CN111504393A - 基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统和方法，安全监测系统中，幕墙监测传感器固定于玻璃幕墙上，数据分析模块用于将加速度传感器和绝对压力传感器输出的模拟量电压值转换得到对应的数字量电压值，并分别计算得到模拟量电压值和数字量电压值的分析数据；脱落预警模块判断玻璃幕墙是否存在安全风险，传感器定位模块用于提供玻璃幕墙和所安装的传感器的数据信息，故障诊断模块得到玻璃幕墙的固有频率变化趋势；安全管理模块得到玻璃幕墙的位姿状态以及安全系数。通过本发明的技术方案，能够在玻璃幕墙出现安全风险时提前进行预警、检修，进而提高玻璃幕墙的安全性能，减小周围人员和设施的安全隐患。

Description

基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统和方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统和一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法。

背景技术

目前很多建筑常采用玻璃幕墙进行装修，其上的玻璃幕墙会存在倾斜、松动、移动或者脱落的风险，从而对周围人员或设施造成安全隐患。现有建筑对于玻璃幕墙存在的倾斜、松动、移动或者脱落的风险是不能够提供预警的，包括给周围的人员提供预警有倾斜、松动、移动或者坠落情况以及给维护人员提供预警传感器可能存在风险，存在安全方面的隐患和维保不及时的情况。如何预测到可能发生倾斜、松动、移动或者脱落或者如何监测到已经发生倾斜、松动、移动或者脱落，以及同时在倾斜、松动、移动或者脱落过程中提供预警，目前有的技术不能很好的解决问题。

发明内容

针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统和方法，通过固定于玻璃幕墙上的MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器进行实时监测，并根据采集到的监测数据判断玻璃幕墙的位姿状态和安全系数、安全等级，从而能够在玻璃幕墙出现安全风险时提前进行预警、检修，进而提高玻璃幕墙的安全性能，减小周围人员和设施的安全隐患。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，包括：幕墙监测传感器和幕墙监测预警平台；所述幕墙监测传感器包括数据采集模块、数据分析模块、脱落预警模块、传感器定位模块和通信模块，所述幕墙监测传感器固定于玻璃幕墙上，所述幕墙监测预警平台包括故障诊断模块、安全管理模块和远程控制模块；所述数据采集模块包括MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器，所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器将采集到的模拟量电压值传输至所述数据分析模块，所述数据分析模块用于将所述模拟量电压值转换得到对应的数字量电压值，并分别计算得到所述模拟量电压值和所述数字量电压值的分析数据；所述脱落预警模块用于根据所述模拟量电压值和所述数字量电压值及相应的分析数据，分别与预设的对应阈值进行比对，以判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险，所述传感器定位模块用于提供所述玻璃幕墙和所安装的传感器的数据信息，所述通信模块用于将所述数据分析模块、所述脱落预警模块和所述传感器定位模块输出的数据发送至所述幕墙监测预警平台；所述故障诊断模块用于对所述数据分析模块输出的所述模拟量电压值和所述数字量电压值的原始数据和分析数据进行监测，得到所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势；所述安全管理模块用于对所述数据分析模块输出的所述模拟量电压值和所述数字量电压值的分析数据进行监测，得到所述玻璃幕墙的位姿状态以及安全系数；所述远程控制模块用于控制所述幕墙监测传感器的采集参数。

在上述技术方案中，优选地，所述数据分析模块包括电压判断模块、数据预处理模块、模数转换模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括数据存储模块和MCU微处理器模块；所述电压判断模块接收所述数据采集模块采集的模拟量电压值，所述电压判断模块用于判断所述MEMS三向加速度传感器的电压变化和所述绝对压力传感器的电压变化与相应的电压阈值的比对值，还用于计算所述模拟量电压值的平均值、有效值和标准差与相应的阈值的比对值；所述数据预处理模块用于对所述模拟量电压值进行滤波处理，还用于将所述玻璃幕墙的振动加速度信号积分为振动位移信号；所述模数转换模块用于将输入的模拟量电压值信号转换为数字量电压值信号；所述MCU微处理器模块用于对输入的数字量电压值进行平均值、有效值、标准差和FFT频谱的计算，并将原始数据和分析结果暂存至所述数据存储模块中。

