CN109799858A - 一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，包括采集夯土建筑室内外的温湿度以及粉尘浓度、室外的光强、室内的气压，利用室内湿度均值计算湿度激活函数，通过湿度激活函数控制加湿器及除湿器的开关；利用室内的气压均值以及湿度激活函数计算加湿器及除湿器的档位调节函数，实现档位的自动调节；通过监测室外湿度及光强，控制外墙体上雨蓬设备模块的关闭及开启；通过监测室内外墙体表面的粉尘浓度及变化率来判断是否存在墙体脱落现象。本发明设计了适用于夯土建筑的智能监测维护系统，并给出了该监测系统监测参数的训练方法，为夯土建筑的智能维护奠定了基础。

Description

一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法

技术领域：

本发明涉及建筑维护领域，具体涉及一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法。

背景技术：

夯土建筑，指的是利用未经焙烧的土壤(如粘土、砂土等)通过夯筑方式建成的建筑。相较于当前诸多高技术高成本的绿色建筑，夯土建筑作为传统民居常见的建筑形式，本身具有就地取材、可降解再生、造价低廉、热工性能好等优势，蕴含着巨大的生态应用潜力。然而，夯土建筑也存在一定的局限性，需要定期的监测和维护。以潮湿多雨地区的夯土建筑为例，夯土建筑若长期不维护，夯土墙体落灰将加重，影响室内空气质量；夯土砌块之间易出现风化开裂等问题，严重时会存在结构安全问题；此外，潮湿多雨地区雨水较多，随着时间的推移，夯土外墙容易受潮产生发霉、雨水碱蚀等现象。现有夯土建筑的监测大多依赖住户肉眼判断较为耗时耗力，且准确度也不够高，发现建筑问题往往不及时。

近几年，也有一部分人设计了建筑健康监测系统，通过在建筑物上安装一些监测参数的传感器，通过网络将传感器的监测数据传输给服务器以及工作站，进而能够实时掌握建筑物的监测指标是否正常，以便及时提醒进行维护处理。为了实现智能化的监测维护，往往需要事先对监测参数进行训练或更新，使得实时采集的传感器数据能够根据训练参数而启动智能维护。特别是针对夯土建筑，易受温湿度影响发生墙体脱落现象，因此，监测参数设置的合理性以及训练参数设置的合理性就显得非常关键，否则起不到很好的监测维护效果。目前在现有技术中尚未有针对夯土建筑的智能监测维护系统，也没有适合于夯土建筑监测维护系统所监测参数的训练方法，有鉴于此，本案由此而生。

发明内容：

本发明在现有建筑监测系统的基础上设计了夯土建筑专用的智能监测维护系统，并给出了所监测的参数以及监测参数的训练方法，可以实时对夯土建筑的健康状态进行监测，能实现智能化的维护。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，包括夯土建筑房屋节点、无线网络、云服务器和管理终端，房屋节点的室内安装有空调、加湿器和除湿器，房屋节点的外墙体上安装有雨蓬设备模块；房屋节点还包括汇聚节点A、安装在外墙体表面的三个传感器节点B、安装在内墙体表面的三个传感器节点C、同时安装在内墙体和外墙体表面的n个传感器节点D；传感器节点B、C、D分别与汇聚节点A双向通信并上传采集数据给汇聚节点A，汇聚节点A接收到反馈数据后进行数据处理，处理后的数据连同原始数据一并上传给云服务器，云服务器连接控制空调、加湿器、除湿器以及雨蓬设备模块的开启或关闭；

(1)管理终端通知汇聚节点A进行房屋节点室内外各项监测参数的训练或更新，并标记具体参数；

(2)传感器节点的数据采集：三个传感器节点B分别采集房屋节点室外的湿度数据RH_out1～RH_out3、温度数据TEMP_out1～TEMP_out3、以及光强度数据 LGT₁～LGT₃并发送给汇聚节点A；三个传感器节点C分别采集房屋节点室内的湿度数据RH_in1～RH_in3、温度数据TEMP_in1～TEMP_in3以及气压数据P_t1～P_t3并发送给汇聚节点A；n个传感器节点D分别采集房屋节点室内及室外的粉尘浓度数据Dust₁～Dust_n并发送给汇聚节点A；

