樓體傾斜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)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(jiān)測一般都是在建筑行業(yè)內(nèi)使用，為什么和安全播出有關(guān)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(huán)境中也需要密切監(jiān)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(shù)人員定期上門或是發(fā)生目測傾斜后進行現(xiàn)場檢測，及時性不足。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了較為精確的傾斜傳感器。為了及時發(fā)現(xiàn)隱患、保障房屋安全，臺站工作人員應用傾斜傳感器，結(jié)合單片機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等，根據(jù)實際情況開發(fā)樓體傾斜實時監(jiān)測系統(tǒng)，把定期上門檢測變成實時監(jiān)測，提高發(fā)現(xiàn)隱患的準確性和及時性。

1 樓體傾斜監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)背景

廣西廣播電視臺于2016年底開始在臺原址上建設(shè)技術(shù)業(yè)務綜合大樓?？偪貦C房和直播室全部臨時搬遷到另一幢三層小樓內(nèi)，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(fā)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(shù)保障方面的重點場所。而因為建筑的現(xiàn)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(cè)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(jiān)測施工對這些重要建筑體的影響是一項至關(guān)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(huán)節(jié)都顯得十分重要。建筑檢測單位雖然能夠提供專業(yè)的現(xiàn)場檢測，但是受制于時間，只能定期或是出現(xiàn)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(jiān)測裝置?；趯Π踩コ龅谋Ｕ弦?，我們依據(jù)建設(shè)行業(yè)標準《危險房屋鑒定標準》（JGJ125-2016）及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）自行設(shè)計研發(fā)樓體傾斜實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于對樓體實現(xiàn)自我監(jiān)測、實時、多點監(jiān)測。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能

系統(tǒng)設(shè)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(jiān)測。監(jiān)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(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）由多個感應終端、監(jiān)測控制報警器、桌面監(jiān)控頁面組成，依靠電平傳輸和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸進行聯(lián)系。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運行時，感應終端每8秒進行一次自檢并發(fā)送監(jiān)測值，監(jiān)測控制報警器收到監(jiān)測電平值后，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, A/D）轉(zhuǎn)換、計算、比較，然后對角度進行顯示或報警，同時把數(shù)據(jù)以IP協(xié)議發(fā)給服務器，服務器進行存儲、統(tǒng)計，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控計算機能夠通過Web頁面看到監(jiān)控情況。系統(tǒng)功能實現(xiàn)了實時、多點監(jiān)測，通過兩種方式顯示和報警，方便直觀，較好地實現(xiàn)了設(shè)計目標。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SCA60C-N1000060傾斜感應器

本系統(tǒng)的最前端設(shè)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(gòu)成立體結(jié)構(gòu)，當傾斜發(fā)生時中間的質(zhì)量片產(chǎn)生位移從而使兩側(cè)電容發(fā)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(jiān)測控制報警器

結(jié)合前端傾斜感應器的使用，工作人員設(shè)計開發(fā)了傾斜監(jiān)測報警器（見圖2）作為各個終端監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳處理單元。傾斜監(jiān)測報警器作為實時數(shù)據(jù)顯示終端，集合了數(shù)據(jù)實時更新、傾斜監(jiān)控狀態(tài)報警、前端設(shè)備匯聚等強大功能。

圖2 傾斜監(jiān)測報警器

3.2.1 傾斜監(jiān)測感應器輸出值的計算

根據(jù)對傳感器的實際測試，傾斜角度為0°時監(jiān)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(jù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理

根據(jù)該角度傳感器的特點，設(shè)計思路是用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把角度傳感器輸出的表示傾斜角度的電壓值轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，用單片機讀取該數(shù)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(zhuǎn)換成的二進制數(shù)值），計算出傾斜的角度[3]。把該角度值通過網(wǎng)卡發(fā)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(shè)計電路：