在上述技术方案中，优选地，所述幕墙监测预警平台还包括数据展示模块，所述数据展示模块用于展示所述数据分析模块输出的所述数字量电压值的分析数据、所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及所述玻璃幕墙的位姿状态和安全系数。

在上述技术方案中，优选地，所述幕墙监测预警平台还包括智能算法模块，所述智能算法模块基于傅里叶级数算法与神经网络算法、使用高偏差/低方差的分类器进行场景训练，利用训练后的智能算法模块对接收到的所述数字量电压值的分析数据进行分析，判断得到所述玻璃幕墙的安全性能。

在上述技术方案中，优选地，所述幕墙监测预警平台还包括远程控制模块，所述远程控制模块用于提供用以控制所述幕墙监测传感器采集参数的控件，并由所述数据展示模块显示。

在上述技术方案中，优选地，所述幕墙监测传感器还包括能源管理模块，所述能源管理模块包括内置锂电池、外置太阳能电池和能源收集模块，所述内置锂电池通过所述能源收集模块与所述外置太阳能电池相连接，所述内置锂电池分别对所述数据采集模块、所述数据分析模块和所述通信模块供电，所述通信模块还将所述能源管理模块的剩余电量信息发送至所述幕墙监测预警平台。

在上述技术方案中，优选地，所述幕墙监测传感器采用一体封装结构，所述幕墙监测传感器的长和宽的比值在0.4-2.5之间，且所述幕墙监测传感器的厚度与长和宽的平均值的比值在0.2以下。

本发明还提出一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法，应用于如上述技术方案中任一项所述的幕墙频率安全监测系统，包括：采集MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器的监测数据；对所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器的监测数据分别进行预处理和模数转换；分别对模拟量的所述监测数据和数字量的所述监测数据进行计算和分析；将所述监测数据和计算、分析结果发送至幕墙监测预警平台；根据所述监测数据和相应的计算、分析结果，分别与预设的对应阈值进行比对，判断所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器的位姿状态，判断玻璃幕墙是否存在安全风险。

在上述技术方案中，优选地，根据所述MEMS三向加速度传感器的三向倾角变化导致的电压变化和所述绝对压力传感器的高度变化导致的电压变化与相应的电压阈值的比对值，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险；根据所述MEMS三向加速度传感器的三向振动频率、三向倾角变化和所述绝对压力传感器的高度变化的计算值，以及与相应阈值的比对值，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险；利用所述数据展示模块展示所述监测数据和相应的分析数据、所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及所述玻璃幕墙的位姿状态和安全系数；根据所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势判断所述玻璃幕墙的安全等级；采用基于傅里叶级数算法与神经网络算法的智能算法模块对所述监测数据进行运算，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险。

在上述技术方案中，优选地，根据所述传感器定位模块中预设的用于表征所述幕墙监测传感器自身信息和所处的玻璃幕墙信息的定位数据，以及所述绝对压力传感器的电压值转换得到所述幕墙监测传感器的所处高度，对所述幕墙监测传感器及所处的玻璃幕墙进行定位；在所述幕墙监测预警平台中存储与玻璃幕墙及所安装的幕墙监测传感器的安装、维护、保养的历史数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过固定于玻璃幕墙上的MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器进行实时监测，并根据采集到的监测数据判断玻璃幕墙的位姿状态和安全系数、安全等级，从而能够在玻璃幕墙出现安全风险时提前进行预警、检修，进而提高玻璃幕墙的安全性能，减小周围人员和设施的安全隐患。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统的结构示意框图；

