樓體傾斜監測系統的設計及其在安全播出中的應用

劉 軍 蘇新凌 湯詩陽

（作者單位：廣西廣播電視臺）

樓體傾斜監測一般都是在建筑行業內使用，為什么和安全播出有關系呢？這是因為廣播電視臺的重要播出機房，比如配電機房、總控機房、直播室等在特殊的周邊建筑環境中也需要密切監測建筑安全。目前對建筑傾斜、開裂等問題的安全檢測是建筑技術人員定期上門或是發生目測傾斜后進行現場檢測，及時性不足。隨著傳感器技術的發展，現在已經有了較為精確的傾斜傳感器。為了及時發現隱患、保障房屋安全，臺站工作人員應用傾斜傳感器，結合單片機技術、網絡技術等，根據實際情況開發樓體傾斜實時監測系統，把定期上門檢測變成實時監測，提高發現隱患的準確性和及時性。

1 樓體傾斜監測系統開發背景

廣西廣播電視臺于2016年底開始在臺原址上建設技術業務綜合大樓。總控機房和直播室全部臨時搬遷到另一幢三層小樓內，這幢小樓成了臨時直播樓。原址保留了配電樓，其中包括高低壓配電房、發電機房與不間斷電源（Uninterruptible Power Supply, UPS）機房。這些都是安全播出技術保障方面的重點場所。而因為建筑的現實情況，臨時直播樓與外單位一幢新大樓工地毗鄰，工地的地基基坑緊鄰臨時直播樓，距離兩者之間的圍墻每側均不足3 m。而配電樓距離新大樓地基基坑更近，每當打樁鉆地的時候，配電樓的工作人員能夠明顯感覺到震動。

因此，監測施工對這些重要建筑體的影響是一項至關重要的工作，樓體的安全成了安全播出的前提，特別是在重特大安全播出保障期，任何一點或一個環節都顯得十分重要。建筑檢測單位雖然能夠提供專業的現場檢測，但是受制于時間，只能定期或是出現明顯可見的問題時進行檢測。市場上又沒有這類成套實時監測裝置。基于對安全播出的保障要求，我們依據建設行業標準《危險房屋鑒定標準》（JGJ125-2016）及《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）自行設計研發樓體傾斜實時監測系統，用于對樓體實現自我監測、實時、多點監測。

2 系統結構設計和功能

系統設計思路是通過對臨時直播樓、配電樓面向近距離工地基坑面的樓體里面傾斜度進行監測。監測的傳感器是高精度的傾斜感應器。感應器校準初始值后，如果比較初始值發生變化，變量就會換算成角度值進行顯示或是對比報警[1]。系統結構（見圖1）由多個感應終端、監測控制報警器、桌面監控頁面組成，依靠電平傳輸和網絡數據傳輸進行聯系。

圖1 系統結構圖

運行時，感應終端每8秒進行一次自檢并發送監測值，監測控制報警器收到監測電平值后，經過模擬數字轉換器（analog to digital converter, A/D）轉換、計算、比較，然后對角度進行顯示或報警，同時把數據以IP協議發給服務器，服務器進行存儲、統計，局域網內的監控計算機能夠通過Web頁面看到監控情況。系統功能實現了實時、多點監測，通過兩種方式顯示和報警，方便直觀，較好地實現了設計目標。

3 關鍵技術

3.1 SCA60C-N1000060傾斜感應器

本系統的最前端設備為V T I 公司S C A 6 0 CN1000060傾斜感應器。該感應器由一單軸角度傳感器和外部電路組成，感應精度達到0.1°，原理是三層硅片構成立體結構，當傾斜發生時中間的質量片產生位移從而使兩側電容發生變化，由于感應器輸出的是模擬電壓0.5~4.5 V，需要在獲取后用AD采樣芯片進行處理。

3.2 傾斜監測控制報警器

結合前端傾斜感應器的使用，工作人員設計開發了傾斜監測報警器（見圖2）作為各個終端監測數據回傳處理單元。傾斜監測報警器作為實時數據顯示終端，集合了數據實時更新、傾斜監控狀態報警、前端設備匯聚等強大功能。

圖2 傾斜監測報警器

3.2.1 傾斜監測感應器輸出值的計算

根據對傳感器的實際測試，傾斜角度為0°時監測傳感器輸出的電壓值為0.5 V，傾斜180°時其電壓值是4.5 V。由此可以看出，傾斜角度不同，傳感器輸出電壓值不同。根據電壓值線性變化可得出電壓值對應傾斜角計算公式，每傾斜0.1°輸出電壓的變化值是（4.5-0.5）/180×0.1=0.002 2 V[2]。

