侯絢昕

（湖南省兒童醫(yī)院基建工程部 湖南省長(zhǎng)沙市 410007）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，如今我國(guó)各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在日趨完善，但由于歷史遺留等因素的影響，如今各地區(qū)仍然存在諸多老舊建筑，該些建筑因本身質(zhì)量以及環(huán)境因素的影響，很多都存在一定的安全隱患，并且隨著時(shí)間的不斷推移，該些建筑物的安全性和穩(wěn)定性也在持續(xù)下降。在此情況下，為避免發(fā)生建筑物坍塌、垮塌等安全事故，應(yīng)對(duì)各類建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，確保建筑物安全問(wèn)題能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。因此，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，將有著一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 建筑物安全監(jiān)測(cè)要素

建筑物在長(zhǎng)時(shí)間使用后將會(huì)出現(xiàn)老化、地基振動(dòng)等情況，促使建筑物整體穩(wěn)定性、安全性均出現(xiàn)持續(xù)下降?；诮ㄖ锇踩绊懸蛩兀_定建筑物安全監(jiān)測(cè)應(yīng)從位移、傾斜、裂縫等三大要素進(jìn)行，具體內(nèi)容如下。

（1）位移。建筑物在使用過(guò)程中所涉及到的位移量主要包括有水平位移和垂直位移兩種，在兩種位移的影響下，建筑物將可能會(huì)出現(xiàn)地基下沉、地基滑動(dòng)、建筑物坍塌、垮塌等情況。

（2）傾斜。建筑物的傾斜角度將會(huì)決定建筑的整體受力均衡狀態(tài)。若是建筑物發(fā)生傾斜情況，那么其整體受力將會(huì)變?yōu)榉蔷鉅顟B(tài)，建筑物的局部應(yīng)力將會(huì)持續(xù)變大，當(dāng)局部應(yīng)力大于建筑物整體結(jié)構(gòu)所能夠承受極限的時(shí)候，建筑物便會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂等問(wèn)題。

（3）裂縫。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，建筑物的裂縫問(wèn)題主要由建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降、外界溫度變化幅度過(guò)大以及內(nèi)部應(yīng)力偏大等因素導(dǎo)致。其中溫度變化幅度過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致建筑物材料表面和內(nèi)部收縮程度出現(xiàn)明顯差異，當(dāng)收縮壓力超過(guò)建筑物材料所能夠承受的極限時(shí)，建筑物便會(huì)出現(xiàn)裂縫情況；內(nèi)部應(yīng)力偏大則會(huì)影響建筑物整體結(jié)構(gòu)性能，其也可能會(huì)導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，整體系統(tǒng)主要有傳感器子系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、終端子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)組成。其中傳感器子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)探測(cè)和收集建筑物及其周邊環(huán)境各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，并將收集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)初步處理后發(fā)送給無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、傳遞、系統(tǒng)各設(shè)備模塊之間的無(wú)線連接，是保障系統(tǒng)整體性，實(shí)現(xiàn)各模塊之間數(shù)據(jù)交互的重要橋梁；終端子系統(tǒng)主要由PC 機(jī)組成，其將會(huì)作為建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，操作人員不僅可以通過(guò)終端子系統(tǒng)對(duì)建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可以在界面中實(shí)時(shí)查看各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)終端子系統(tǒng)也負(fù)責(zé)提供預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)警告等功能。

3 傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器子系統(tǒng)總體架構(gòu)

建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的傳感器子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)建筑物以及周邊環(huán)境各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，相關(guān)數(shù)據(jù)主要可以分為環(huán)境信息和建筑物信息兩大類，其中環(huán)境信息又分為溫濕度信息、風(fēng)速風(fēng)向信息、光照強(qiáng)度信息等；建筑物信息則可以分為應(yīng)力變化信息、振動(dòng)加速度信息、傾斜程度信息以及裂縫情況信息等?；谏鲜鲆?，本文設(shè)計(jì)如圖1 所示的傳感器子系統(tǒng)硬件構(gòu)成架構(gòu)。

圖1：傳感器子系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成

3.2 傳感器設(shè)備選擇

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)備選擇

（1）溫濕度傳感器。溫濕度傳感器將會(huì)采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器具備電阻式濕度傳感元件和VTC 測(cè)溫元件，可以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

（2）風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)速風(fēng)向傳感器將會(huì)采用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器。此傳感器作為一款數(shù)字式傳感器，其具備數(shù)字化檢測(cè)功能，內(nèi)設(shè)有超聲波風(fēng)速、風(fēng)險(xiǎn)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)周邊元件風(fēng)速風(fēng)向的快速檢測(cè)效果。

（3）光照強(qiáng)度傳感器。光照強(qiáng)度傳感器將會(huì)采用BH1750 傳感器。此傳感器內(nèi)置有16 位模式轉(zhuǎn)換器芯片和16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，實(shí)際工作電壓為3.3V[2]。

3.2.2 建筑物監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)備選擇

（1）結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)將會(huì)采用振弦式應(yīng)變計(jì)。此傳感器在應(yīng)用過(guò)程中可以通過(guò)弦振動(dòng)頻率與弦的張力之間的變化關(guān)系來(lái)測(cè)量應(yīng)變計(jì)所處點(diǎn)的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)。