图2为本发明一种实施例公开的幕墙监测传感器的结构示意框图；

图3为本发明一种实施例公开的数据采集模块的结构示意框图；

图4为本发明一种实施例公开的数据分析模块的结构示意框图；

图5为本发明一种实施例公开的数据预处理模块的结构示意框图；

图6为本发明一种实施例公开的数据处理模块的结构示意框图；

图7为本发明一种实施例公开的脱落预警模块的结构示意框图；

图8为本发明一种实施例公开的能源管理模块的结构示意框图；

图9为本发明一种实施例公开的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法的流程示意图。

图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：

1.幕墙监测传感器，11.数据采集模块，111.MEMS三向加速度传感器，112.绝对压力传感器，12.数据分析模块，121.电压判断模块，122.数据预处理模块，1221.抗混叠滤波器，1222.高通滤波器，1223.数据积分模块，123.模数转换模块，124.数据处理模块，1241.数据存储模块，1242.MCU微处理器模块，13.通信模块，14.脱落预警模块，141.电压监测模块，142.脱落判断模块，15.传感器定位模块，16.能源管理模块，161.内置锂电池，162.外置太阳能电池，163.能源收集模块，2.幕墙监测预警平台，21.故障诊断模块，22.安全管理模块，23.数据展示模块，24.智能算法模块，25.远程控制模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，包括：幕墙监测传感器1和幕墙监测预警平台2；幕墙监测传感器1包括数据采集模块11、数据分析模块12、脱落预警模块14、传感器定位模块15和通信模块13，幕墙监测传感器1固定于玻璃幕墙上，幕墙监测预警平台2包括故障诊断模块21、安全管理模块22和远程控制模块25；数据采集模块11包括MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112，MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112将采集到的模拟量电压值传输至数据分析模块12，数据分析模块12用于将模拟量电压值转换得到对应的数字量电压值，并分别计算得到模拟量电压值和数字量电压值的分析数据；脱落预警模块14用于根据模拟量电压值和数字量电压值及相应的分析数据，分别与预设的对应阈值进行比对，以判断玻璃幕墙是否存在安全风险，传感器定位模块15用于提供玻璃幕墙和所安装的传感器的数据信息，通信模块13用于将数据分析模块12、脱落预警模块14和传感器定位模块15输出的数据发送至幕墙监测预警平台2；故障诊断模块21用于对数据分析模块12输出的模拟量电压值和数字量电压值的原始数据和分析数据进行监测，得到玻璃幕墙的固有频率变化趋势；安全管理模块22用于对数据分析模块12输出的模拟量电压值和数字量电压值的分析数据进行监测，得到玻璃幕墙的位姿状态以及安全系数；远程控制模块25用于控制幕墙监测传感器1的采集参数。

在该实施例中，通过固定于玻璃幕墙上的MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112进行实时监测，并根据采集到的监测数据判断玻璃幕墙的位姿状态和安全系数、安全等级，从而能够在玻璃幕墙出现安全风险时提前进行预警、检修，进而提高玻璃幕墙的安全性能，减小周围人员和设施的安全隐患。

如图3所示，具体地，数据采集模块11包括MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112，MEMS三向加速度传感器111用于测量玻璃幕墙表面的振动情况，绝对压力传感器112用于测量玻璃幕墙表面的气压情况，数据分析模块12将传感器测量得到的模拟量电压值转换为数字量电压值，并分别针对模拟量电压值和数字量电压值进行计算和分析，得到模拟量电压值的平均值、有效值和标准差，得到数字量电压值的平均值、有效值、标准差和FFT频谱，以根据该计算结果进行进一步的判断，判定传感器和所处的玻璃幕墙的安全状态和位姿状态。

如图4至图6所示，在上述实施例中，优选地，数据分析模块12包括电压判断模块121、数据预处理模块122、模数转换模块123和数据处理模块124，数据处理模块124包括数据存储模块1241和MCU微处理器模块1242；电压判断模块121接收数据采集模块11采集的模拟量电压值，电压判断模块121用于判断MEMS三向加速度传感器111的电压变化和绝对压力传感器112的电压变化与相应的电压阈值的比对值，还用于计算模拟量电压值的平均值、有效值和标准差与相应的阈值的比对值；数据预处理模块122用于对模拟量电压值进行滤波处理，还用于将玻璃幕墙的振动加速度信号积分为振动位移信号；模数转换模块123用于将输入的模拟量电压值信号转换为数字量电压值信号；MCU微处理器模块1242用于对输入的数字量电压值进行平均值、有效值、标准差和FFT频谱的计算，并将原始数据和分析结果暂存至数据存储模块1241中。