第一，由于監(jiān)測點較多，因此選用了有多路輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543。該芯片有20個引腳，是12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，正常10 μs完成1路模擬輸入通道的轉(zhuǎn)換，有可編程輸出數(shù)據(jù)長度，選擇12位的數(shù)據(jù)長度，當其14腳的A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸方式是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral interface,SPI）方式，易與單片機相連且讀取數(shù)據(jù)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(yōu)點。

3.2.3 房屋傾斜標準

根據(jù)現(xiàn)行建筑業(yè)《危險房屋鑒定標準》（JGJ125-2016）及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）標準中有關(guān)房屋傾斜率大于1%為危房的規(guī)定，根據(jù)樓高計算得出傾斜度接近1°。因此，在控制器內(nèi)部設(shè)置報警閾值為1°[4]，并設(shè)置了避免信號干擾或其他因素引起的偶爾越值，規(guī)定連續(xù)3次超過閾值就報警，這樣在穩(wěn)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(fā)出報警音。

3.2.4 系統(tǒng)檢測流程

系統(tǒng)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(zhuǎn)換、計算、比較等，并完成換算、顯示及報警，同時把數(shù)字信號通過網(wǎng)卡以傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP）協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器，進入下一步存儲、統(tǒng)計及計算機顯示。

3.3 網(wǎng)絡傳輸與頁面設(shè)計開發(fā)

傾斜監(jiān)測信息展示平臺是結(jié)合傾斜監(jiān)測硬件監(jiān)測終端設(shè)備開發(fā)的網(wǎng)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(gòu)模式（Browser/Server Architecture, B/S）架構(gòu)設(shè)計，在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面通過Web瀏覽器來實現(xiàn)。監(jiān)測展示頁面設(shè)計了直觀的立體建筑模型，監(jiān)測建筑標出了監(jiān)控點。頁面具有實時數(shù)據(jù)展示，并有數(shù)據(jù)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(jiān)控點字體紅色閃爍同時驅(qū)動電腦音箱發(fā)出報警音。

3.3.1 傾斜監(jiān)測信息展示平臺的建立

利用B/S架構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)勢，只要是廣西廣播電視臺接入臺內(nèi)網(wǎng)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(wǎng)址，即可登錄平臺對墻體數(shù)據(jù)進行實時管理和監(jiān)控。

平臺架構(gòu)分為三層：表現(xiàn)層、應用服務層、數(shù)據(jù)服務層。第一，表現(xiàn)層。主要功能是通過計算機端的瀏覽器直觀地把數(shù)據(jù)、服務應用展示給用戶。該層為最為接近用戶的一層，在設(shè)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(xiàn)層提供Web應用服務和數(shù)據(jù)庫服務兩種功能。Web應用服務是在服務器中構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)信息服務（Internet Information Services, IIS）網(wǎng)絡環(huán)境，搭建網(wǎng)絡平臺為所有訪問網(wǎng)站的計算機客戶機提供網(wǎng)頁服務。數(shù)據(jù)庫服務在服務器中搭建數(shù)據(jù)庫和建立數(shù)據(jù)表，為系統(tǒng)平臺和Web服務提供數(shù)據(jù)存儲和處理服務。第三，數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是服務器和硬件之間通過以太網(wǎng)交互信息，數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換成監(jiān)控平臺采用的數(shù)據(jù)格式。

3.3.2 平臺整體框架搭建

信息系統(tǒng)開發(fā)采用Microsoft.NET平臺進行Web項目的開發(fā)。項目前臺頁面采用“HTML+CSS”（超文本標記語言+級聯(lián)樣式表）設(shè)計模式，為了實現(xiàn)頁面動態(tài)效果，引入了JavaScript網(wǎng)頁腳本直接在頁面中對數(shù)據(jù)和動態(tài)效果進行交互和處理。采用FineUI架構(gòu)開發(fā)，F(xiàn)ineUI有快速開發(fā)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(xié)議的實時數(shù)據(jù)顯示