因此傾斜角度對應電壓公式為：

式（1）中，X為傾斜角度，Y為輸出電壓。

3.2.2 硬件電路搭建和數據轉換處理

根據該角度傳感器的特點，設計思路是用模數轉換電路把角度傳感器輸出的表示傾斜角度的電壓值轉換成二進制數，用單片機讀取該數值，再與基準值比較（基準值是指安裝好后角度傳感器輸出的電壓值轉換成的二進制數值），計算出傾斜的角度[3]。把該角度值通過網卡發到服務器，就可在電腦上查看。當傾斜角度達到預警值時使用LED、蜂鳴器報警。為此選擇以下幾種器件來設計電路：

第一，由于監測點較多，因此選用了有多路輸入的模數轉換芯片TLC2543。該芯片有20個引腳，是12位串行模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。TLC2543芯片有11個模擬輸入通道，它是12位分辨率的A/D轉換器，正常10 μs完成1路模擬輸入通道的轉換，有可編程輸出數據長度，選擇12位的數據長度，當其14腳的A/D轉換基準電壓取1.8 V時，精度可達0.02°來滿足檢測要求，最大檢測傾斜角度為（1.8-0.5）/0.022=59°。另外角度傳感器的數據傳輸方式是串行外設接口（Serial Peripheral interface,SPI）方式，易與單片機相連且讀取數據時控制指令較少，效率高。

第二，選用STC15F2K32S2做主控中央處理器（Central Processing Unit, CPU），它具有速度快、外圍電路簡單、不需要晶振和復位電路等優點。

3.2.3 房屋傾斜標準

根據現行建筑業《危險房屋鑒定標準》（JGJ125-2016）及《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）標準中有關房屋傾斜率大于1%為危房的規定，根據樓高計算得出傾斜度接近1°。因此，在控制器內部設置報警閾值為1°[4]，并設置了避免信號干擾或其他因素引起的偶爾越值，規定連續3次超過閾值就報警，這樣在穩定性和靈敏性中選擇最佳平衡點。報警時不但紅燈閃爍，蜂鳴器也會發出報警音。

3.2.4 系統檢測流程

系統通過傾斜感應終端進行定時檢測，將電平值通過線路回傳到控制報警器，控制器對電平值進行采樣轉換、計算、比較等，并完成換算、顯示及報警，同時把數字信號通過網卡以傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP）協議數據包發送給服務器，進入下一步存儲、統計及計算機顯示。

3.3 網絡傳輸與頁面設計開發

傾斜監測信息展示平臺是結合傾斜監測硬件監測終端設備開發的網絡化信息展示綜合化管理平臺。平臺采用瀏覽器和服務器架構模式（Browser/Server Architecture, B/S）架構設計，在這種結構下，用戶工作界面通過Web瀏覽器來實現。監測展示頁面設計了直觀的立體建筑模型，監測建筑標出了監控點。頁面具有實時數據展示，并有數據曲線查詢。平臺具有與控制器同步報警功能，報警提示時，頁面上監控點字體紅色閃爍同時驅動電腦音箱發出報警音。

3.3.1 傾斜監測信息展示平臺的建立

利用B/S架構系統的優勢，只要是廣西廣播電視臺接入臺內網的任意一臺計算機終端，不需要特別的配置，只需要打開瀏覽器輸入正確網址，即可登錄平臺對墻體數據進行實時管理和監控。

平臺架構分為三層：表現層、應用服務層、數據服務層。第一，表現層。主要功能是通過計算機端的瀏覽器直觀地把數據、服務應用展示給用戶。該層為最為接近用戶的一層，在設計思想上遵循對用戶友好、直觀、易讀原則。第二，應用服務層。應用服務層包含為表現層提供Web應用服務和數據庫服務兩種功能。Web應用服務是在服務器中構建互聯網信息服務（Internet Information Services, IIS）網絡環境，搭建網絡平臺為所有訪問網站的計算機客戶機提供網頁服務。數據庫服務在服務器中搭建數據庫和建立數據表，為系統平臺和Web服務提供數據存儲和處理服務。第三，數據層。數據層是服務器和硬件之間通過以太網交互信息，數據進行協議轉換成監控平臺采用的數據格式。