具体地，电压判断模块121的功能是进行模拟量电压值的判断，电压判断模块121中是模拟电路，可以对于模拟量电压值信号进行平均值、有效值和标准差的计算，并且可以和对应的阈值进行比较。电压判断模块121的输出值是对模拟量电压值计算的平均值、有效值和标准差的数值和相对应阈值的比对值。数据预处理模块122包括抗混叠滤波器1221、高通滤波器1222和数据积分模块1223，抗混叠滤波器1221是为了防止采样的信号中混入大于采样频率1/2.56的高频信号叠加到低频的频率中，防止出现虚假频率。高通滤波器1222是为了防止传感器的低频漂移和扰动影响后续的数据分析。数据预处理的步骤为：数据采集模块11采集到的传感器输出的电压信号，经过抗混叠滤波器1221，滤波掉信号中的大于采样频率1/2.56的高频虚假成分，留下在采样频率1/2.56以下的真实物理频率，抗混叠滤波之后的电压信号再通过高通滤波器1222，滤波掉信号中的低频漂移和扰动的信号。数据积分模块1223是硬件积分电路，是为了将测量得到玻璃幕墙表面的振动加速度信号积分成玻璃幕墙表面的振动位移信号。模数转换模块123用于将采集得到的振动加速度模拟信号在时间轴和幅值轴上进行离散和量化，成为振动加速度数字信号，方便后续的数据处理分析。

MCU微处理器模块1242主要用于进行FFT快速傅里叶变换分析，将测量得到的玻璃幕墙振动加速度转换为玻璃幕墙加速度频谱，具有自动提取玻璃幕墙振动加速度频谱中的峰值频率和对应频率的幅值的功能。FFT快速傅里叶变换可以达到的频率精度能到达到0.005Hz级别。MCU微处理器模块1242可以对输入的数字量电压值进行平均值、有效值、标准差和FFT频谱的计算，将原始数据转换成分析结果，输出数字量电压值的原始数据、平均值、有效值、标准差和对应频率的数值以及和相对应阈值的比对值。原始数据在计算的过程中，需要暂存在数据存储模块1241中，处理之后的原始数据和分析结果，可以暂存在数据存储模块1241中，也可以直接通过通信模块13发出。电压判断模块121和数据处理模块124都与通信模块13相连，将输出值通过通信模块13进行输出。优选地，通信模块13可以采用WIFI通信模块、蓝牙通信模块、4G通信模块、5G通信模块、ZigBee通信模块、NB-IOT通信模块或Lora通信模块，作用是将数据分析模块12的计算结果和原始波形数据传输到幕墙监测预警平台2中。

如图7所示，其中，脱落预警模块14利用MEMS三向加速度传感器111的特性，通过传感器所测量得到的振动加速度数据的固有频率的变化，可以判断玻璃幕墙安装条件是否存在松动的情况，利用MEMS三向加速度传感器111的特性，在MEMS三向加速度传感器111的姿态发生改变时，X、Y、Z轴的位置会发生转动，对于MEMS三向加速度传感器111，如果没有振动的情况下，每一个转轴转动90度，输出的加速度会从0到1个g，每一个转轴转动180度，输出的加速度会从0到2个g，通过输出加速度值的基线偏移，可以感知MEMS三向加速度传感器111处于旋转状态，判断该MEMS三向加速度传感器111处于坠落状态。利用绝对压力传感器112的特性，如果绝对压力传感器112处于不动的位置，所测量的气压不会发生变化，如果高空安装物坠落或者绝对压力传感器112本身发生脱落，所测量的压力会发生变化，根据所测量的压力的变化判断该绝对压力传感器112处于坠落状态。脱落预警模块14中的电压监测模块141监测MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的输出电压的变化，传感器具有信号触发的功能，根据MEMS三向加速度传感器111和压力传感器的信号突变，脱落判断模块142通过预设的判断规则，判断幕墙监测传感器1整体是否处于脱落状态。在此基础上，还设置自动实时预警，从而提醒用户针对玻璃幕墙和/或幕墙监测传感器1进行检修和维护。

