CN113543059A - 楼宇建筑健康状态监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种楼宇建筑健康状态监测系统，所述楼宇建筑健康状态监测系统包括本地数据采样层、信息传输中继层和云平台管理监测层，所述本地数据采样层由楼宇倾角采集节点、楼宇墙面裂缝采集节点、楼宇钢筋应力采集节点和楼宇环境采集节点组成，所述信息传输中继层由物联中继网关组成，所述云平台管理监测层由云端后台服务器、云端数据库和网页展示端组成。本发明提出了一种具有边缘端计算力、低功耗、拓扑扩展灵活的楼宇建筑结构健康状态监测系统，通过对楼宇建筑的两轴倾斜角、墙面裂缝位移、应力等状态参数的监测，实现对楼宇结构健康的预警和防灾保障的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种楼宇建筑健康状态监测系统。
背景技术
近年来，地质灾害、意外事故以及工程质量问题的事件频发，人们对建筑日常维护检查、危险程度的日益重视，楼宇建筑结构参数的实时监测和记录的应用成为了必需的要求。物联网技术将传感设备基于无线或有线载体与互联网连接，实现对监测对象的智能化监测、辨识、控制等功能。随着物联网技术特别是Lora技术的飞速发展，其在楼宇建筑结构参数的实时监测已成为了研究热点，基于Lora物联网技术的楼宇建筑监测系统成为了对其健康状态的有效保障。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种具有边缘端计算力、低功耗、拓扑扩展灵活的楼宇建筑结构健康状态监测系统，通过对楼宇建筑的两轴倾斜角、墙面裂缝位移、应力等状态参数的监测，实现对楼宇结构健康的预警和防灾保障的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种楼宇建筑健康状态监测系统，所述楼宇建筑健康状态监测系统包括本地数据采样层、信息传输中继层和云平台管理监测层，所述本地数据采样层和信息传输中继层连接，所述信息传输中继层和云平台管理监测层连接，所述本地数据采样层由楼宇倾角采集节点、楼宇墙面裂缝采集节点、楼宇钢筋应力采集节点和楼宇环境采集节点组成，所述信息传输中继层由物联中继网关组成，所述云平台管理监测层由云服务器、云数据库与前端网页窗口组成。
进一步，所述楼宇倾角采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、倾角传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇倾角采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述倾角传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
再进一步，所述楼宇墙面裂缝采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、位移传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇墙面裂缝采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述裂缝位移传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
更进一步，所述楼宇钢筋应力采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、振弦应力传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇钢筋应力采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述振弦应力传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
所述楼宇环境采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、温湿度传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇环境采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述温湿度感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
所述物联中继网关包含微处理器、Lora无线通信单元、SD卡存储单元、4G无线通信单元和串口信息配置单元，所述物联中继网关的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述SD卡存储单元、所述 4G无线通信单元以及所述串口信息配置单元连接。
