基于WSN的高層建筑物地基沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 建筑物地基沉降的有效監(jiān)測(cè)對(duì)安全施工和安全運(yùn)營(yíng)是非常重要的。針對(duì)這種需求設(shè)計(jì)了一種面向高層建筑物地基沉降的無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了位移數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，具有尺寸小、功耗低、精確度高、便于測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)了基于ZigBee樹形無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。建立了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)中心，完成所有節(jié)點(diǎn)的信息獲取、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、自動(dòng)預(yù)警等功能。

關(guān)鍵詞： 位移傳感器； 無線傳感網(wǎng)； CC2530； Java語(yǔ)言； 上位機(jī)

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0053?03

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市土地資源越來越緊張，高層建筑物也越來越多，因此建筑物的變形被人們所關(guān)注[1]。在現(xiàn)實(shí)生活中有許多案例，因地基沉降造成建筑物的變形，變形嚴(yán)重的甚至造成建筑物的倒塌。故在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑物地基沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的建筑物沉降測(cè)量方法有觀測(cè)樁、靜力水準(zhǔn)儀、單點(diǎn)沉降計(jì)、剖面沉降儀、分層沉降儀等[2]，但普遍存在的缺點(diǎn)是精度低、安裝或使用不方便并耗費(fèi)巨大的勞動(dòng)力、實(shí)時(shí)性差以及受外界影響大。隨著高層建筑物的增多，這些測(cè)量方式已經(jīng)不能滿足需求，根據(jù)上述原因結(jié)合ZigBee無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及高精度直線性位移傳感器設(shè)計(jì)了精度高、操作簡(jiǎn)便、成本合理、網(wǎng)絡(luò)化（有助于分析建筑物的整體變形）、無線化、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且能夠滿足一定區(qū)域范圍內(nèi)無人值守的自動(dòng)化測(cè)量的需要。

1 系統(tǒng)組成及工組流程

1.1 系統(tǒng)各部分組成

本系統(tǒng)包括以下2個(gè)部分：ZigBee網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端、路由器、協(xié)調(diào)器3部分組成終端包括傳感器節(jié)點(diǎn)（安裝在支架與基點(diǎn)之間，用來監(jiān)測(cè)地基沉降。支架安裝在墻體上離地面1 m，基點(diǎn)離墻體1 m）。路由器包括路由節(jié)點(diǎn)（安裝在支架上，用來路由信息）。網(wǎng)關(guān)由協(xié)調(diào)器和串口通信軟件組成。

1.2 系統(tǒng)工作流程

在該系統(tǒng)中，管理員可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物在修建過程中地基沉降程度及建筑物完工后由于地質(zhì)原因及自然災(zāi)害帶來的地基沉降程度，管理員可以通過地基沉降程度來采取相應(yīng)的處理措施來保證建筑物的安全。下面對(duì)數(shù)據(jù)采集過程做詳細(xì)說明。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功后，終端節(jié)點(diǎn)把垂直方向上的位移量傳送到路由器，通過路由器再將位移量路由至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS 232串口將位移量傳送至上位機(jī)。管理員員可以通過Internet網(wǎng)訪問上位機(jī)，查看位移的歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也可以作為施工質(zhì)量的重要依據(jù)[3]及判斷建筑物變形重要因素之一。

2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試

2.1 數(shù)據(jù)采集及位移傳感器

本系統(tǒng)采用德國(guó)技術(shù)的一款高精度直線性位移傳感器PM11?R1?75L，精度高達(dá)±0.01 mm，而大型建筑物沉降觀測(cè)誤差[4]要求≤±1.0 mm。因此這款傳感器完全滿足測(cè)量精度的要求。

本系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器TLC549，以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17 μs，它能方便地采用三線串口方式與CC2530連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端。數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖2所示。

2.2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件組成部分

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器3部分。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要作用：采集位移量并發(fā)送至路由器，當(dāng)位移量超限時(shí)聲光報(bào)警，并將超限標(biāo)致發(fā)送到協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、晶振、采集電路、微位移傳感器等外圍電路如圖3所示。其中，采集電路作用是讀取模擬量并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息的路由，路由節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要是由CC2530芯片、電源管理單元及晶振、天線等電路組成。