其中，传感器定位模块15根据幕墙监测传感器1内部烧录的用于表征该传感器信息的数据，以及安装过程中预存入幕墙监测预警平台2中的与所安装的玻璃幕墙之间的映射关系，实现对幕墙监测传感器1的定位。其中，玻璃幕墙的位置信息包括所处的省、市、区域、建筑、层数、具体某一块玻璃，幕墙监测传感器1的ID与玻璃幕墙的ID一一对应。在需要更换玻璃幕墙和/或幕墙监测传感器时，将对应的ID重新映射。此外，还通过绝对压力传感器112输出的电压值的平均值，将其转换为高度信息，从而得知幕墙监测传感器1所处的绝对高度，作为定位信息的一部分，多个传感器组成空间阵列，如果阵列中某一传感器输出的高度值存在异常，则可判断有玻璃幕墙或幕墙监测传感器1脱落或传感器存在异常。

在上述实施例中，优选地，幕墙监测传感器1采用一体封装结构，幕墙监测传感器1的长和宽的比值在0.4-2.5之间，且幕墙监测传感器1的厚度与长和宽的平均值的比值在0.2以下，这种结构设计使得幕墙监测传感器1整体在坠落过程中具有足够的空气阻力，降低传感器掉落的速度，防止幕墙监测传感器1本身意外坠落导致对周围人员或设施的伤害。

如图8所示，在上述实施例中，优选地，幕墙监测传感器1还包括能源管理模块16，能源管理模块16包括内置锂电池161、外置太阳能电池162和能源收集模块163，内置锂电池161通过能源收集模块163与外置太阳能电池162相连接，将微瓦到毫瓦级功率的太阳能，提升电压，提升到3-4V，然后给内置锂电池161进行充电，内置锂电池161分别对数据采集模块11、数据分析模块12和通信模块13供电，通信模块13还将能源管理模块16的剩余电量信息发送至幕墙监测预警平台2。

另外，在安装于玻璃幕墙上的幕墙监测传感器1将采集和计算后的数据和分析结果通过通信模块13发送至幕墙监测预警平台2后，根据接收到的数据进行进一步地分析和判断，通过持续的监测各数据的变化情况，来进一步判断幕墙监测传感器1和所安装的玻璃幕墙的安全情况。

其中，故障诊断模块21可以根据玻璃幕墙的尺寸和支撑边界条件，根据理论或者经验计算公式或者有限元分析，得到玻璃幕墙在最牢固和最不利情况下的频率和模态分布规律，同时根据此分布规律，对玻璃幕墙的安全性划分出A、B、C、D四个安全等级，根据传感器模块传输过来的玻璃幕墙的具体频率值，判断出玻璃幕墙处理哪一个安全等级，提前进行预警。具体地，故障诊断模块21通过幕墙监测传感器1传输来的玻璃幕墙的频率，对同一块玻璃幕墙进行长期的跟踪监测，得到其固有频率的变化趋势，根据此固有频率的变化趋势对玻璃幕墙的安全性进行提前预警。

根据玻璃幕墙的安装方式，玻璃幕墙在四边简支和四边固支状态下的固有频率计算公式如下：

对于四边简支的玻璃幕墙，其固有频率：

对于四边固支的玻璃幕墙，其固有频率：

ω–玻璃幕墙的固有频率(rad/s)

–每单位面积的幕墙玻璃质量

a–玻璃幕墙的短边边长

b–玻璃幕墙的长边边长

D–玻璃的弯曲刚度，D＝Eh³/12(1-V²)

E–幕墙玻璃的杨氏模量

h-幕墙玻璃的厚度

v–幕墙玻璃的泊松比

玻璃幕墙固有频率计算示例

玻璃长宽尺寸a＝b＝0.3m，厚度h＝0.004m

玻璃弹性模量E＝70Gpa，泊松比v＝0.24，密度

四边简支情况，玻璃幕墙固有频率为219Hz，四边固支情况，玻璃幕墙固有频率为400Hz。

针对四边简支和四边固支情况下的固有频率计算，可以得到玻璃幕墙在正常安装情况下的固有频率范围，根据MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的监测数据计算得到玻璃幕墙的固有频率与该固有频率范围之间的对比，根据预设规则将其划分为不同的安全等级，从而实现提前预警。

