明通過本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)可以完成對建筑的實時監(jiān)控，確保建筑的安全。

關鍵詞：無線傳感；Zigbee；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0030-02

Abstract： In order to reduce the loss caused by building collapse and save the cost of building maintenance， this paper proposes a new solution， which integrates the Internet of Things technology into the building， and carries out real-time safety detection of the building. Midas Gen software is used to model the building， and the detection content and monitoring points of the building are set up. The corresponding sensors are arranged at the monitoring points. These sensors are networked through Zigbee to complete the real-time monitoring of the building. The results show that the monitoring system proposed in this paper can complete the real-time monitoring of the building and ensure the safety of the building.

Key words： wireless sensor； zigbee； real-time monitoring

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，人們對它的關注度愈來愈高，物聯(lián)網(wǎng)的概念也沒有完全統(tǒng)一。但是，必須包含以下幾點特征：①全面感知，確保采集的數(shù)據(jù)盡量全面；②可靠傳輸，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性；③智能處理，采用合適的計算方法進行數(shù)據(jù)處理，獲得有用的數(shù)據(jù)信息[1]。

智能建筑作為物聯(lián)網(wǎng)的主要應用之一被廣泛提出，它與以前的建筑相比，具有可遠程監(jiān)控、自動采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點。本文以河南中牟領頭雁建筑為例，運用有限元法對建筑的梁單元進行數(shù)據(jù)分析，選擇合適的節(jié)點安裝傳感器，最終實現(xiàn)對建筑的實時監(jiān)測，提高建筑的安全性。

2 基本架構

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的分層結構，本文的監(jiān)測系統(tǒng)也分成三個層次結構，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控模塊[2]。

數(shù)據(jù)采集模塊是利用多種傳感器進行對外界壓力、溫度和內(nèi)部結構損壞位移的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控模塊則是通過相關的數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，得出有可能損壞的建筑位置，并及時發(fā)出通知。其系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

3 模型建立

Midas Gen[3]是一款可用于建筑領域的建模軟件，可以對建筑結構的受力情況進行有限元分析。本系統(tǒng)就是使用此軟件來確定合適的監(jiān)測節(jié)點。河南·中牟“領頭雁”工程如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括建筑節(jié)點所受的壓力和建筑監(jiān)控節(jié)點損壞的位移程度。經(jīng)過對傳感器的綜合性能分析，篩選出壓阻式壓力傳感器[4]和光柵位移傳感器[5]進行數(shù)據(jù)的采集。

在進行節(jié)點選擇的時候，可以先對建筑的梁單元進行節(jié)點編號。因Zigbee[6]是一種短距離通信技術，所以在進行編號時，需要設置合適的間隔。本文中相鄰節(jié)點間的距離設置為10m，假設共有41個節(jié)點，如圖3所示。然后對每個節(jié)點沿X方向和Y方向的位移進行分析，結果如圖4所示。

從圖4（a）我們可以看出，節(jié)點在X方向上的位移隨著節(jié)點編號的增大而增加。節(jié)點1到節(jié)點20的位移變化不大，節(jié)點21到節(jié)點41的位移增長較快。結合圖3的節(jié)點編號，可以得出領頭雁建筑“雁頭”附近節(jié)點的位移較其他節(jié)點位移大。因此，“雁頭”附近節(jié)點可放置光柵位移傳感器；

從圖4（b）我們可以看出，節(jié)點在Y方向上的位移隨著節(jié)點編號的不同而一直在變化。節(jié)點1到節(jié)點25的位移變化較大，節(jié)點26到節(jié)點41的位移趨于穩(wěn)定。結合圖3的節(jié)點編號，可以得出領頭雁建筑“雁身”附近節(jié)點的位移較其他節(jié)點位移大。因此，“雁身”附近節(jié)點可放置壓阻式壓力傳感器；

從圖4（c）我們可以看出，節(jié)點在Z方向上的位移隨著節(jié)點編號的增大呈上升趨勢。節(jié)點1到節(jié)點20的位移變化緩慢，節(jié)點21到節(jié)點41的位移直線增長。結合圖3的節(jié)點編號，可以得出領頭雁建筑“雁頭”附近節(jié)點的位移較其他節(jié)點位移大。因此，“雁頭”附近節(jié)點可放置光柵位移傳感器；

從上述結果可選出相應的節(jié)點進行傳感器的放置。節(jié)點1到節(jié)點20放置壓阻式壓力傳感器，節(jié)點26到節(jié)點41放置光柵位移傳感器，節(jié)點21到節(jié)點25放置壓阻式壓力傳感器和光柵位移傳感器。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，此系統(tǒng)采用Zigbee無線傳輸方式對傳感器進行組網(wǎng)[7，8]，最終把數(shù)據(jù)傳輸給后臺軟件。

Zigbee技術是基于IEEE802.15.4的一種無線網(wǎng)絡技術，相對于其他網(wǎng)絡技術來說具有能量消耗較低、前期投入較小、節(jié)點間反應速度較快等優(yōu)點。

在建筑中，采用Zigbee樹型拓撲結構，自動將光柵位移傳感器、壓阻式壓力傳感器組織網(wǎng)絡，并有固定的通道編號以及PANID。傳感器作為終端節(jié)點將采集到的各種各樣的環(huán)境數(shù)據(jù)信息在很短的時延內(nèi)傳輸給路由節(jié)點，路由節(jié)點通過安全的路由算法最終將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調器，再由協(xié)調器發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。具體過程如圖5所示。

4 結論

本文主要對建筑的監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，通過有限元分析方法進行節(jié)點的選擇，并加入了物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術，實現(xiàn)了對建筑的實時監(jiān)測。有效地提高了建筑的安全性，具有較強的實用性和研究價值。

參考文獻：

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[3] 張煊銘，李新.物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測系統(tǒng)在鋼結構工程中的應用與研究[J].工程勘察，2018，46（08）：45-50.

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[8] 魯玉軍，劉振.ZigBee技術在智能家居系統(tǒng)中的應用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術， 2017， 7（4）：40-43.

[9] 劉曉雪.基于以太網(wǎng)的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端的研究[D].天津工業(yè)大學，2018.

【通聯(lián)編輯：梁書】