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)開啟ZigBee網(wǎng)絡(luò)，給新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，匯聚和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與PC機(jī)進(jìn)行串口通信等。硬件部分由CC2530芯片、電源管理單元、串口模塊、天線及晶振等電路組成，串口模塊用來與PC機(jī)上的串口軟件進(jìn)行通信[5]。

2.3 下位機(jī)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

下位機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件測(cè)試能夠正常運(yùn)行如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)等部分。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)采集電路的驅(qū)動(dòng)、液晶的驅(qū)動(dòng)和顯示、與路由器之間的通信[6]。程序流程圖如圖5所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是連接Internet和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的橋梁，其軟件部分包含串口通信軟件[7]和協(xié)調(diào)器軟件兩個(gè)部分。

當(dāng)協(xié)調(diào)器收到傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的位移數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)調(diào)器再將垂直方向位移通過串口傳給通信軟件。串口通信軟件直接顯示位移，并根據(jù)位移設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)表格相應(yīng)的值。其次，串口通信軟件能監(jiān)控串口的狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)顯示位移，注意在打開串口前必須先設(shè)置好串口通信的參數(shù)，如圖6所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了使無線傳感網(wǎng)絡(luò)完善監(jiān)測(cè)功能，系統(tǒng)使用Java Web等技術(shù)開發(fā)了基于MVC[8]（Model View Controller）模型的B/S架構(gòu)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。B/S架構(gòu)軟件包括Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。Web服務(wù)器采用免費(fèi)的輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器Tomcat，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用體積小、速度快、成本低的MySQL。另外，為了方便開發(fā)，系統(tǒng)使用Apache JaKarta 項(xiàng)目組開發(fā)的應(yīng)用框架Struts2配合Web網(wǎng)頁(yè)的開發(fā)，并且使用功能強(qiáng)大的對(duì)象/關(guān)系映射（Object Relational Mapping）框架Hibernate配合數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)，保證了源碼的簡(jiǎn)練和完全面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格[9]。上位機(jī)管理軟件主要實(shí)現(xiàn)了以下幾方面的功能：

（1） 用戶管理：主要設(shè)計(jì)用戶登錄權(quán)限、及增加用戶、刪除用戶。

（2） 沉降實(shí)時(shí)曲線顯示[9]：將各沉降點(diǎn)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)曲線的方式顯示的界面上，方便工作人員觀察沉降態(tài)勢(shì)，如圖7所示。

（3） 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警：對(duì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置指示燈報(bào)警，提示工作人員及時(shí)查看并確定報(bào)警類型。

（4） 沉降數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理：通過數(shù)據(jù)庫(kù)方式記錄管理沉降數(shù)據(jù)，方便工作人員查詢、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。方式記錄管理沉降數(shù)據(jù)，方便工作人員查詢、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過模擬實(shí)驗(yàn)使用該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測(cè)各被測(cè)點(diǎn)的垂直方向位移的變化，并能實(shí)時(shí)的在上位機(jī)上反映出來，這可以給建筑物的工程技術(shù)人員提供很好的信息，盡早消除建筑物的安全隱患。在后續(xù)工作中我們可以在傳感器節(jié)點(diǎn)上加上一些測(cè)量影響建筑物沉降變化因素（比如溫濕度 、頻率）的傳感器更加綜合地監(jiān)測(cè)建筑物變形。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊麥良.高層建筑物的監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2005，28（4）：94?95.

[2] 李赟.高鐵路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 齊海龍.高層建筑物沉降觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013.

[4] 劉先森，甘濟(jì)五，王鐵山.高層建筑物變形監(jiān)測(cè)的研究[C]//華東六省一市測(cè)繪學(xué)會(huì)第十一次學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.福州：福建省測(cè)繪學(xué)會(huì)，2009：8?10.

[5] 胡韋麗.基于ZigBee 的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2011.

[6] 顏濤.基于ZigBee的橋梁無線測(cè)振系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[7] 吳金鋒，劉偉平，黃紅斌.Java串口通信數(shù)據(jù)采控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（10）：65?66.

[8] 吳茂昌，陽(yáng)玉琴.基于MVC模式的Java主流框架整合技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009（10）：91?93.

[9] 劉亞勇.基于Java遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007.