安全管理模块22利用电压判断模块121或者数据分析模块12得到的各个参数，对传感器的安全状态的判断方式有六种：

其一为：MEMS三向加速度传感器111的三个轴向的加速度信号的主频频率值存在连续降低的过程，判定玻璃幕墙的安装边界条件(夹板、密封胶等)变弱，存在松动的隐患；

其二为：MEMS三向加速度传感器111的加速度信号的有效值和标准差或者积分之后的位移信号的有效值和标准差发生变化，超出各自预设阈值，判定玻璃幕墙处于振动过大状态，存在安全隐患；

其三为：MEMS三向加速度传感器111的加速度信号的平均值和有效值或者积分之后的位移信号的平均值和有效值发生变化，超出各自预设阈值，判定玻璃幕墙处于倾斜或者移动状态；

其四为：绝对压力传感器112的有效值、平均值和标准差发生变化，超出各自预设阈值，MEMS三向加速度传感器111的加速度和位移信号没有超过阈值，判定玻璃幕墙处于气压连续变化的环境中；

其五为：MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的平均值和有效值发生变化，超出各自预设阈值，判定玻璃幕墙或者幕墙监测传感器1处于坠落状态；

其六为：MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的平均值和有效值发生变化，超出各自预设阈值，判定玻璃幕墙或者幕墙监测传感器1处于坠落状态，在此情况下，根据MEMS三向加速度传感器111的加速度和位移的标准差的变化是否超出阈值，判定是玻璃幕墙连同幕墙监测传感器1一起脱落还是幕墙监测传感器1单独脱落。

在上述每种安全预警状态中，根据阈值的不同存在一级预警、二级预警和三级预警。

安全管理模块22基于对玻璃幕墙的安全性分析，提供多维度的评估报告，决策是否售后维修，同时会给玻璃幕墙做终生记录，幕墙溯源可以查询到此幕墙的历史特征。具体包括：幕墙安全指数、幕墙频率和幕墙溯源，其中，

基于傅里叶级数算法及相关算法模型，推测出每块玻璃幕墙的幕墙安全指数，系数在0-0.3范围，属于低风险系数，正常使用即可，可以承受10级以内的暴风；系数范围在0.4-0.6，属于中等风险系数，需要做检查、维护，包括支承结构松动等；系数范围在0.6-1，属于高风险系数，必须进行更换处理。

幕墙频率，每块玻璃幕墙存在固有频率，以玻璃幕墙的固有频率变化来评价建筑玻璃幕墙的支承结构松动损伤及玻璃脱落风险的标准规范，由于玻璃幕墙的固有频率是一个比较容易获得的动态特性参数，是现场检测既有玻璃幕墙安全性能的便捷方法。

幕墙溯源，为依据玻璃幕墙的唯一识别标签，即每块玻璃预设的一个身份标识，将该身份识别标签与其上安装的幕墙监测传感器1的数据映射存储于幕墙监测预警平台2中，在此基础上存储对应玻璃和其上安装幕墙监测传感器1的历史数据记录、维护保养等记录。

在上述实施例中，优选地，幕墙监测预警平台2还包括数据展示模块23，数据展示模块23用于展示数据分析模块12输出的数字量电压值的分析数据、玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及玻璃幕墙的位姿状态和安全系数。通过相应的网络端口和网络协议，可以通过电脑端、手机端、pad端进行数据的呈现和展示。

在上述实施例中，优选地，幕墙监测预警平台2还包括智能算法模块24，智能算法模块24基于傅里叶级数算法与神经网络算法、收集1000个左右的训练集样本、使用高偏差/低方差的分类器进行场景训练，利用训练后的智能算法模块24对接收到的数字量电压值的分析数据进行分析，判断得到玻璃幕墙的安全性能。

具体的，智能算法模块24的训练方法包括：

1)收集数据：可以使用任何方法；

2)准备数据：树构造算法(这里使用的是ID3算法，只适用于标称型数据，这就是为什么数值型数据必须离散化，还有其他的树构造算法，比如CART)；

3)分析数据：可以使用任何方法，构造树完成之后，检查图形是否符合预期；

4)训练算法：构造树的数据结构，预测拟合模型；

5)测试算法：使用训练好的树计算错误率；

6)使用算法：适用于监督学习任务，使用决策树可以更好地理解数据的内在含义，从而根据接收到的数据判断玻璃幕墙的安全性能。

在上述实施例中，优选地，幕墙监测预警平台2还包括远程控制模块25，远程控制模块25用于提供用以控制幕墙监测传感器1采集参数的控件，包括但不限于采样频率、FFT分析点数、采样时间、触发方式(定制触发、加速度阈值触发、连续采样等)，并由数据展示模块23显示这些控件，以便用户进行控制操作。

