CN104735421A - 高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法。目前高层建筑物沉降检测通常采用几何水准测量，使用的标尺容易损坏，工作效率低，同时现有几何水准测量采用的设备，不具备组网功能，无法实现覆盖全区域高层建筑物沉降监测的自动化和智能化。本发明型组成包括：壳体（ 1 ）、标尺（ 12 ），所述的壳体内部安装有单片机（ 10 ），所述的单片机分别与 Flash 存储器（ 2 ）、 EEPROM 存储器（ 9 ）、时钟芯片（ 8 ）、键盘控制电路（ 7 ）、蓝牙通信系统（ 3 ）、 GPS 和 GPRS 装置（ 4 ）、摄像头接口电路（ 5 ）、指示灯电路（ 6 ）连接。本发明用于高层建筑物沉降检测装置。

Description

高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法

技术领域：

本发明涉及一种高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法。

背景技术：

目前，对于高层建筑物沉降检测通常主要采用几何水准测量、几何水准测量是利用仪器建立一条水平视线，然后读取视线两端的水准标尺刻度，由刻度读数差计算出标尺立尺点的高度差，虽然几何水准测量具有简便、成熟、具有精度较高的特点，但是，也存在标尺易损坏、外业工作量大，工作效率低，浪费物力、人力等不足。同时，现有几何水准测量采用的设备，不具备组网功能，无法实现覆盖全区域的、自动的、智能的高层建筑物沉降监测，无法满足日益增长的高层建筑物沉降监测的需要。

鉴于高层建筑物沉降监测存在的不足，提出新的高层建筑沉降检测方法，利用科技发展的最新成果，开发研制能够实现高层建筑物沉降检测自动化、智能化的检测系统，从而实现对高层建筑物沉降进行全面监测，进而保证高层建筑物施工和运营过程的安全性，确保高层建筑物正常的使用寿命。

随着经济建设的发展和科技水平的提高，高层建筑物不断涌现，由于地质条件、土壤性质、地下水位、大气温度的变化以及建筑物荷载和外力的作用等影响，导致高层建筑物在施工和运营过程都会产生垂直沉降变形，如果这种沉降变形超过一定的范围将危及建筑物自身及人身安全，为确保高层建筑物在施工和运营过程的安全性以及正常的使用寿命，并为后期的勘察、设计、施工和运营提供详实、可靠的资料及相应的沉降观测数据，对高层建筑物沉降进行监测具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种高层建筑物沉降检测装置，其组成包括：壳体、标尺，所述的壳体内部安装有单片机，所述的单片机分别与Flash存储器、EEPROM存储器、时钟芯片、键盘控制电路、蓝牙通信系统、GPS和GPRS装置、摄像头接口电路、指示灯电路连接。

所述的高层建筑物沉降检测装置，所述的标尺与被检测高层建筑物固定，所述的标尺对准检测装置，所述的检测装置下方安装有基准调整装置，所述的基准调整装置放置在地面上。

所述的高层建筑物沉降检测装置，所述的单片机通过SPI总线分别与所述的Flash存储器、所述的时钟芯片连接，所述的单片机通过IIC总线与EEPROM存储器连接，所述的单片机通过串口分别与蓝牙通信系统、GPS和GPRS装置、摄像头接口电路、指示灯电路、键盘电路连接。

一种高层建筑物沉降检测装置及进行沉降检测的方法，该方法包括如下步骤：首先是将标尺固定安装于被检测高层建筑物适当位置，当高层建筑物发生沉降时，标尺将随着高层建筑物沉降而向下移动，以标尺为检测对象，检测标尺相对于基准点的位移，进而反应高层建筑物沉降，通过固定安装于基准点的望远镜和摄像头远距离观测标尺，并自动拍摄图像，采用图像处理与分析的方法，计算出标尺相对于基准点的垂直位移量，间接获得高层建筑物相对于基准点的沉降量，实现对高层建筑物沉降的检测；

其次要满足以下工作条件：标尺与建筑物牢固连接，使标尺表面与望远镜光路垂直；望远镜、摄像头与稳定的基准点牢固连接，并保证其牢固性和稳定性；在阳光充足的白天进行沉降检测；基准点距离观测点标尺的距离不大于100m。

（1）安装检测系统

在稳定的基准点处安装望远镜，使望远镜的光路水平，并与标尺表面垂直，根据望远镜观测视野，在被检测高层建筑物适当位置安装标尺，将摄像头对准望远镜目镜，微调望远镜焦距，调整摄像头与目镜的相对位置，通过笔记本电脑或手机，观察图像，直至图形清晰，固定摄像头，使检测装置进入正常工作状态；