(3)汇聚节点A数据预处理：

(3-1)计算夯土建筑房屋节点室内湿度均值RH_inAVG、室外湿度均值 RH_outAVG、室内温度均值TEMP_inAVG以及室外光强度均值LGT_AVG；

(3-2)计算夯土建筑房屋节点墙体内表面的湿度激活函数f(RHin)，该湿度激活函数用于判断加湿器和除湿器工作状态函数，计算公式如下：

上述公式5和6中的ε(RH_inAVG)为阶跃函数；

(3-3)计算当前室温下夯土建筑房屋节点室内的气体压强P_t0，计算公式如下：

P_t0＝P₀(1+TEMP_inAVG/273) (公式7)

公式7中，P₀为0℃时的气体压强，TEMP_inAVG为当前室内平均温度；

(3-4)计算夯土建筑房屋节点墙体内表面的气压均值P_tAVG；

(3-5)计算当前夯土建筑房屋节点室内温湿度条件下的加湿器和除湿器的档位控制函数G，计算公式如下：

上述公式中，P_st为当前房屋节点室温下饱和水蒸气压强，RH_inD为开启加湿器的室内湿度下限值，RH_inP为开启除湿器的室内湿度上限值；函数G₁用于自动调节加湿器的档位控制，G₂用于自动调节除湿器的档位控制；

(3-6)计算夯土建筑房屋节点室内外的粉尘浓度变化率f′(Dust)；

(4)云服务器中控制参数阈值设定：

设定开启加湿器的室内湿度下限值RH_inD，设定开启除湿器的室内湿度上限值RH_inP；

设定控制雨蓬设备模块开启或关闭的参数阈值，包括室外湿度上限值δ₂，室外湿度下限值δ₁，室外光强的上限值μ₂，室外光强的下限值μ₁；

设定判断墙体脱落情况的粉尘浓度上限值ω₁以及粉尘浓度变化率上限值

上述各控制参数阈值设定完毕，云服务器将各项参数阈值返回至汇聚节点A。

进一步设置，步骤(3-1)中计算均值的公式如下：

进一步设置，步骤(3-4)中计算气压均值的公式如下：

进一步设置，步骤(3-6)中计算粉尘浓度变化率的公式如下：

本发明利用传感器技术及物联网技术，设计了一种夯土建筑的智能监测维护系统，通过监测夯土建筑室内外的温湿度、光强度、气压、粉尘浓度等特征参数，对夯土建筑的室内外环境进行了分析及控制，给出了适合该监测系统监测参数的训练方法，为夯土建筑的智能维护奠定了基础。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为实施例中监测系统的结构示意图；

图2为汇聚节点A以及传感器节点B、C、D的组成结构图；

图3为实施例中监测系统的监测维护方法流程图。

具体实施方式：

本发明针对夯土建筑设计了一套智能监测系统，充分考虑了夯土建筑容易受外部环境影响(潮湿和干裂)的特点，有针对性的选择了适合监测的参数以及用于维护的装置。该智能监测系统如图1和图2所示，主要包括夯土建筑的房屋节点4、无线网络3、云服务器2以及管理终端1。房屋节点4的室内安装有空调7、加湿器5以及除湿器6，房屋节点4的外墙上安装有雨蓬设备模块8。房屋节点4还包括汇聚节点A41、传感器节点B42、传感器节点 C43以及传感器节点D44。

其中，汇聚节点A41主要由单片机A411、Wi-Fi模块414、2.4G模块A412 以及电源模块A413构成。Wi-Fi模块414通过无线网络3与云服务器2通信， Wi-Fi模块414、2.4G模块A412均与单片机A413连接，电源模块A412用来给汇聚节点A供电。

传感器节点B42主要由单片机B421、2.4G模块B422、电源模块B423、温湿度传感器O424以及光强传感器425构成。传感器节点B42设置多个，本实施例中仅以设置3个为例加以说明，分别是传感器节点B1、B2、B3。这三个传感器节点B42均设置在夯土建筑房屋节点4的墙体外表面上，并且水平均匀分布在外墙体距离地面二分之一垂直高度的位置处。每个传感器节点B42 中的2.4G模块B422、温湿度传感器M424以及光强传感器425均各自与其单片机B421连接，电源模块B423用于给传感器节点B42供电。