如图9所示，本发明还提出一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法，应用于如上述实施例中任一项的幕墙频率安全监测系统，包括：采集MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的监测数据；对MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的监测数据分别进行预处理和模数转换；分别对模拟量的监测数据和数字量的监测数据进行计算和分析；将监测数据和计算、分析结果发送至幕墙监测预警平台2；根据监测数据和相应的计算、分析结果，分别与预设的对应阈值进行比对，判断MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112的位姿状态，判断玻璃幕墙是否存在安全风险。

在该实施例中，通过固定于玻璃幕墙上的MEMS三向加速度传感器111和绝对压力传感器112进行实时监测，并根据采集到的监测数据判断玻璃幕墙的位姿状态和安全系数、安全等级，从而能够在玻璃幕墙出现安全风险时提前进行预警、检修，进而提高玻璃幕墙的安全性能，减小周围人员和设施的安全隐患。

在上述实施例中，优选地，根据MEMS三向加速度传感器111的三向倾角变化导致的电压变化和绝对压力传感器112的高度变化导致的电压变化与相应的电压阈值的比对值，判断玻璃幕墙是否存在安全风险；根据MEMS三向加速度传感器111的三向振动频率、三向倾角变化和绝对压力传感器112的高度变化的计算值，以及与相应阈值的比对值，判断玻璃幕墙是否存在安全风险；利用数据展示模块23展示监测数据和相应的分析数据、玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及玻璃幕墙的位姿状态和安全系数；根据玻璃幕墙的固有频率变化趋势判断玻璃幕墙的安全等级；采用基于傅里叶级数算法与神经网络算法的智能算法模块24对监测数据进行运算，判断玻璃幕墙是否存在安全风险。

在上述实施例中，优选地，根据传感器定位模块15中预设的用于表征幕墙监测传感器1自身信息和所处的玻璃幕墙信息的定位数据，以及绝对压力传感器112的电压值转换得到幕墙监测传感器1的所处高度，对幕墙监测传感器1及所处的玻璃幕墙进行定位；在幕墙监测预警平台2中存储与玻璃幕墙及所安装的幕墙监测传感器1的安装、维护、保养的历史数据。

具体地，各模块所实现的功能参见上述实施例所提出的幕墙频率安全监测系统中各模块所能实现的功能，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，包括：幕墙监测传感器和幕墙监测预警平台；

所述幕墙监测传感器包括数据采集模块、数据分析模块、脱落预警模块、传感器定位模块和通信模块，所述幕墙监测传感器固定于玻璃幕墙上，所述幕墙监测预警平台包括故障诊断模块、安全管理模块和远程控制模块；

所述数据采集模块包括MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器，所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器将采集到的模拟量电压值传输至所述数据分析模块，所述数据分析模块用于将所述模拟量电压值转换得到对应的数字量电压值，并分别计算得到所述模拟量电压值和所述数字量电压值的分析数据；

所述脱落预警模块用于根据所述模拟量电压值和所述数字量电压值及相应的分析数据，分别与预设的对应阈值进行比对，以判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险，所述传感器定位模块用于提供所述玻璃幕墙和所安装的传感器的数据信息，所述通信模块用于将所述数据分析模块、所述脱落预警模块和所述传感器定位模块输出的数据发送至所述幕墙监测预警平台；

所述故障诊断模块用于对所述数据分析模块输出的所述模拟量电压值和所述数字量电压值的原始数据和分析数据进行监测，得到所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势；

所述安全管理模块用于对所述数据分析模块输出的所述模拟量电压值和所述数字量电压值的分析数据进行监测，得到所述玻璃幕墙的位姿状态以及安全系数；

所述远程控制模块用于控制所述幕墙监测传感器的采集参数。

2.根据权利要求1所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述数据分析模块包括电压判断模块、数据预处理模块、模数转换模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括数据存储模块和MCU微处理器模块；