（2）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)將會(huì)選用低頻ICP 加速度計(jì)[3]。此傳感器主要用于大體積、轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢的物體加速度檢測(cè)，在設(shè)計(jì)中，此傳感器將會(huì)用于建筑物地基和地板振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3：各傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的位移數(shù)據(jù)情況圖

（3）結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)將會(huì)采用光纖光柵傳感器。此傳感器具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)、可操作性強(qiáng)，整體耐用性高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物主體結(jié)構(gòu)傾斜程度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)效果。

（4）建筑裂縫監(jiān)測(cè)。建筑物裂縫監(jiān)測(cè)將會(huì)采用裂縫傳感器。此傳感器將會(huì)設(shè)置在建筑物易發(fā)生沉降縫區(qū)域，并通過(guò)橫向監(jiān)測(cè)和豎向監(jiān)測(cè)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物裂縫發(fā)育情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 控制器選擇

傳感器子系統(tǒng)的控制器將會(huì)選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6型微處理器。該處理器是32 位處理器，內(nèi)置有ARM 公司的Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核，促使微處理器具有高性能、低功耗、低運(yùn)行成本等優(yōu)勢(shì)。因而在對(duì)市面上諸多微處理器進(jìn)行綜合分析研究后，最終選用此微處理器。

4 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在建筑物檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要發(fā)揮著連接各設(shè)備模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的作用。傳感器數(shù)據(jù)將會(huì)經(jīng)由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、放大以及A/D 轉(zhuǎn)化等一系列處理環(huán)境后，再由無(wú)線收發(fā)單元發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)由以太網(wǎng)絡(luò)傳遞給任務(wù)協(xié)調(diào)服務(wù)器，最后再由RS485 總線傳輸給上位機(jī)（PC機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、管理及顯示。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示。

5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

建筑物檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的上位機(jī)主要由PC 機(jī)構(gòu)成，其在系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和顯示等功能。不過(guò)想要達(dá)成相應(yīng)的功能內(nèi)容，還需要結(jié)合系統(tǒng)需求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)言來(lái)完成軟件系統(tǒng)核心操作平臺(tái)的搭建。其次，軟件不僅包括有環(huán)境監(jiān)測(cè)以及建筑物檢測(cè)等數(shù)據(jù)信息顯示情況，還有具備預(yù)設(shè)參數(shù)設(shè)置、傳感器狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警等諸多功能內(nèi)容，可以滿足本系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)際需求。最后，建筑物檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中引入了MidasGen 軟件[4]，可以基于各類傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合建筑物的實(shí)際形成構(gòu)建建筑物數(shù)據(jù)變化模型，以此來(lái)對(duì)建筑物進(jìn)行有限元分析，促使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果更加直觀立體。

6 系統(tǒng)功能檢驗(yàn)

6.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

以某建筑為研究對(duì)象，結(jié)合建筑物實(shí)際情況合理選擇各傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并為各傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，以此來(lái)對(duì)建筑物進(jìn)行整體全面檢測(cè)。在綜合考慮后，確定傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離控制在10m 左右[5]，總節(jié)點(diǎn)數(shù)量將會(huì)確定為41 個(gè)，獲取到圖3 中的數(shù)據(jù)結(jié)果。

由圖3（a）可知，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)的持續(xù)增加，傳感器所收集到的建筑物位移變化量也在持續(xù)加快，因此，在后續(xù)建筑物監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)在位移量變化最明顯的幾個(gè)區(qū)域設(shè)置有光纖光柵傳感器來(lái)對(duì)其位移量進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。

由圖3（b）可知，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)的持續(xù)增加，Y 方向的位移數(shù)據(jù)變化卻在持續(xù)減小，由此可見，29 以前的節(jié)點(diǎn)區(qū)域均存在較為嚴(yán)重的位移變化情況，應(yīng)適當(dāng)安裝振弦式傳感器進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。

由圖3（c）可知，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)的持續(xù)增加，Z 方向上的位移數(shù)據(jù)變化也在持續(xù)加大，相對(duì)于來(lái)說(shuō)，在15 以前的傳感器節(jié)點(diǎn)變化相對(duì)較好，但在15 以后編號(hào)的傳感器節(jié)點(diǎn)所收集的Z 方向上的位移數(shù)據(jù)卻在持續(xù)增加。

綜合分析可知領(lǐng)頭建筑物的位移量更加明顯，因此需要在該建筑物處合理設(shè)置光纖光柵傳感器。具體來(lái)說(shuō)就是在1-20 點(diǎn)處設(shè)置有振弦式傳感器；在21-25 點(diǎn)和26-41 點(diǎn)處設(shè)置有光纖光柵傳感器，其中21-25 點(diǎn)處還需要加設(shè)有振弦式傳感器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的全面收集。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今社會(huì)對(duì)于建筑安全性的要求也在不斷提升。在此背景下，本文設(shè)計(jì)出一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并以某建筑物為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，合理優(yōu)化的建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的具體安裝方案，在后續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中確定此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可操作性，可以在實(shí)際建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中進(jìn)行普及應(yīng)用。