传感器节点C43主要由单片机C431、2.4G模块C432、电源模块C433、温湿度传感器N434和气压传感器435构成。传感器节点C43设置多个，本实施例中仅以设置3个为例加以说明，分别是传感器节点C1、C2、C3。这三个传感器节点C43均设置在夯土建筑房屋节点4的墙体内表面上，并且水平均匀分布在内墙体距离地面二分之一垂直高度的位置处。每个传感器节点C43 中的2.4G模块C432、温湿度传感器N434以及气压传感器435均各自与其单片机C431连接，电源模块C433用于给传感器节点C43供电。

传感器节点D44主要由单片机D441、2.4G模块D442、电源模块D443 以及粉尘传感器444构成。传感器节点D44设置多个，传感器节点D44同时在夯土建筑的房屋节点4的外墙体上以及内墙体上共同设置，若干传感器节点D44分别表示为D1～Dn，这些传感器节点D44水平均匀分布在墙体距离地面三分之二垂直高度的位置，因为这个高度相对地面较高，粉尘浓度不易受地面灰尘浓度的影响，同时离屋顶有一定的距离，能更好地监测粉尘浓度的变化，从而更好地反映夯土建筑的墙体脱落情况。每个传感器节点D44中的2.4G模块D442、粉尘传感器444均各自与其单片机D441连接，电源模块 D443用于给传感器节点D44供电。

上述监测系统中的空调7、加湿器5、除湿器6以及雨蓬设备模块8均与云服务器2连接，通过云服务器2的控制开启或关闭。管理终端1可以为台式电脑、平板电脑、笔记本电脑、手机等其中的任何一种设备。

上述监测系统在执行夯土建筑的维护工作时，由汇聚节点A41借助2.4G 模块A412向传感器节点B42、传感器节点C43、传感器节点D44分别发送指令；而传感器节点B42、传感器节点C43、传感器节点D44各自通过2.4G模块接收到来自汇聚节点A41的命令后，各自将实时采集到的传感器数据发送给汇聚节点A41；汇聚节点A41接收到反馈回来的传感器数据后进行数据处理，处理后的数据以及采集到的原始数据一并上传给云服务器2，由云服务器 2计算并判断是否启动或者关闭与之连接的养护设备(空调7、加湿器5、除湿器6、雨蓬设备模块8)。

本实施例中的监测系统所监测的参数有室外的温湿度以及光强度、室内的温湿度以及气压、以及室内和室外的粉尘浓度。该监测系统在正常执行维护任务之前，需要给出监测系统数据计算的训练参数以及各种阈值，以便将采集的实时数据进行分析比较。因此，下面将对上述监测系统的监测参数训练方法进行说明。

一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，包括以下内容：

(1)管理终端1通知汇聚节点A41进行房屋节点4室内外各项参数的训练或更新，并标记具体参数；

(2)传感器节点的数据采集：三个传感器节点B42分别采集房屋节点4 室外的湿度数据RH_out1～RH_out3、温度数据TEMP_out1～TEMP_out3、以及光强度数据 LGT₁～LGT₃并发送给汇聚节点A41；三个传感器节点C43分别采集房屋节点4 室内的湿度数据RH_in1～RH_in3、温度数据TEMP_in1～TEMP_in3以及气压数据P_t1～P_t3并发送给汇聚节点A41；n个传感器节点D44分别采集房屋节点4室内和室外的粉尘浓度数据Dust₁～Dust_n并发送给汇聚节点A41；

(3)汇聚节点A41数据预处理：

(3-1)计算夯土建筑房屋节点4室内湿度均值RH_inAVG、室外湿度均值 RH_outAVG、室内温度均值TEMP_inAVG以及室外光强度均值LGT_AVG，计算公式如下：

(3-2)计算夯土建筑房屋节点4墙体内表面的湿度激活函数f(RH_in)，计算公式如下：

上述公式5和6中的ε(RH_inAVG)为阶跃函数；

(3-3)计算当前室温下夯土建筑房屋节点4室内的气体压强P_t0，计算公式如下：

P_t0＝P₀(1+TEMP_inAVG/273) (公式7)

公式7中，P₀为0℃时的气体压强，TEMP_inAVG为当前室内平均温度；

(3-4)计算夯土建筑房屋节点4墙体内表面的气压均值P_tAVG，计算公式如下：

(3-5)计算当前夯土建筑房屋节点4室内温湿度条件下的加湿器5和除湿器6的档位控制函数G，计算公式如下：

上述公式中，P_st为当前房屋节点4室温下饱和水蒸气压强，RH_inD为开启加湿器5的室内湿度下限值，RH_inP为开启除湿器6的室内湿度上限值；G1用于自动调节加湿器5的档位控制，G2用于自动调节除湿器6的档位控制；