所述电压判断模块接收所述数据采集模块采集的模拟量电压值，所述电压判断模块用于判断所述加速度传感器的电压变化和所述绝对压力传感器的电压变化与相应的电压阈值的比对值，还用于计算所述模拟量电压值的平均值、有效值和标准差与相应的阈值的比对值；

所述数据预处理模块用于对所述模拟量电压值进行滤波处理，还用于将所述玻璃幕墙的振动加速度信号积分为振动位移信号；

所述模数转换模块用于将输入的模拟量电压值信号转换为数字量电压值信号；

所述MCU微处理器模块用于对输入的数字量电压值进行平均值、有效值、标准差和FFT频谱的计算，并将原始数据和分析结果暂存至所述数据存储模块中。

3.根据权利要求2所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述幕墙监测预警平台还包括数据展示模块，所述数据展示模块用于展示所述数据分析模块输出的所述数字量电压值的分析数据、所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及所述玻璃幕墙的位姿状态和安全系数。

4.根据权利要求3所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述幕墙监测预警平台还包括智能算法模块，所述智能算法模块基于傅里叶级数算法与神经网络算法、使用高偏差/低方差的分类器进行场景训练，利用训练后的智能算法模块对接收到的所述数字量电压值的分析数据进行分析，判断得到所述玻璃幕墙的安全性能。

5.根据权利要求3所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述幕墙监测预警平台还包括远程控制模块，所述远程控制模块用于提供用以控制所述幕墙监测传感器采集参数的控件，并由所述数据展示模块显示。

6.根据权利要求5所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述幕墙监测传感器还包括能源管理模块，所述能源管理模块包括内置锂电池、外置太阳能电池和能源收集模块，所述内置锂电池通过所述能源收集模块与所述外置太阳能电池相连接，所述内置锂电池用于给所述幕墙监测传感器提供能源，所述通信模块还将所述能源管理模块的剩余电量信息发送至所述幕墙监测预警平台。

7.根据权利要求6所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，所述幕墙监测传感器采用一体封装结构，所述幕墙监测传感器的长和宽的比值在0.4-2.5之间，且所述幕墙监测传感器的厚度与长和宽的平均值的比值在0.2以下。

8.一种基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的幕墙频率安全监测系统，其特征在于，包括：

采集MEMS三向加速度传感器和绝对压力传感器的监测数据；

对所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器的监测数据分别进行预处理和模数转换；

分别对模拟量的所述监测数据和数字量的所述监测数据进行计算和分析；

将所述监测数据和计算、分析结果发送至幕墙监测预警平台；

根据所述监测数据和相应的计算、分析结果，分别与预设的对应阈值进行比对，判断所述MEMS三向加速度传感器和所述绝对压力传感器的位姿状态，判断玻璃幕墙是否存在安全风险。

9.根据权利要求8所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法，其特征在于，

根据所述MEMS三向加速度传感器的三向倾角变化导致的电压变化和所述绝对压力传感器的高度变化导致的电压变化与相应的电压阈值的比对值，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险；

根据所述MEMS三向加速度传感器的三向振动频率、三向倾角变化和所述绝对压力传感器的高度变化的计算值，以及与相应阈值的比对值，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险；

利用所述数据展示模块展示所述监测数据和相应的分析数据、所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势以及所述玻璃幕墙的位姿状态和安全系数；

根据所述玻璃幕墙的固有频率变化趋势判断所述玻璃幕墙的安全等级；

采用基于傅里叶级数算法与神经网络算法的智能算法模块对所述监测数据进行运算，判断所述玻璃幕墙是否存在安全风险。

10.根据权利要求8所述的基于微型加速度传感器的幕墙频率安全监测方法，其特征在于，

根据所述传感器定位模块中预设的用于表征所述幕墙监测传感器自身信息和所处的玻璃幕墙信息的定位数据，以及所述绝对压力传感器的电压值转换得到所述幕墙监测传感器的所处高度，对所述幕墙监测传感器及所处的玻璃幕墙进行定位；

在所述幕墙监测预警平台中存储与玻璃幕墙及所安装的幕墙监测传感器的安装、维护、保养的历史数据。

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