CN107607084A - 一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，包括设置在楼宇基准点的信息采集节点、汇总所述信息采集节点的嵌入式网关以及上位机，所述嵌入式网关通过串口将数据上传至上位机。本发明利用GPS和计算机技术、数据通讯技术实现从数据采集、传输、管理的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的，监测不受气候条件限制，测站间无需保持通视，可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点，大大降低了人工成本，提高了监测效率，系统功耗低，成本低廉，精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的自适应性和可扩展性。

Description

一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统

技术领域

本发明涉及物联网监控技术领域，特别涉及一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统。

背景技术

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别等各种传感技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。目前业界普遍认可的物联网概念是通过射频(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

随着我国社会经济的发展，高达建筑物日益增多，由于各种因素的影响，在这些工程建筑物及其设备的运营过程中，都会产生变形。这种变形在一定限度内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和运营期间，必须对它们进行变形监测；另一方面，为了进行科学研究以及以后的地基基础设计提供一些经验数据，也需要对建筑物进行变形监测。建筑物的变形监测内容一般有沉降监测、位移监测和倾斜变形监测等等，而建筑物的倾斜、裂缝等情况往往是由建筑物不均匀沉降引起的，这就要求对建筑物尤其是对高层建筑物进行沉降监测。通过变形监测，对所得到的变形监测数据进行分析，从而对建筑物的运营状态进行判断，当发现不正常状况时，需及时对其进行分析，找出原因并采取措施，以保证建筑施工及使用的安全。

在地面沉降变形监测种，使用最为普及的是传统测量方法，该方法是在需要进行监测的区域，按照一定的原则，布设一定数量的监测点，定期或不定期地进行点位三维坐标测量。其中，地面点的平面位置监测，采用测角、量距的方法进行；高程监测，采用水准测量的方法进行。这种监测，一般操作简单，精度高，但人工成本高，费时费力。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，具有观测不受气候条件限制、测站间无需保持通视、可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点，大大降低了人工成本，提高了监测效率。

(二)技术方案

一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，包括设置在楼宇基准点的信息采集节点、汇总所述信息采集节点的嵌入式网关以及上位机，所述嵌入式网关通过串口将数据上传至上位机；所述信息采集节点包括信息采集模块、子无线收发模块和子电源供电模块，所述信息采集模块包括水平位移采集单元、垂直位移采集单元、基准线距离测量单元和GPS定位单元，所述水平位移采集单元监测楼宇在平面位置上随时间变化的位移量，所述垂直位移采集单元监测楼宇和地基在垂直方向上的位移，所述基准线距离测量单元监测楼宇偏离基准线的距离，所述GPS定位单元接收GPS导航卫星传来的导航电文；所述嵌入式网关包括微控制器模块、LCD显示模块、按键控制模块、主无线收发模块和主电源供电模块；所述信息采集节点和所述嵌入式网关通过所述子无线收发模块和所述主无线收发模块进行无线数据传输。

进一步的，所述子无线收发模块和所述主无线收发模块具有相同的电路结构，包括ZigBee无线芯片、射频天线、连接器、JTAG接头、第一和第二晶振、第一和第二电感、第一～第十三电容和第一电阻，其中所述ZigBee无线芯片为40pin CC2530。

进一步的，所述水平位移采集单元为直线位移传感器。

进一步的，所述垂直位移采集单元为伺服式加速度传感器。

进一步的，所述基准线距离测量单元为超声波传感器。

进一步的，所述GPS定位单元采用GPS传感器电路，所述GPS传感器电路包括GPS传感器芯片、第三电感、第十四电容和第二电阻，其中所述GPS传感器芯片为24pin Ublox NEO5Q。

进一步的，所述微控制器模块采用Cypress PSoC3可编程混合信号微控制器开发板CY8CKIT003。

进一步的，所述LCD显示模块为20pin LCD12864HZ。

进一步的，所述子电源供电模块和所述主电源供电模块均包含电源稳压单元、电池和电流电压保护单元。

再进一步的，所述电池为锂电池或太阳能电池板。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，利用GPS和计算机技术、数据通讯技术实现从数据采集、传输、管理的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的，监测不受气候条件限制，测站间无需保持通视，可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点，大大降低了人工成本，提高了监测效率，系统功耗低，成本低廉，精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的自适应性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统的结构框图。