（2）自动确定检测分辨率

正确安装检测系统后，进行初次测量，取得初次观测图像，通过图像分析处理可知，若标尺内固定四条横线间的相对距离、和在图像上相对间距分别为、和，且对应的像素个数分别为、和，则检测分辨率可表示为

                                    （1）

检测分辨率单位：mm/像素，确定检测分辨率原理，

计算出的检测分辨率存储于EEPROM中，便于以后测量直接使用。注意：、和在制作标尺时，四条横线间距按精确尺寸加工，取平均值计算检测分辨率是为了保证检测分辨率的稳定性和可靠性；

（3）检测沉降

确定检测分辨率后，可按指令进行沉降检测，在每次检测时，通过望远镜、摄像头，在单片机的控制下，取得观测图像，对观测图像进行处理与分析，计算标尺四条横线成像与图像绿色基准线的距离，最终计算出本次检测沉降量，

安装时，进行初始测量得到沉降量初始值

（2）

式中，为初次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个）。

第1次测量得到沉降量

              （3）

式中，为第一次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个），

第2次测量得到沉降量

              （4）

式中，为第二次检测标尺相对与基准点的位移，、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数，

依次检测则可得沉降量序列： ……，进而可得累积沉降量序列： ，……；

（4）组网监测

利用检测系统的GPRS装置和互联网构建覆盖全区域的高层建筑物沉降监测网络，实现全区域高层建筑物沉降监测的自动化、智能化；

（5）检测控制

每次检测可以采用按照存储于EEPROM存储器中事先设定的时间点对观测点进行定时检测，也可以通过GPRS装置接收远程检测命令或就地通过按键命令进行随机检测，每次检测的图像信息和经图像处理的沉降信息，可存储于检测系统的Flash存储器中，作为备份，避免数据丢失，也可以利用GPRS装置通过互联网远程传输给计算机终端，实现数据汇总和对数据做进一步的分析处理，还可以通过蓝牙通信系统直接传输给计算机终端，便于就地分析处理。

有益效果：

1.本发明提供了一种适用于高层建筑物沉降检测，具有快速、稳定、精度高和功能强等特点，能够实现高层建筑物沉降检测自动化、智能化的高层建筑物沉降检测系统和工作方法，以实现对高层建筑物沉降的全面监测，进而确保高层建筑物施工和运营过程的安全性以及正常的使用寿命。

本发明通过固定安装于被检测高层建筑物适当位置的标尺反应高层建筑物沉降，通过安装于基准点的望远镜和摄像头拍摄标尺的图像，并采用图像处理与分析的方法，计算出高层建筑物相对于基准点的沉降值，进而实现对高层建筑物沉降的检测。

本发明通过GPRS模块实现组网，可远程传输反应沉降信息的图像或经图像处理与分析计算出的沉降信息、检测时间及地址信息和接收检测命令，实现覆盖全区域高层建筑物沉降监测的自动化和智能化，提高工作效率，减小劳动强度。

本发明设置了多达4个摄像头接口，并采用RS485总线形式连接，可在基准点同时对高层建筑物的4个沉降观测点进行检测，可减少了检测设备数量，同时也降低了成本。

本发明通过蓝牙通信技术，可以将反应沉降信息的图像或经图像处理与分析计算出的沉降信息、检测时间、地址等相关信息就地传输到计算机终端或手机，实现对相关观测点沉降数据的汇总和进一步的分析处理。

本发明可以采用按照存储于EEPROM存储器中事先设定的时间点对观测点进行定时检测，也可以通过GPRS模块接收远程检测命令或就地通过按键命令进行随机检测，使检测操作更加方便、灵活。

本发明采用大容量Flash存储器存储检测的反应沉降信息的图像以及经图像处理与分析计算出的沉降信息和检测时间、地址等相关信息，以备份检测信息，避免相关信息丢失。

本发明具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点。

本发明构建的高层建筑物监测系统自动化和智能化程度高，且安装方便、操作简单、便于使用。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的安装示意图。

