基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山西古建筑健康智能監(jiān)測系統(tǒng)

范文婷，李佳琦，趙志超

（太原科技大學 計算機科學與技術(shù)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(tǒng)文化史、社會發(fā)展史、科學技術(shù)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(shù)量占據(jù)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(huán)境的不斷惡化，大量古建筑的現(xiàn)狀不容樂觀，亟需有效保護。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展并在各行各業(yè)中得到廣泛應用，侯絢昕[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對城鎮(zhèn)老舊建筑的安全預警。李濱[6]研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高層建筑消防監(jiān)督管理中的應用。但針對古建筑的安全狀態(tài)監(jiān)測還處于初級階段，充分利用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)對古建筑進行健康監(jiān)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討一種能夠遠程監(jiān)控、智能化、持續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測古建筑健康狀態(tài)的解決方案。

1 山西古建筑健康概況及監(jiān)測要素

山西古建筑以木材結(jié)構(gòu)為主[7]，木材易腐易燃，且容易受自然因素影響發(fā)生變形、裂縫坍塌等?；谝陨嫌绊懸蛩兀_定山西古建筑健康監(jiān)測包含兩方面安全要素。

（1）環(huán)境安全

環(huán)境安全監(jiān)測要素包含環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、震動。高溫環(huán)境和較大的溫差變化會加速木結(jié)構(gòu)老化，高濕環(huán)境會引起木結(jié)構(gòu)的腐朽加劇，破壞木結(jié)構(gòu)古建筑的穩(wěn)定性。煙霧濃度監(jiān)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(jiān)測要素包含木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)收縮和膨脹以及霉菌的增加，進而使得建筑物發(fā)生變質(zhì)和強度損失。古建筑的傾角、裂縫反映建筑物發(fā)生下沉、傾斜、坍塌的概率。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山西古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設計

山西古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)通過各類傳感器實現(xiàn)對建筑物自身和周圍環(huán)境的監(jiān)測，以STM32 微處理器為核心，對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，通過WiFi 模塊將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺，終端系統(tǒng)可以實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)并對異常情況進行預警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 硬件設計

2.2.1 傳感器模塊

山西古建筑物健康監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要分為環(huán)境信息和建筑物信息兩大類。環(huán)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(jié)構(gòu)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(jiān)測系統(tǒng)傳感器規(guī)格

2.2.2 STM32 微控制器

山西古建筑物健康監(jiān)測系統(tǒng)選擇ST 公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器STM32F103ZET6[8]，其具有高性能、低功耗、低成本、數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)勢，能夠?qū)Ω鱾鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)的WiFi通信模塊，通過該模塊可將各傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，進行古建筑物健康監(jiān)測和預警。

2.2.4 OneNET 云平臺

OneNET 是一款高效、穩(wěn)定、安全的移動互聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)平臺，可實現(xiàn)各種傳感器和硬件通信設備的快速接入，支持多種網(wǎng)絡協(xié)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(tài)的實時監(jiān)測[9]。

2.3 軟件設計

根據(jù)圖1 所示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，可知山西古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)主程序、傳感器數(shù)據(jù)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(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序選擇Keil uVision5 作為開發(fā)平臺，主程序流程如圖2 所示。系統(tǒng)上電后，首先對STM32 開發(fā)板和各功能模塊進行初始化，包含開發(fā)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(shù)值，經(jīng)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(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)程序流程

2.3.2 ESP8266 與OneNET 云平臺通信程序

系統(tǒng)基于MQTT 協(xié)議實現(xiàn)WiFi 模塊與OneNET 云平臺之間的數(shù)據(jù)通信，MQTT 協(xié)議是基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級”通信協(xié)議，可實時查看和獲取建筑物健康監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在接入云平臺時需配置IP 地址、端口號、產(chǎn)品ID、設備ID、網(wǎng)絡協(xié)議等，并發(fā)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(fā)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(quán)限管理模塊，只有滿足權(quán)限要求并登錄之后才能進入監(jiān)控界面。健康監(jiān)測功能包括數(shù)據(jù)顯示和智能預警模塊；數(shù)據(jù)顯示是對采集到的建筑物環(huán)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(jiān)測系統(tǒng)手機端APP 程序功能模塊

3 系統(tǒng)測試

將山西建筑物健康狀況實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(jié)果如圖4 所示。點擊歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)按鈕可以查看最近一周的監(jiān)測信息，便于發(fā)現(xiàn)極端情況，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果

圖5 古建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于山西古建筑保護領(lǐng)域，設計實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的古建筑健康監(jiān)測預警系統(tǒng)，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(shù)應用于該系統(tǒng)，進一步提升監(jiān)測性能。