所述云平台管理监测层中，所述云服务器用以与所述物联中继网关进行通讯，存储监测数据到所述云服务器，所述前端网页窗口可以通过网页实时远程显示当前时刻楼宇建筑结构的监测数据，并查询统计其对应的历史数据。
进一步，所述物联中继网关与所述宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点通过Lora无线通信单元无线连接，实现一主对多从的双向无线通信，所述物联中继网关作为通讯端的主机采用发起数据采集轮询命令，所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点作为通讯端的从机响应主机报文，实现双向可靠通讯。
更进一步，所述物联中继网关作为客户端，通过所述4G无线通信单元与所述云端后台服务器连接，并采用HTTP协议实时向所述云端后台服务器发送传感数据报文，历史数据存储在所述云端数据库，所述网页展示端通过Web端将传感数据实时显示；所述物联中继网关在通过4G无线通信单元上传传感数据报文时，也将报文数据存储于所述SD卡存储单元，防止因移动通信网络信号中断而导致的数据丢失。
再进一步，所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点在空闲时处于低功耗休眠模式，降低电池电量损耗；所述物联中继网关通过发送Lora 无线报文唤醒处于休眠模式的采集节点，当采集节点完成数据采集并响应数据报文后，自动进入休眠模式。
优选的，所述物联中继网关的Lora无线报文轮询命令时间间隔默认为1小时，并可以通过所述网页展示端选择数据采集刷新频率；所述物联中继网关的4G上传报文分为心跳包和数据包，其中心跳包的发送时间间隔为10秒，数据包的发送时间间隔与Lora无线报文轮询命令时间间隔一致。
优选的，所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点采用230MHz的 Lora频带传输，传输数据采用循环冗余校验方式进行校验，并采用三次失效重传方式，保证数据传输准确可靠。
本发明的技术效果如下：
1)采用无线Lora技术构建楼宇建筑结构健康状态监测，其具有运行功耗低、拓扑扩展灵活、传感节点布置快捷、节点监测数据全面的特点。
2)采用分布式架构构建边缘侧单元，传感监测数据在边缘侧进行采集、计算、处理、分析，有效降低了通讯信道流量，减轻了云端负载，大大提升了系统可接入节点的数量。
附图说明
图1是楼宇建筑健康状态监测系统的整体结构示意图。
图2是物联中继网关的运行流程示意图。
图3是本地数据采样层采集节点的运行流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种楼宇建筑健康状态监测系统，所述楼宇建筑健康状态监测系统包括本地数据采样层1、信息传输中继层2和云平台管理监测层3，所述本地数据采样层1和信息传输中继层2连接，所述信息传输中继层2和云平台管理监测层3连接，所述本地数据采样层由楼宇倾角采集节点1-1、楼宇墙面裂缝采集节点1-2、楼宇钢筋应力采集节点1-3和楼宇环境采集节点1-4组成，所述信息传输中继层2由物联中继网关2-1组成群组，所述云平台管理监测层3由云服务器3-1、云数据库3-2与前端网页窗口3-3组成。
所述楼宇倾角采集节点1-1包含微处理器1-1-1、Lora无线通信单元1-1-2、倾角传感器1-1-3、低功耗电源控制单元1-1-4和串口信息配置单元1-1-5，所述楼宇倾角采集节点的微处理器1-1-1分别与所述 Lora无线通信单元1-1-2、所述倾角传感器1-1-3、所述低功耗电源控制单元1-1-4、所述串口信息配置单元1-1-5连接。
所述楼宇墙面裂缝采集节点1-2包含微处理器1-2-1、Lora无线通信单元1-2-2、位移传感器1-2-3、低功耗电源控制单元1-2-4和串口信息配置单元1-2-5，所述楼宇墙面裂缝采集节点的微处理器1-2-1分别与所述Lora无线通信单元1-2-2、所述裂缝位移传感器1-2-3、所述低功耗电源控制单元1-2-4、所述串口信息配置单元连接1-2-5。
所述楼宇钢筋应力采集节点1-3包含微处理器1-3-1、Lora无线通信单元1-3-2、振弦应力传感器1-3-3、低功耗电源控制单元1-3-4和串口信息配置单元1-3-5，所述楼宇钢筋应力采集节点的微处理器1-3-1 分别与所述Lora无线通信单元1-3-2、所述振弦应力传感器1-3-3、所述低功耗电源控制单元1-3-4、所述串口信息配置单元1-3-5连接。
所述楼宇环境采集节点1-4包含微处理器1-4-1、Lora无线通信单元1-4-2、温湿度传感器1-4-3、低功耗电源控制单元1-4-4和串口信息配置单元1-4-5，所述楼宇环境采集节点的微处理器1-4-1分别与所述 Lora无线通信单元1-4-2、所述温湿度感器1-4-3、所述低功耗电源控制单元1-4-4、所述串口信息配置单元1-4-5连接。