附图3是本发明的单片机部分电路原理图。

附图4是本发明的电源部分电路原理图。

附图5是本发明的Flash存储器电路原理图。

附图6是本发明的EEPROM存储器分电路原理图。

附图7是本发明的时钟芯片电路原理图。

附图8是本发明的键盘控制电路原理图。

附图9是本发明的蓝牙通信系统电路原理图。

附图10是本发明的GPS与GPRS装置电路原理图。

附图11是本发明的摄像头接口电路原理图。

附图12是本发明的指示灯电路原理图。

附图13是本发明的标尺结构示意图。

附图14是本发明的确定分辨率原理图。

附图15是本发明的检测装置原理图。

附图16是本发明的建筑小区高层建筑物监测系统构建示意图。

图中：相同符号线路之间具有连接关系。

具体实施方式：

实施例1：

一种高层建筑物沉降检测装置，其组成包括：壳体1、标尺12，所述的壳体内部安装有单片机10，所述的单片机分别与Flash存储器2、EEPROM存储器9、时钟芯片8、键盘控制电路7、蓝牙通信系统3、GPS和GPRS装置4、摄像头接口电路5、指示灯电路6连接。

实施例2：

根据实施例1所述的高层建筑物沉降检测装置，所述的标尺与被检测高层建筑物11固定，所述的标尺对准检测装置13，所述的检测装置下方安装有基准调整装置14，所述的基准调整装置放置在地面上。

实施例3：

根据实施例1所述的高层建筑物沉降检测装置，所述的单片机通过SPI总线分别与所述的Flash存储器、所述的时钟芯片连接，所述的单片机通过IIC总线与EEPROM存储器连接，所述的单片机通过串口分别与蓝牙通信系统、GPS和GPRS装置、摄像头接口电路、指示灯电路、键盘电路连接。

实施例4：

一种利用实施例1-3所述的高层建筑物沉降检测装置进行沉降检测的方法，本方法是：首先是将标尺固定安装于被检测高层建筑物适当位置，当高层建筑物发生沉降时，标尺将随着高层建筑物沉降而向下移动，以标尺为检测对象，检测标尺相对于基准点的位移，进而反应高层建筑物沉降，通过固定安装于基准点的望远镜和摄像头远距离观测标尺，并自动拍摄图像，采用图像处理与分析的方法，计算出标尺相对于基准点的垂直位移量，间接获得高层建筑物相对于基准点的沉降量，实现对高层建筑物沉降的检测；

其次要满足以下工作条件：标尺与建筑物牢固连接，使标尺表面与望远镜光路垂直；望远镜、摄像头与稳定的基准点牢固连接，并保证其牢固性和稳定性；在阳光充足的白天进行沉降检测；基准点距离观测点标尺的距离不大于100m。

（1）安装检测系统

在稳定的基准点处安装望远镜，使望远镜的光路水平，并与标尺表面垂直，根据望远镜观测视野，在被检测高层建筑物适当位置安装标尺，将摄像头对准望远镜目镜，微调望远镜焦距，调整摄像头与目镜的相对位置，通过笔记本电脑或手机，观察图像，直至图形清晰，固定摄像头，使检测装置进入正常工作状态；

（2）自动确定检测分辨率

正确安装检测系统后，进行初次测量，取得初次观测图像，通过图像分析处理可知，若标尺内固定四条横线间的相对距离、和在图像上相对间距分别为、和，且对应的像素个数分别为、和，则检测分辨率可表示为

                                    （1）

检测分辨率单位：mm/像素，确定检测分辨率原理，

计算出的检测分辨率存储于EEPROM中，便于以后测量直接使用。注意：、和在制作标尺时，四条横线间距按精确尺寸加工，取平均值计算检测分辨率是为了保证检测分辨率的稳定性和可靠性；

（3）检测沉降

确定检测分辨率后，可按指令进行沉降检测，在每次检测时，通过望远镜、摄像头，在单片机的控制下，取得观测图像，对观测图像进行处理与分析，计算标尺四条横线成像与图像绿色基准线的距离，最终计算出本次检测沉降量，

安装时，进行初始测量得到沉降量初始值

                 （2）

式中，为初次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个）。

第1次测量得到沉降量

              （3）

式中，为第一次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个），

第2次测量得到沉降量

              （4）

式中，为第二次检测标尺相对与基准点的位移，、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数，

依次检测则可得沉降量序列： ，……，进而可得累积沉降量序列： ，……；

（4）组网监测

利用检测系统的GPRS装置和互联网构建覆盖全区域的高层建筑物沉降监测网络，实现全区域高层建筑物沉降监测的自动化、智能化；

（5）检测控制

每次检测可以采用按照存储于EEPROM存储器中事先设定的时间点对观测点进行定时检测，也可以通过GPRS装置接收远程检测命令或就地通过按键命令进行随机检测，每次检测的图像信息和经图像处理的沉降信息，可存储于检测系统的Flash存储器中，作为备份，避免数据丢失，也可以利用GPRS装置通过互联网远程传输给计算机终端，实现数据汇总和对数据做进一步的分析处理，还可以通过蓝牙通信系统直接传输给计算机终端，便于就地分析处理。