(3-6)计算夯土建筑房屋节点4室内外的粉尘浓度变化率f′(Dust)，计算公式如下：

(4)云服务器2中各控制参数阈值设定：

设定开启加湿器5的室内湿度下限值RH_inD，设定开启除湿器6的室内湿度上限值RH_inP；

设定控制雨蓬设备模块8开启或关闭的参数阈值，包括室外湿度上限值δ₂，室外湿度下限值δ₁，室外光强的上限值μ₂，室外光强的下限值μ₁；

设定判断墙体脱落情况的粉尘浓度上限值ω₁以及粉尘浓度变化率上限值

上述各控制参数阈值设定完毕，云服务器2将各项参数阈值返回至汇聚节点A41。

按照上述给出的训练方法完成监测参数的设定后，即可启动监测系统进行智能维护管理了。

利用本实施例中给出的监测系统进行智能监测维护方法为：

(5)夯土建筑监测参数的控制：

(5-1)根据湿度激活函数f(RH_in)判断夯土建筑的室内湿度情况，若 f₁(RH_in)＝0且f₂(RH_in)＝0，表明室内湿度在允许范围内，无需进行湿度调整，此时加湿器5和除湿器6均不工作；若f₁(RH_in)＝1，表明室内湿度太低，此时开启加湿器5，并根据G₁自动调整当前室内湿度条件下加湿器5的档位，使湿度恢复至正常范围；若f₂(RH_in)＝1，表明室内湿度太高，开启抽湿器6，并根据G₂自动调整当前室内湿度条件下除湿器6的档位，直至湿度恢复至正常范围。

(5-2)结合监测系统当前的时间日期以及当前室内平均温度TEMP_inAVG进行考虑，若为夏季且TEMP_inAVG＞29℃，开启空调7，并设置为制冷模式，使室内温度保持在22℃～26℃；若为冬季且TEMP_inAVG＜10℃，则开启空调7并将空调7设置为制热模式，使室内温度保持21℃～24℃。

(5-3)综合考虑夯土建筑墙体外表面的湿度均值RH_outAVG及光强度均值 LGT_AVG来控制雨篷设备模块8的开启或关闭，若RH_outAVG＞δ₂且LGT_AVG＜μ₁，此时墙体外表面的湿度较大，光强度较弱，为避免墙体长时间湿度过大造成水土流失，开启雨篷设备模块8对外墙体进行遮挡保护，避免雨水淋湿；若 RH_outAVG＞δ₂且LGT_AVC＞μ₂，此时墙体外表面湿度较大，光强度较强，关闭雨篷设备模块8，利用光照降低墙体外表面湿度；若RH_outAVG＜δ1，表明墙体外表面湿度过小，为防止墙体因湿度过小干裂脱落，打开雨蓬设备模块8可以阻挡光线照射。

(5-4)综合考虑各粉尘传感器444检测到的粉尘浓度f(Dust_i)及粉尘浓度变化率f'(Dust_i)来判断夯土建筑的墙体脱落情况；若粉尘浓度f(Dust_i)≥ω₁或表明该传感器附近的粉尘浓度过大或短时间内粉尘浓度变化率太大，则判断夯土建筑此处的墙体脱落严重，各个粉尘传感器444的编号以及安装位置事先设定在监测系统内，此时可根据该粉尘传感器444的编号i 确定脱落位置，以便于通知维护人员到指定位置进行维护作业；反之，则判断夯土建筑墙体无脱落或者脱落情况较轻。

(6)警报提醒：监测系统中可以设置报警模块，若夯土建筑墙体脱落严重，或墙体湿度长时间过大，则可以及时提醒用户对房屋进行维护。

(7)管理终端1实时显示监测结果：汇聚节点A41将判断结果上传至云服务器2，管理终端1根据云服务器2发送的数据显示出监测数据曲线以及当前环境参数等相关信息，做到远程实时监控管理。

