基于物聯網技術的山西古建筑健康智能監測系統

范文婷，李佳琦，趙志超

（太原科技大學 計算機科學與技術學院，山西 太原 030024）

0 引 言

中國古建筑是中國歷史文化重要的見證者，是光彩奪目、風格鮮明的文化瑰寶，是研究包括傳統文化史、社會發展史、科學技術史和建筑史等各門歷史科學的實物例證[1-3]。其中作為文物大省的山西，所擁有的古建筑數量占據了全國古建筑類文物的七成以上[4]。但由于千百年來歲月的侵蝕，加之當前自然環境的不斷惡化，大量古建筑的現狀不容樂觀，亟需有效保護。近年來，物聯網技術不斷發展并在各行各業中得到廣泛應用，侯絢昕[5]提出了基于物聯網技術的建筑物監測預警系統，實現了對城鎮老舊建筑的安全預警。李濱[6]研究了物聯網技術在高層建筑消防監督管理中的應用。但針對古建筑的安全狀態監測還處于初級階段，充分利用物聯網新技術對古建筑進行健康監測和預警保護具有重要研究價值。

本文以山西古建筑為研究對象，運用物聯網技術，探討一種能夠遠程監控、智能化、持續穩定監測古建筑健康狀態的解決方案。

1 山西古建筑健康概況及監測要素

山西古建筑以木材結構為主[7]，木材易腐易燃，且容易受自然因素影響發生變形、裂縫坍塌等。基于以上影響因素，確定山西古建筑健康監測包含兩方面安全要素。

（1）環境安全

環境安全監測要素包含環境的溫濕度、煙霧濃度、震動。高溫環境和較大的溫差變化會加速木結構老化，高濕環境會引起木結構的腐朽加劇，破壞木結構古建筑的穩定性。煙霧濃度監測能夠預警古建筑火災隱患。

（2）建筑物自身安全

建筑物自身安全監測要素包含木結構建筑含水率、傾角、裂縫等。含水率反映建筑物的潮濕程度，含水率過大會引起木結構收縮和膨脹以及霉菌的增加，進而使得建筑物發生變質和強度損失。古建筑的傾角、裂縫反映建筑物發生下沉、傾斜、坍塌的概率。

2 基于物聯網技術的山西古建筑健康監測系統

2.1 系統總體設計

山西古建筑健康監測系統通過各類傳感器實現對建筑物自身和周圍環境的監測，以STM32 微處理器為核心，對傳感器數據進行處理，通過WiFi 模塊將實時監測數據上傳至OneNET 云平臺，終端系統可以實時查看監測數據并對異常情況進行預警。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 古建筑健康監測系統總體結構

2.2 硬件設計

2.2.1 傳感器模塊

山西古建筑物健康監測系統所監測的數據主要分為環境信息和建筑物信息兩大類。環境信息包括溫濕度、煙霧濃度、震動信息；建筑物信息包括木結構建筑含水率、傾斜程度以及裂縫信息等。所采用的傳感器見表1 所列。

表1 古建筑健康監測系統傳感器規格

2.2.2 STM32 微控制器

山西古建筑物健康監測系統選擇ST 公司生產的基于Cortex-M3 內核的32 位微控制器STM32F103ZET6[8]，其具有高性能、低功耗、低成本、數據處理能力強的優勢，能夠對各傳感器采集的數據進行集中處理并上傳到云端。

2.2.3 無線通信模塊

采用ESP8266 作為山西古建筑物健康監測系統的WiFi通信模塊，通過該模塊可將各傳感器監測到的數據上傳到云平臺，進行古建筑物健康監測和預警。

2.2.4 OneNET 云平臺

OneNET 是一款高效、穩定、安全的移動互聯網應用開發平臺，可實現各種傳感器和硬件通信設備的快速接入，支持多種網絡協議通信，能夠提供豐富的API 和應用模板以支持對山西古建筑物健康狀態的實時監測[9]。

2.3 軟件設計

根據圖1 所示系統總體結構，可知山西古建筑健康監測系統的軟件包括系統主程序、傳感器數據采集程序、ESP8266與OneNET 云平臺通信程序以及用戶端手機APP 程序。

2.3.1 系統主程序

系統主程序選擇Keil uVision5 作為開發平臺，主程序流程如圖2 所示。系統上電后，首先對STM32 開發板和各功能模塊進行初始化，包含開發板各引腳初始化、標志位和定時器設置等，并對ESP8266 進行傳輸配置，開啟通信服務。其次讀取溫濕度、煙霧、震動、含水率、傾斜等數值，經過處理通過ESP8266WiFi 模塊上傳到云平臺，同時手機訪問云平臺可以在APP 端實時顯示監測數據。

圖2 古建筑健康監測系統程序流程

2.3.2 ESP8266 與OneNET 云平臺通信程序

系統基于MQTT 協議實現WiFi 模塊與OneNET 云平臺之間的數據通信，MQTT 協議是基于發布/訂閱模式的“輕量級”通信協議，可實時查看和獲取建筑物健康監測數據。系統在接入云平臺時需配置IP 地址、端口號、產品ID、設備ID、網絡協議等，并發送AT 指令設置工作模式、串口波特率等，進而接入云平臺[10]。

2.3.3 用戶端手機APP 軟件

手機APP 開發采用Android Studio 平臺，包含的功能模塊如圖3 所示。用戶管理包括注冊登錄模塊和權限管理模塊，只有滿足權限要求并登錄之后才能進入監控界面。健康監測功能包括數據顯示和智能預警模塊；數據顯示是對采集到的建筑物環境信息和自身傾斜、裂縫信息等進行顯示，并對異常情況進行預警，以保證建筑物安全。

圖3 古建筑健康監測系統手機端APP 程序功能模塊

3 系統測試

將山西建筑物健康狀況實時監測數據，通過WiFi 模塊上傳至OneNET 云平臺，在手機端可以實時查看當前各項安全指標，并與安全閾值相比較，對異常情況進行提示，結果如圖4 所示。點擊歷史監測數據按鈕可以查看最近一周的監測信息，便于發現極端情況，測試結果如圖5 所示。

圖4 古建筑健康監測系統結果

圖5 古建筑健康監測系統歷史數據

4 結 語

本文將物聯網技術應用于山西古建筑保護領域，設計實現了一套基于物聯網技術的古建筑健康監測預警系統，實時獲取各項建筑物安全指標。下一步計劃將深度學習和圖像識別技術應用于該系統，進一步提升監測性能。