图2为本发明所涉及的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统的无线收发模块电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统的GPS定位单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，包括设置在楼宇基准点的信息采集节点、汇总所述信息采集节点的嵌入式网关以及上位机，嵌入式网关通过串口将数据上传至上位机；信息采集节点包括信息采集模块、子无线收发模块和子电源供电模块，信息采集模块包括水平位移采集单元、垂直位移采集单元、基准线距离测量单元和GPS定位单元，水平位移采集单元监测楼宇在平面位置上随时间变化的位移量，垂直位移采集单元监测楼宇和地基在垂直方向上的位移，基准线距离测量单元监测楼宇偏离基准线的距离，GPS定位单元接收GPS导航卫星传来的导航电文；嵌入式网关包括微控制器模块、LCD显示模块、按键控制模块、主无线收发模块和主电源供电模块；信息采集节点和嵌入式网关通过子无线收发模块和主无线收发模块进行无线数据传输。

子无线收发模块和主无线收发模块具有相同的电路结构，包括ZigBee无线芯片U1、射频天线E1、连接器J1、JTAG接头J2、晶振X1和X2、电感L1和L2、电容C1～C13和电阻R1，其中ZigBee无线芯片U1为40pin CC2530。CC2530是一种兼容IEEE802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准。CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，以及一套广泛的外设集，包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多可扩展功能口。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，32/64/128KB的系统内可编程内存，8KB RAM，较宽的供电范围2.0～3.6V，具有捕获功能的32KHz睡眠定时器，在供电模式1时仅24mA的流耗，4us就能唤醒系统，在睡眠定时器运行时仅1uA的流耗，在供电模式3时仅0.4uA的流耗，外部中断能唤醒系统。

水平位移监测的任务是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量，当要测定某大型建筑物的水平位移时，可以根据建筑物的形状和大小，布设各种形式的控制网进行水平位移监测。水平位移采集单元采用直线位移传感器，也叫电子尺，实际上就是一个滑动变阻器。直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号，为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压与滑片移动的长度成正比，灵敏度高，测量精度高。

建筑物垂直位移监测是测定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它应该在基坑开挖之前开始进行，而贯穿于整个施工过程中，并继续到建成后若干年，直至沉陷现象基本停止。垂直位移采集单元为伺服式加速度传感器，是一种闭环测试系统，具有动态性能耗、动态范围大和线性度好等特点，其工作原理是传感器的振动系统由“m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由内部位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高了测量精度，扩大了测量范围。

当要测定建筑物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在垂直于待测定的方向上建立一条基准线，定期地测量监测标志偏离基准线的距离。基准线距离测量单元为超声波传感器，是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点，灵敏度高，测量精度高。

GPS定位单元采用GPS传感器电路，如图3所示，GPS传感器电路包括GPS传感器芯片U2、电感L3、电容C14和电阻R2，其中GPS传感器芯片U2为24pin Ublox NEO 5Q。Ublox NEO5Q支持NEMA0183V3.0协议标准输出，TTL电平接口，不能直接与CC2530相连接，必须先通过MAX3232将TTL电平转换成RS232电平后，才能连接到CC2530的接口。Ublox NEO 5Q引脚20(TxD1)和引脚21(RxD1)分别通过MAX3232与CC2530的I/O脚相连。Ublox NEO 5Q定位精度小于2.5m，限制运行速率高达1000节，相当于515m/s，具有50通道卫星接收功能，工作电压2.7～3.6V，启动时间短，功耗低，全速模式135mW，定位快速，提供多种接口，便于扩展。UbloxNEO 5Q电工作时，与CC2530进行通信，通过初始化设置定时输出GPS卫星导航电文，CC2530对GPS卫星导航电文进行解析，提取出日期、时间和经纬度等有用信息作为上位机的基本数据。信息采集节点上电工作时，Ublox NEO 5Q每隔一段时间就把接收到的GPS卫星导航电文通过串口传输给CC2530，CC2530编程控制读取导航电文的时间间隔，以降低功耗和节约通信费用。

微控制器模块采用Cypress PSoC3可编程混合信号微控制器开发板CY8CKIT003。CY8CKIT003开发板是基于PSoC3CY8C38系列可编程混合信号微控制器的开发系统，PSoC3处理核心基于增强型8051单片机，最高可运行在67MHz时钟，内部Flash容量最高可达64KB，包含最多8KB的SRAM以及最多2KB的EEPROM。此外，PSoC3还提供了具有24个通道，可传输32位数据高性能的DMA模块，可以由CPU动态使能工作或通过内部连线由模块产生的中断触发。PSoC3还具有脉宽调制(PWM)、SPI、I2C和UART接口，以及CAN总线和Full-Speed USB接口等，一个可配置的12位Delta-Sigma ADC，采样率最高可达192Ksps，一个8位8Msps的IDAC或是1Msps的VDAC，一个触摸按键扫描模块。除此之外，还包含了内部晶振、内部复位电路、看门狗模块、低电压检测模块及休眠模块等必要系统功能。