3.3.2 平臺整體框架搭建

信息系統開發采用Microsoft.NET平臺進行Web項目的開發。項目前臺頁面采用“HTML+CSS”（超文本標記語言+級聯樣式表）設計模式，為了實現頁面動態效果，引入了JavaScript網頁腳本直接在頁面中對數據和動態效果進行交互和處理。采用FineUI架構開發，FineUI有快速開發能力且具有豐富的用戶界面（User Interface, UI）效果和深度的封裝控件庫。

3.3.3 基于Websocket協議的實時數據顯示

在網頁數據顯示中，由于顯示傾斜監控數據都是由硬件傳感器實時推送出來，所以在服務器中部署中間件用于數據的轉發和存儲。傾斜監測傳感器向外傳輸的數據先由中間件接收，再向頁面轉發。

B/S架構的客戶端服務均由服務器提供。為了實現數據動態實時變化顯示，引入了基于HTML5規范的WebSocket協議，它具有全雙工通信模式，在頁面不向服務器主動獲取數據的情況下，截獲服務器發來的數據結合JavaScript語句控制頁面數據動態顯示。Web-Socket的本質是先通過超文本傳輸協議/超文本傳輸安全協議（Hyper Text Transfer Protocol/Hypertext Transfer Protocol Secure, HTTP/HTTPS）進行握手后創建一個用于交換數據的傳輸控制協議（Transmission Control Protocol, TCP）連接，此后服務端與客戶端通過此TCP連接進行實時通信。在Web端實時顯示傾斜檢測器的數據信息，不需要安裝程序，只需要打開網頁即可實時監控，性能好且不易丟失數據。

3.3.4 基于Web頁面的圖表應用

頁面除了可以實時顯示墻體狀態數據、監控當前墻體角度數據外，還具有查看過去數據的功能，有助于人們了解墻體傾斜角度變化趨勢[5]。傾斜監測系統每8秒發送一次監控數據到頁面，一天24小時總共發送數據1萬多條。如果用傳統的表格展示方式會使得用戶讀取困難，使數據根本無法利用，于是引入了圖表控件。當墻體是正常狀態時，控制報警器發送來的數據為0°，曲線圖中的線條為一條平直的線。當墻體因意外情況發生偏移，曲線圖的線條就會表示出明顯的波動。這種顯示方式非常直觀，方便用戶及時了解墻體狀態。

3.3.5 系統中間件

首先是服務端與下位機通信，服務端的應用程序通過調用系統提供的Socket庫函數，實現網絡里服務器與計算機以及服務器與下位機的通信，所有的傾斜感應器安裝在局域網內，使用Socket的時候選擇使用TCP或用戶數據報協議（User Datagram Protocol, UDP）。基于Socket通信原理，服務器端應用程序具體的實現方式如下：

服務端與單片機通信通過Socket傳遞，單片機先采集傾斜感應器的數據，通過穩定可靠的嵌入式聯網模塊串口設備，把雙極型晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）串口數據轉化TCP/IP網絡數據和TCP/IP網絡數據轉化TTL串口數據進行雙向傳輸，使單片機立即具備連入TCP/IP網絡的功能，將數據傳輸到服務端處理，并在數據庫中存儲，方便Web端數據的展示和追溯。服務端和單片機通過交換機連接到內部網絡中，擁有獨立的IP地址和端口號，為了減少服務端與單片機之間的應答時間，數據通信使用UDP協議，多個單片機與服務器通信采用了多線程工作方式。

其次是服務端與計算機端通信，服務端接受單片機上傳的各個傾斜感應器的數據，進行處理后發送到計算機端顯示和監控，這個過程實時性比較強。為了保證數據在網絡繁忙的時候也不會丟包，使用Socket進行數據交互選擇TCP協議。

4 應用效果

系統投入使用后，經工作人員長期觀察，效果已達到預期，傳感器的精度高，零點溫度漂移和靈敏度誤差小。監測系統穩定運行，監測控制報警器放置在全天24小時值班室內，能夠掌握監測情況，同時基于Web的計算機端也能夠實時顯示監測情況，界面簡潔直觀。數據庫記錄有最近30天的數據量，可以在電腦監控界面上顯示趨勢曲線，對樓體趨勢具有很好的跟蹤監控功能，成為安全保障的一項重要技術支撐。

5 結語

樓體傾斜監測系統實現了實時多點監測，為安全播出保障提供了參考。和專業的現場檢測相比，該系統具有現場檢測不具備的實時性、及時性和報警能力等優點。通過開發系統，工作人員也發現安全播出保障工作中面臨的一些特別問題，可以通過發揮多方面的技術能力采用創新的方式來解決，為做好廣播電視技術工作拓展思路。