侯嚴(yán)嚴(yán) 邱秀榮

摘要：為減少因建筑坍塌而造成的損失，節(jié)約建筑維護(hù)成本，本文提出了一種新的解決方案，即把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入建筑中，對建筑進(jìn)行實(shí)時的安全檢測。采用Midas Gen軟件對建筑進(jìn)行建模，并對建筑的檢測內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，在監(jiān)測點(diǎn)布置相應(yīng)的傳感器，并把這些傳感器通過Zigbee進(jìn)行組網(wǎng)，完成對建筑物的實(shí)時監(jiān)控。結(jié)果表明通過本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)可以完成對建筑的實(shí)時監(jiān)控，確保建筑的安全。

關(guān)鍵詞：無線傳感；Zigbee；實(shí)時監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0030-02

Abstract： In order to reduce the loss caused by building collapse and save the cost of building maintenance， this paper proposes a new solution， which integrates the Internet of Things technology into the building， and carries out real-time safety detection of the building. Midas Gen software is used to model the building， and the detection content and monitoring points of the building are set up. The corresponding sensors are arranged at the monitoring points. These sensors are networked through Zigbee to complete the real-time monitoring of the building. The results show that the monitoring system proposed in this paper can complete the real-time monitoring of the building and ensure the safety of the building.

Key words： wireless sensor； zigbee； real-time monitoring

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，人們對它的關(guān)注度愈來愈高，物聯(lián)網(wǎng)的概念也沒有完全統(tǒng)一。但是，必須包含以下幾點(diǎn)特征：①全面感知，確保采集的數(shù)據(jù)盡量全面；②可靠傳輸，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性；③智能處理，采用合適的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得有用的數(shù)據(jù)信息[1]。

智能建筑作為物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一被廣泛提出，它與以前的建筑相比，具有可遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。本文以河南中牟領(lǐng)頭雁建筑為例，運(yùn)用有限元法對建筑的梁單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選擇合適的節(jié)點(diǎn)安裝傳感器，最終實(shí)現(xiàn)對建筑的實(shí)時監(jiān)測，提高建筑的安全性。

2 基本架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，本文的監(jiān)測系統(tǒng)也分成三個層次結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控模塊[2]。

數(shù)據(jù)采集模塊是利用多種傳感器進(jìn)行對外界壓力、溫度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞位移的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控模塊則是通過相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出有可能損壞的建筑位置，并及時發(fā)出通知。其系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

3 模型建立

Midas Gen[3]是一款可用于建筑領(lǐng)域的建模軟件，可以對建筑結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行有限元分析。本系統(tǒng)就是使用此軟件來確定合適的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。河南·中牟“領(lǐng)頭雁”工程如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括建筑節(jié)點(diǎn)所受的壓力和建筑監(jiān)控節(jié)點(diǎn)損壞的位移程度。經(jīng)過對傳感器的綜合性能分析，篩選出壓阻式壓力傳感器[4]和光柵位移傳感器[5]進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇的時候，可以先對建筑的梁單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號。因Zigbee[6]是一種短距離通信技術(shù)，所以在進(jìn)行編號時，需要設(shè)置合適的間隔。本文中相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離設(shè)置為10m，假設(shè)共有41個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。然后對每個節(jié)點(diǎn)沿X方向和Y方向的位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）我們可以看出，節(jié)點(diǎn)在X方向上的位移隨著節(jié)點(diǎn)編號的增大而增加。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)20的位移變化不大，節(jié)點(diǎn)21到節(jié)點(diǎn)41的位移增長較快。結(jié)合圖3的節(jié)點(diǎn)編號，可以得出領(lǐng)頭雁建筑“雁頭”附近節(jié)點(diǎn)的位移較其他節(jié)點(diǎn)位移大。因此，“雁頭”附近節(jié)點(diǎn)可放置光柵位移傳感器；

從圖4（b）我們可以看出，節(jié)點(diǎn)在Y方向上的位移隨著節(jié)點(diǎn)編號的不同而一直在變化。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)25的位移變化較大，節(jié)點(diǎn)26到節(jié)點(diǎn)41的位移趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖3的節(jié)點(diǎn)編號，可以得出領(lǐng)頭雁建筑“雁身”附近節(jié)點(diǎn)的位移較其他節(jié)點(diǎn)位移大。因此，“雁身”附近節(jié)點(diǎn)可放置壓阻式壓力傳感器；

從圖4（c）我們可以看出，節(jié)點(diǎn)在Z方向上的位移隨著節(jié)點(diǎn)編號的增大呈上升趨勢。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)20的位移變化緩慢，節(jié)點(diǎn)21到節(jié)點(diǎn)41的位移直線增長。結(jié)合圖3的節(jié)點(diǎn)編號，可以得出領(lǐng)頭雁建筑“雁頭”附近節(jié)點(diǎn)的位移較其他節(jié)點(diǎn)位移大。因此，“雁頭”附近節(jié)點(diǎn)可放置光柵位移傳感器；

從上述結(jié)果可選出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器的放置。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)20放置壓阻式壓力傳感器，節(jié)點(diǎn)26到節(jié)點(diǎn)41放置光柵位移傳感器，節(jié)點(diǎn)21到節(jié)點(diǎn)25放置壓阻式壓力傳感器和光柵位移傳感器。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，此系統(tǒng)采用Zigbee無線傳輸方式對傳感器進(jìn)行組網(wǎng)[7，8]，最終把數(shù)據(jù)傳輸給后臺軟件。

Zigbee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對于其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來說具有能量消耗較低、前期投入較小、節(jié)點(diǎn)間反應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。

在建筑中，采用Zigbee樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動將光柵位移傳感器、壓阻式壓力傳感器組織網(wǎng)絡(luò)，并有固定的通道編號以及PANID。傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)將采集到的各種各樣的環(huán)境數(shù)據(jù)信息在很短的時延內(nèi)傳輸給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)通過安全的路由算法最終將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。具體過程如圖5所示。

4 結(jié)論

本文主要對建筑的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過有限元分析方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的選擇，并加入了物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對建筑的實(shí)時監(jiān)測。有效地提高了建筑的安全性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和研究價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韋樂平.物聯(lián)網(wǎng)的特征、發(fā)展策略和挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代電信科技，2011，27（4）：1-5.

[2] 杜群.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑安全系統(tǒng)的研究[J].自動化與儀器儀表，2014（6）：41-42.

[3] 張煊銘，李新.物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測系統(tǒng)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究[J].工程勘察，2018，46（08）：45-50.

[4] 張倩.壓阻式壓力傳感器測量系統(tǒng)的研究[D].東華大學(xué)，2018.

[5] 王紅敏，崔晨晨，隋文濤.度盤式指示表自動檢測儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（01）：65-68.

[6] 秦穎.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑信息集成關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].吉林建筑大學(xué)，2016.

[7] 康婷霞.基于zigbee的壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（22）：116-117+120.

[8] 魯玉軍，劉振.ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2017， 7（4）：40-43.

[9] 劉曉雪.基于以太網(wǎng)的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端的研究[D].天津工業(yè)大學(xué)，2018.

【通聯(lián)編輯：梁書】