LCD显示模块为20pin LCD12864HZ，自带汉字字库，可显示汉字、字符及图形，使用方便。LCD12864HZ采用3.3V电压供电，便于与微控制器的I/O口电平匹配。为简化电路，节约I/O口开支，LCD12864HZ与微控制器的接口采用串行接口进行通信，SCLK、SID和CS三引脚分别接至微控制器的三个I/O脚。

子电源供电模块和主电源供电模块均包含电池、电源稳压单元和电流电压保护单元，电池可为锂电池供电，系统的低功耗特性满足工作时间可以长达半年，也可以采用太阳能电池板供电，充分利用自然资源，体现节能环保意识。

信息采集节点包括位移传感器、加速度传感器、超声波测距传感器等传感器件来采集楼宇的沉降变形信息，GPS传感器采集时间日期和地理位置信息，通过CC2530无线传输模块将这些信息发送到嵌入式网关，结合各种传感器实现楼宇沉降变形的精准监测。每个楼宇可设置多个基准点，每个基准点配置一个信息采集节点，多方位采集楼宇群各处的沉降变形信息。嵌入式网关主控制板采用Cypress的PSoC3可编程混合信号微控制器开发板CY8CKIT003，嵌入式网关汇总各信息采集节点上传的数据信息，然后经过串口通信发送给上位机。嵌入式网关主控制板具备各种外设接口，可实现数据的即时显示和用户手动按键控制，并可扩展外接各种需要的功能模块。上位机存储一定时间内的各楼宇的沉降变形信息，经程序分析处理后绘制成人性化的曲线展现给用户，用户也可发送命令随时查看楼宇某时间段的沉降变形情况。上位机可通过串口对直连的嵌入式网关进行控制。考虑到环保低功耗，各传感器初始配置为每隔间断时间上传各自的数据信息，其他时间工作在睡眠模式以降低系统功耗，需要传输数据时再唤醒各自的CPU进入工作模式。

本发明提供了一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，利用GPS和计算机技术、数据通讯技术实现从数据采集、传输、管理的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的，监测不受气候条件限制，测站间无需保持通视，可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点，大大降低了人工成本，提高了监测效率，系统功耗低，成本低廉，精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的自适应性和可扩展性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：包括设置在楼宇基准点的信息采集节点、汇总所述信息采集节点的嵌入式网关以及上位机，所述嵌入式网关通过串口将数据上传至上位机；所述信息采集节点包括信息采集模块、子无线收发模块和子电源供电模块，所述信息采集模块包括水平位移采集单元、垂直位移采集单元、基准线距离测量单元和GPS定位单元，所述水平位移采集单元监测楼宇在平面位置上随时间变化的位移量，所述垂直位移采集单元监测楼宇和地基在垂直方向上的位移，所述基准线距离测量单元监测楼宇偏离基准线的距离，所述GPS定位单元接收GPS导航卫星传来的导航电文；所述嵌入式网关包括微控制器模块、LCD显示模块、按键控制模块、主无线收发模块和主电源供电模块；所述信息采集节点和所述嵌入式网关通过所述子无线收发模块和所述主无线收发模块进行无线数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述子无线收发模块和所述主无线收发模块具有相同的电路结构，包括ZigBee无线芯片、射频天线、连接器、JTAG接头、第一和第二晶振、第一和第二电感、第一～第十三电容和第一电阻，其中所述ZigBee无线芯片为40pin CC2530。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述水平位移采集单元为直线位移传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述垂直位移采集单元为伺服式加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述基准线距离测量单元为超声波传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述GPS定位单元采用GPS传感器电路，所述GPS传感器电路包括GPS传感器芯片、第三电感、第十四电容和第二电阻，其中所述GPS传感器芯片为24pin Ublox NEO 5Q。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述微控制器模块采用Cypress PSoC3可编程混合信号微控制器开发板CY8CKIT003。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述LCD显示模块为20pin LCD12864HZ。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述子电源供电模块和所述主电源供电模块均包含电源稳压单元、电池和电流电压保护单元。

10.根据权利要求9所述的一种基于物联网的智能楼宇沉降变形监测系统，其特征在于：所述电池为锂电池或太阳能电池板。