实施例5：

根据实施例1所述的高层建筑物沉降检测装置，工作电源可采用AC220V，也可采用DC12V，功耗小于2W，摄像头形成的JPG文件像素为640x480=307200，大致30万像素，在视距小于100米的条件下，位移测量精度达到0.2mm。

实施例6：

根据实施例1所述的高层建筑物沉降检测装置， Flash存储器在单片机的控制下，存储反应沉降信息的图像或经图像处理与分析计算出的沉降信息、检测时间及地址信息等，EEPROM存储器在单片机的控制下，存储沉降检测时间间隔和检测分辨率等信息，时钟电路在单片机控制下，提供检测系统的系统时间，并根据沉降检测时间间隔实施沉降定时检测，同时提供检测时间信息；键盘电路在单片机控制下，可实现沉降手动随机检测；蓝牙通信在单片机控制下，实现反应沉降信息的图像或经图像处理与分析计算出的沉降信息、检测时间及地址信息等与计算机终端或手机等的就地直接传输；GPS模块在单片机的控制下，提供检测的地址信息；GPRS模块在单片机的控制下，利用互联网实现反应沉降信息的图像或经图像处理与分析计算出的沉降信息、检测时间及地址信息等利用互联网的远程传输。摄像头接口在单片机的控制下，实现对固定于被检测高层建筑物上的标尺进行图像采集，指示灯电路在单片机的控制下，显示整个系统的工作状态。

实施例7：

根据实施例1所述的高层建筑物沉降检测装置，所述的单片机是建筑物沉降检测系统的核心部分，图3 U1的16~21引脚分别与图9U8的68、70、69和3引脚相连，图3U1的42、43引脚分别与图10U8的16引脚和R100相连。图3U1的57~59引脚分别与图7U2的7、6和5引脚相连。图3U1的61和62引脚分别与图6U6的5和6引脚相连。图3U1的29和30引脚分别与图11U5的1引脚和G1的1引脚相连。图3U1的33~36和7引脚分别与图5U3的1、2、6、5和3引脚相连。图3U1的8~11、24和25引脚分别与图8J-KEY的1~6引脚相连。图3U1的37和38引脚分别与图12R25和R24相连。图3U1的39、40、51和52引脚分别与图9U4的6、5、17和16引脚相连。

通过上述连接实现单片机对图1中Flash存储器、EEPROM存储器、时钟、键盘、蓝牙通信、GPS与GPRS模块、摄像头和指示灯等各个部分的控制。

图4J-AC接外部AC220V电源，经E1转换得到DC12V电压，DC12V电压再经E3、E4和E5变换分别得到DC5V、DC4.2V和DC3.3V等不同等级的电压，为图3、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12相关元器件提供电源。在没有AC220V电源的情况下，图4J-DC接外部DC9V~36V电源，经E2转换得到电压，DC12V电压再经E3、E4和E5变换分别得到DC5V、DC4.2V和DC3.3V等不同等级的电压，为图3、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12相关元器件提供电源。

注意：J-AC和J-DC不能同时接电源。

图5是Flash存储器部分电路，Flash存储器芯片25VF016B以SPI总线形式与CPU相连。

图6是EEPROM存储器部分电路，EEPROM存储器芯片AT24C64A 以IIC总线形式与CPU相连。

图7是时钟部分电路，时钟芯片DS1302以SPI总线形式与CPU相连。

图8是键盘部分电路，通过J-KEY与键盘面板连接。

图9是蓝牙通信部分电路，蓝牙模块FR-BM-S02与CPU的USART4连接。

图10是GPS与GPRS模块部分电路，GPS与GPRS一体模块SIM908中的GPS和GPRS分别与CPU的串口USART1和串口USART2相连。

图11是摄像头接口部分电路，摄像头接口经过MAX3485与CPU的串口USART3相连，MAX3485实现TTL电平与RS485电平的转换。注意：通过RS485总线可控制最多4个摄像头。

图12是指示灯部分电路，图12中R106和R110分别与图9U8的52和5相连，通过各种指示灯实现对系统工作状态的监视。

Claims (4)