所述物联中继网关2包含微处理器2-1、Lora无线通信单元2-2、 SD卡存储单元2-3、4G无线通信单元2-4和串口信息配置单元2-5，所述物联中继网关的微处理器2-1分别与所述Lora无线通信单元2-2、所述SD卡存储单元2-3、所述4G无线通信单元2-4以及所述串口信息配置单元2-5连接。
所述云平台管理监测层3中，所述云服务器3-1用以与所述物联中继网关2进行通讯，存储监测数据到所述云服务器3-2，所述前端网页窗口3-3可以通过网页实时远程显示当前时刻楼宇建筑结构的监测数据，并查询统计其对应的历史数据。
进一步，所述物联中继网关2与所述宇倾角采集节点1-1、所述楼宇墙面裂缝采集节点1-2、所述楼宇钢筋应力采集节点1-3、所述楼宇环境采集节点1-4通过Lora无线通讯，实现一主对多从的双向无线通信。所述物联中继网关2作为通讯端的主机采用发起数据采集轮询命令，所述楼宇倾角采集节点1-1、所述楼宇墙面裂缝采集节点1-2、所述楼宇钢筋应力采集节点1-3、所述楼宇环境采集节点1-4作为通讯端的从机响应主机报文，实现双向可靠通讯。
更进一步，所述物联中继网关2作为客户端，通过所述4G无线通信单元2-4与所述云端后台服务器3-1连接，并采用HTTP协议实时向所述云端后台服务器3-1发送传感数据报文，历史数据存储在所述云端数据库3-2。所述网页展示端3-3通过Web端将传感数据实时显示；所述物联中继网关2在通过4G无线通信单元2-4上传传感数据报文时，也将报文数据存储于所述SD卡存储单元2-5，防止因移动通信网络信号中断而导致的数据丢失。
再进一步，所述楼宇倾角采集节点1-1、所述楼宇墙面裂缝采集节点1-2、所述楼宇钢筋应力采集节点1-3、所述楼宇环境采集节点1-4 在空闲时处于低功耗休眠模式，降低电池电量损耗；所述物联中继网关2通过发送Lora无线报文唤醒处于休眠模式的采集节点，当采集节点完成数据采集并响应数据报文后，自动进入休眠模式。
优选的，所述物联中继网关2的Lora无线报文轮询命令时间间隔默认为1小时，并可以通过所述网页展示端3-3选择数据采集刷新频率；所述物联中继网关2的4G上传报文分为心跳包和数据包，其中心跳包的发送时间间隔为10秒，数据包的发送时间间隔与Lora无线报文轮询命令时间间隔一致。
优选的，所述楼宇倾角采集节点1-1、所述楼宇墙面裂缝采集节点1-2、所述楼宇钢筋应力采集节点1-3、所述楼宇环境采集节点1-4 采用230MHz的Lora频带传输，传输数据采用循环冗余校验方式进行校验，并采用三次失效重传方式，保证数据传输准确可靠。
下面将描述楼宇建筑健康状态监测系统的运行流程：
楼宇倾角采集节点1-1、楼宇墙面裂缝采集节点1-2、楼宇钢筋应力采集节点1-3、楼宇环境采集节点1-4的运行流程为：1)上电初始化；2)读取传感器节点信息，具体包括传感器类型、Lora通讯信道，子网ID以及唯一标识符；3)空闲状态下运行并计时，当计时到达30 秒后，采集节点立即进入待机休眠模式，从而降低功耗；4)当所述物联中继网关2通过Lora唤醒所述采集节点时，所述采集节点对Lora 报文进行解析，若报文数据帧有效，则开始采集传感器数据并计时，当采集时间到后，所述采集节点通过其对应的Lora无线通信单元向所述物联中继网关2回复数据报文，而后再次进入休眠模式。
所述物联中继网关2的运行流程为：1)上电初始化；2)读取网关信息，具体RTC时钟信息、Lora通讯信道，以及唯一标识符；3) 所述物联中继网关2开始进行数据采集的时间片轮询调度；4)当需要采集数据的计时到，则通过Lora无线通信单元2-2连续发送3次唤醒命令，已确保各个采集节点能被可靠有效唤醒并采集数据；5)而后所述物联中继网关2等待各个采集节点回复Lora数据帧，并解析传感节点数据，并将数据重构，填充至Json数据包，并将数据包记录在本地的SD卡存储单元2-3；6)所述物联中继网关2通过4G无线通信单元2-4将Json数据包发送到所述云平台管理监测层3。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇建筑健康状态监测系统包括本地数据采样层、信息传输中继层和云平台管理监测层，所述本地数据采样层和信息传输中继层连接，所述信息传输中继层和云平台管理监测层连接，所述本地数据采样层由楼宇倾角采集节点、楼宇墙面裂缝采集节点、楼宇钢筋应力采集节点和楼宇环境采集节点组成，所述信息传输中继层由物联中继网关组成，所述云平台管理监测层由云服务器、云数据库与前端网页窗口组成。
2.如权利要求1所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇倾角采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、倾角传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇倾角采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述倾角传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