采用本发明中的一种生夯土建筑的智能监测维护系统及方法，能够根据实时环境参数对夯土建筑进行有效控制及智能维护，改善了夯土建筑的居住环境；本发明综合考虑了夯土建筑墙体内外的温湿度、光强度、气压和粉尘浓度检测实时环境参数的变化，通过粉尘浓度及其变化率来分析墙体脱落情况，并结合云服务器2的计算结果对环境参数进行判断控制，发现异常情况通过警报提醒用户对夯土建筑进行日常维护；本发明克服了现有夯土建筑容易受外面环境影响(潮湿和干裂)维护困难等问题，帮助住户进行夯土建筑的日常维护，改善居住环境的同时延长夯土建筑的居住年限，对于夯土建筑的保护具有重要意义。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (4)

1.一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，其特征在于：包括夯土建筑房屋节点、无线网络、云服务器和管理终端，房屋节点的室内安装有空调、加湿器和除湿器，房屋节点的外墙体上安装有雨蓬设备模块；房屋节点还包括汇聚节点A、安装在外墙体表面的三个传感器节点B、安装在内墙体表面的三个传感器节点C、同时安装在内墙体和外墙体表面的n个传感器节点D；传感器节点B、C、D分别与汇聚节点A双向通信并上传采集数据给汇聚节点A，汇聚节点A接收到反馈数据后进行数据处理，处理后的数据连同原始数据一并上传给云服务器，云服务器连接控制空调、加湿器、除湿器以及雨蓬设备模块的开启或关闭；

(1)管理终端通知汇聚节点A进行房屋节点室内外各项监测参数的训练或更新，并标记具体参数；

(2)传感器节点的数据采集：三个传感器节点B分别采集房屋节点室外的湿度数据RH_out1～RH_out3、温度数据TEMP_out1～TEMP_out3、以及光强度数据LGT₁～LGT₃并发送给汇聚节点A；三个传感器节点C分别采集房屋节点室内的湿度数据RH_in1～RH_in3、温度数据TEMP_in1～TEMP_in3以及气压数据P_t1～P_t3并发送给汇聚节点A；n个传感器节点D分别采集房屋节点室内及室外的粉尘浓度数据Dust₁～Dust_n并发送给汇聚节点A；

(3)汇聚节点A数据预处理：

(3-1)计算夯土建筑房屋节点室内湿度均值RH_inAVG、室外湿度均值RH_outAVG、室内温度均值TEMP_inAVG以及室外光强度均值LGT_AVG；

(3-2)计算夯土建筑房屋节点墙体内表面的湿度激活函数f(RH_in)，该湿度激活函数用于判断加湿器和除湿器工作状态函数，计算公式如下：

上述公式5和6中的ε(RH_inAVG)为阶跃函数；

(3-3)计算当前室温下夯土建筑房屋节点室内的气体压强P_t0，计算公式如下：

P_t0＝P₀(1+TEMP_inAVG/273) (公式7)

公式7中，P₀为0℃时的气体压强，TEMP_inAVG为当前室内平均温度；

(3-4)计算夯土建筑房屋节点墙体内表面的气压均值P_tAVG；

(3-5)计算当前夯土建筑房屋节点室内温湿度条件下的加湿器和除湿器的档位控制函数G，计算公式如下：

上述公式中，P_st为当前房屋节点室温下饱和水蒸气压强，RH_inD为开启加湿器的室内湿度下限值，RH_inP为开启除湿器的室内湿度上限值；函数G₁用于自动调节加湿器的档位控制，G₂用于自动调节除湿器的档位控制；

(3-6)计算夯土建筑房屋节点室内外的粉尘浓度变化率f′(Dust)；

(4)云服务器中控制参数阈值设定：

设定开启加湿器的室内湿度下限值RH_inD，设定开启除湿器的室内湿度上限值RH_inP；

设定控制雨蓬设备模块开启或关闭的参数阈值，包括室外湿度上限值δ₂，室外湿度下限值δ₁，室外光强的上限值μ₂，室外光强的下限值μ₁；

设定判断墙体脱落情况的粉尘浓度上限值ω₁以及粉尘浓度变化率上限值

控制参数阈值设定完毕，云服务器将各项参数阈值返回至汇聚节点A。

2.根据权利要求1所述的一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，其特征在于：

步骤(3-1)中计算均值的公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，其特征在于：

步骤(3-4)中计算气压均值的公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种夯土建筑智能监测系统的监测参数训练方法，其特征在于：

步骤(3-6)中计算粉尘浓度变化率的公式如下：