1.一种高层建筑物沉降检测装置，其组成包括：壳体、标尺，其特征是：所述的壳体内部安装有单片机，所述的单片机分别与Flash存储器、EEPROM存储器、时钟芯片、键盘控制电路、蓝牙通信系统、GPS和GPRS装置、摄像头接口电路、指示灯电路连接。

2.根据权利要求1所述的高层建筑物沉降检测装置，其特征是：所述的标尺与被检测高层建筑物固定，所述的标尺对准检测装置，所述的检测装置下方安装有基准调整装置，所述的基准调整装置放置在地面上。

3.根据权利要求1所述的高层建筑物沉降检测装置，其特征是：所述的单片机通过SPI总线分别与所述的Flash存储器、所述的时钟芯片连接，所述的单片机通过IIC总线与EEPROM存储器连接，所述的单片机通过串口分别与蓝牙通信系统、GPS和GPRS装置、摄像头接口电路、指示灯电路、键盘电路连接。

4.一种利用权利要求1-3所述的高层建筑物沉降检测装置进行沉降检测的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先是将标尺固定安装于被检测高层建筑物适当位置，当高层建筑物发生沉降时，标尺将随着高层建筑物沉降而向下移动，以标尺为检测对象，检测标尺相对于基准点的位移，进而反应高层建筑物沉降，通过固定安装于基准点的望远镜和摄像头远距离观测标尺，并自动拍摄图像，采用图像处理与分析的方法，计算出标尺相对于基准点的垂直位移量，间接获得高层建筑物相对于基准点的沉降量，实现对高层建筑物沉降的检测；

其次要满足以下工作条件：标尺与建筑物牢固连接，使标尺表面与望远镜光路垂直；望远镜、摄像头与稳定的基准点牢固连接，并保证其牢固性和稳定性；在阳光充足的白天进行沉降检测；基准点距离观测点标尺的距离不大于100m；（1）安装检测系统

在稳定的基准点处安装望远镜，使望远镜的光路水平，并与标尺表面垂直，根据望远镜观测视野，在被检测高层建筑物适当位置安装标尺，将摄像头对准望远镜目镜，微调望远镜焦距，调整摄像头与目镜的相对位置，通过笔记本电脑或手机，观察图像，直至图形清晰，固定摄像头，使检测装置进入正常工作状态； 

（2）自动确定检测分辨率

正确安装检测系统后，进行初次测量，取得初次观测图像，通过图像分析处理可知，若标尺内固定四条横线间的相对距离、和在图像上相对间距分别为、和，且对应的像素个数分别为、和，则检测分辨率可表示为

                                                                                  （1）

检测分辨率单位：mm/像素，确定检测分辨率原理，

计算出的检测分辨率存储于EEPROM中，便于以后测量直接使用；注意：、和在制作标尺时，四条横线间距按精确尺寸加工，取平均值计算检测分辨率是为了保证检测分辨率的稳定性和可靠性；

（3）检测沉降

确定检测分辨率后，可按指令进行沉降检测，在每次检测时，通过望远镜、摄像头，在单片机的控制下，取得观测图像，对观测图像进行处理与分析，计算标尺四条横线成像与图像绿色基准线的距离，最终计算出本次检测沉降量， 

安装时，进行初始测量得到沉降量初始值

                （2）

式中，为初次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个）；

第1次测量得到沉降量

             （3）

式中，为第一次检测标尺相对与基准点的位移（mm）；、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数（个），

第2次测量得到沉降量

            （4）

式中，为第二次检测标尺相对与基准点的位移，、、和分别为标尺四条横线成像相对于图像绿色基准线的距离对应的像素个数，

依次检测则可得沉降量序列：，……，进而可得累积沉降量序列：，……；

（4）组网监测

利用检测系统的GPRS装置和互联网构建覆盖全区域的高层建筑物沉降监测网络，实现全区域高层建筑物沉降监测的自动化、智能化；

（5）检测控制

每次检测可以采用按照存储于EEPROM存储器中事先设定的时间点对观测点进行定时检测，也可以通过GPRS装置接收远程检测命令或就地通过按键命令进行随机检测，每次检测的图像信息和经图像处理的沉降信息，可存储于检测系统的Flash存储器中，作为备份，避免数据丢失，也可以利用GPRS装置通过互联网远程传输给计算机终端，实现数据汇总和对数据做进一步的分析处理，还可以通过蓝牙通信系统直接传输给计算机终端，便于就地分析处理。