3.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇墙面裂缝采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、位移传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇墙面裂缝采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述裂缝位移传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
4.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇钢筋应力采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、振弦应力传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇钢筋应力采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述振弦应力传感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
5.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇环境采集节点包含微处理器、Lora无线通信单元、温湿度传感器、低功耗电源控制单元和串口信息配置单元，所述楼宇环境采集节点的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述温湿度感器、所述低功耗电源控制单元、所述串口信息配置单元连接。
6.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述物联中继网关包含微处理器、Lora无线通信单元、SD卡存储单元、4G无线通信单元和串口信息配置单元，所述物联中继网关的微处理器分别与所述Lora无线通信单元、所述SD卡存储单元、所述4G无线通信单元以及所述串口信息配置单元连接。
7.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述云平台管理监测层中，所述云服务器用以与所述物联中继网关进行通讯，存储监测数据到所述云服务器，所述前端网页窗口可以通过网页实时远程显示当前时刻楼宇建筑结构的监测数据，并查询统计其对应的历史数据。
8.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述物联中继网关与所述宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点通过Lora无线通信单元无线连接，实现一主对多从的双向无线通信，所述物联中继网关作为通讯端的主机采用发起数据采集轮询命令，所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点作为通讯端的从机响应主机报文，实现双向可靠通讯。
9.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述物联中继网关作为客户端，通过所述4G无线通信单元与所述云端后台服务器连接，并采用HTTP协议实时向所述云端后台服务器发送传感数据报文，历史数据存储在所述云端数据库，所述网页展示端通过Web端将传感数据实时显示；所述物联中继网关在通过4G无线通信单元上传传感数据报文时，也将报文数据存储于所述SD卡存储单元，防止因移动通信网络信号中断而导致的数据丢失。
10.如权利要求1或2所述的楼宇建筑健康状态监测系统，其特征在于，所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点在空闲时处于低功耗休眠模式，降低电池电量损耗；所述物联中继网关通过发送Lora无线报文唤醒处于休眠模式的采集节点，当采集节点完成数据采集并响应数据报文后，自动进入休眠模式；
所述物联中继网关的Lora无线报文轮询命令时间间隔默认为1小时，并可以通过所述网页展示端选择数据采集刷新频率；所述物联中继网关的4G上传报文分为心跳包和数据包，其中心跳包的发送时间间隔为10秒，数据包的发送时间间隔与Lora无线报文轮询命令时间间隔一致；
所述楼宇倾角采集节点、所述楼宇墙面裂缝采集节点、所述楼宇钢筋应力采集节点、所述楼宇环境采集节点采用230MHz的Lora频带传输，传输数据采用循环冗余校验方式进行校验，并采用三次失效重传方式，保证数据传输准确可靠。
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