在網(wǎng)頁數(shù)據(jù)顯示中，由于顯示傾斜監(jiān)控數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲。傾斜監(jiān)測傳感器向外傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先由中間件接收，再向頁面轉(zhuǎn)發(fā)。

B/S架構(gòu)的客戶端服務均由服務器提供。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)實時變化顯示，引入了基于HTML5規(guī)范的WebSocket協(xié)議，它具有全雙工通信模式，在頁面不向服務器主動獲取數(shù)據(jù)的情況下，截獲服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)結(jié)合JavaScript語句控制頁面數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。Web-Socket的本質(zhì)是先通過超文本傳輸協(xié)議/超文本傳輸安全協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol/Hypertext Transfer Protocol Secure, HTTP/HTTPS）進行握手后創(chuàng)建一個用于交換數(shù)據(jù)的傳輸控制協(xié)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(shù)據(jù)信息，不需要安裝程序，只需要打開網(wǎng)頁即可實時監(jiān)控，性能好且不易丟失數(shù)據(jù)。

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(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)控當前墻體角度數(shù)據(jù)外，還具有查看過去數(shù)據(jù)的功能，有助于人們了解墻體傾斜角度變化趨勢[5]。傾斜監(jiān)測系統(tǒng)每8秒發(fā)送一次監(jiān)控數(shù)據(jù)到頁面，一天24小時總共發(fā)送數(shù)據(jù)1萬多條。如果用傳統(tǒng)的表格展示方式會使得用戶讀取困難，使數(shù)據(jù)根本無法利用，于是引入了圖表控件。當墻體是正常狀態(tài)時，控制報警器發(fā)送來的數(shù)據(jù)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(fā)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(tài)。

3.3.5 系統(tǒng)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(diào)用系統(tǒng)提供的Socket庫函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)，使用Socket的時候選擇使用TCP或用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）?；赟ocket通信原理，服務器端應用程序具體的實現(xiàn)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(shù)據(jù)，通過穩(wěn)定可靠的嵌入式聯(lián)網(wǎng)模塊串口設(shè)備，把雙極型晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化TCP/IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和TCP/IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化TTL串口數(shù)據(jù)進行雙向傳輸，使單片機立即具備連入TCP/IP網(wǎng)絡的功能，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒斩颂幚恚⒃跀?shù)據(jù)庫中存儲，方便Web端數(shù)據(jù)的展示和追溯。服務端和單片機通過交換機連接到內(nèi)部網(wǎng)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(shù)據(jù)通信使用UDP協(xié)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(shù)據(jù)，進行處理后發(fā)送到計算機端顯示和監(jiān)控，這個過程實時性比較強。為了保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡繁忙的時候也不會丟包，使用Socket進行數(shù)據(jù)交互選擇TCP協(xié)議。

4 應用效果

系統(tǒng)投入使用后，經(jīng)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(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，監(jiān)測控制報警器放置在全天24小時值班室內(nèi)，能夠掌握監(jiān)測情況，同時基于Web的計算機端也能夠?qū)崟r顯示監(jiān)測情況，界面簡潔直觀。數(shù)據(jù)庫記錄有最近30天的數(shù)據(jù)量，可以在電腦監(jiān)控界面上顯示趨勢曲線，對樓體趨勢具有很好的跟蹤監(jiān)控功能，成為安全保障的一項重要技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

樓體傾斜監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了實時多點監(jiān)測，為安全播出保障提供了參考。和專業(yè)的現(xiàn)場檢測相比，該系統(tǒng)具有現(xiàn)場檢測不具備的實時性、及時性和報警能力等優(yōu)點。通過開發(fā)系統(tǒng)，工作人員也發(fā)現(xiàn)安全播出保障工作中面臨的一些特別問題，可以通過發(fā)揮多方面的技術(shù)能力采用創(chuàng)新的方式來解決，為做好廣播電視技術(shù)工作拓展思路。