CN204119273U - 一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，包括信息采集层、信息传输层和安全监控中心；信息采集层包含一定数量的信息采集节点，信息采集层使用Zigbee网络协议自组网特性构建覆盖整个施工工地深基坑的物联网无线传感器网络，信息采集节点的传感器单元具体包括沉降信号采集、位移信号采集、应变信号采集和倾角信号采集等；信息传输层为无线Zigbee模块和4G模块组成的装置，安全监控中心对采集的深基坑数据信息分析处理，以便发现安全隐患。本实用新型能够实现施工工地深基坑监测的智能化，避免了传统有线设备监测的布线工作，系统具有成本低、功耗低、模块化设计、扩展性强、无线网络健壮等特点。

Description

一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置

技术领域

本实用新型属于建筑工程安全监测领域，具体涉及一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置。 

背景技术

随着经济的飞速发展，高层和大型建筑物越来越多，建筑物基坑开挖的深度和规模也越来越大，基坑向着大深度、大面积方向发展，周边环境也更加复杂，深基坑开发和支护的难度愈来愈大。为了保证深基坑开挖的安全，以及为基坑支护方案的选取提供基础资料，必须对基坑进行监测。新闻上常常能够看到城市中因深基坑作业造成道路坍塌、附近建筑受损、甚至附近建筑倒塌的报道，其实都是深基坑施工设计、施工、监测不到位造成的。由于勘察力度不够，设计施工费用压缩，往往对周边建筑造成比较大影响，这时候就需要通过实时监测来实现更全面的观测，从而及时采取措施，防止造成重大的事故。传统对于基坑的监测，除了人工通过全站仪观察外，通过测斜仪每天读数来监测基坑支护的变化及稳定性，采集设备不联网或使用有线联网，而现在基坑越来越深，危险系数加大，国家对于施工单位的安全要求也越来越高，深基坑监测向自动化、数字化、智能化方向发展是其未来发展的必然趋势。近年来随着传感器技术和通信技术的飞速发展，无线传感器网络应运而生。无线传感器网络从信息数据采集、信息传输和接收以及信息分析和处理全程实现无线化、智能化、数字化。特别适合用于施工工程所关心的物理变量连续实时监测，能够根据及时捕捉变量变化并快速做出安全预警。 

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有建筑工地深基坑安全监测的不足，提供一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，克服现有人工监测和有线设备监测劳动强度大、布线困难、成本高、监测范围不能够灵活扩展、 监测时效性差等弊端。 

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，其特点是：包括信息采集层、对采集的深基坑数据信息进行隐患分析处理的安全监控中心、用于接收信息采集节点采集的数据并传输到安全监控中心的信息传输层；所述信息采集层包含一定数量的信息采集节点，每个信息采集节点由无线Zigbee模块和传感器单元组成，信息采集层使用Zigbee网络协议自组网特性构建覆盖整个施工工地深基坑的物联网无线传感器网络，信息采集节点的传感器单元具体包括沉降信号采集、位移信号采集、应变信号采集和倾角信号采集；所述信息传输层为无线Zigbee模块和4G模块组成的装置。 

所述信息采集节点的无线Zigbee模块采用符合Zigbee网络协议的CC2530芯片，无线Zigbee模块工作在无线路由器模式；所述信息采集节点的传感器单元包括沉降信号采集单元、位移信号采集单元、应变信号采集单元和倾角信号采集单元，具体采用压力传感器、位移传感器、埋入式应变传感器和加速度传感器。 

所述信息传输层的无线Zigbee模块采用符合Zigbee网络协议的CC2530芯片，无线Zigbee模块工作在无线协调器模式；信息传输层的4G模块由MCU微控制器和4G制式(TD‐Lte/FDD‐Lte)的USB无线上网卡组成，MCU微控制器通过串口与无线Zigbee模块连接，MCU微控制器通过USB接口与4G无线上网卡连接。 

所述安全监控中心通过分析处理信息传输层传送的深基坑信息采集节点采集的数据，结合历史采集数据信息，经过一系列统计学和物理学公式计算，判断出具有安全隐患的深基坑具体位置，并及时给出预警，以避免安全生产事故。 

本实用新型1、融合了传感器技术和通讯技术，系统集合Zigbee无线传感器网络和4G通讯技术，组建具有智能组网和无线信息采集、传输的深基坑监测系统，真正实现了深基坑安全监测的信息化和实时性。2、信息采 集节点基于Zigbee网络协议组网，因此网络具有自组织、自维护特性，可灵活的增减信息采集节点改变深基坑监测范围，此外在网络中当个别节点发生故障后，其它节点工作不受影响，原先通过故障节点作为路由传输的节点会和其它正常节点重新智能组网，更新数据传输的路由，保证了网络的灵活性和健壮性。3、信息采集节点采用CC2530芯片，具有工作功耗低、价格低廉、支持多种先进的网络拓扑、节点定位等特点，以及其安全、可靠、扩展灵活、维护周期长的特性，特别适合用于组建深基坑这种建筑工地恶劣环境下的无线传感器网络。 

附图说明

图1为本实用新型的信息采集节点组成原理图。 

图2为本实用新型的信息传输装置组成原理图。 

图3、图4、图5、图6为本实用新型的深基坑监测原理图。 

图7为本实用新型的安全监控中心系统界面。 

具体实施方式

本实用新型基于物联网无线传感器网络的深基坑监测系统架构图，系统分为信息采集层、信息传输层和安全监控中心三个部分。所述信息采集层包含一定数量的信息采集节点，每个信息采集节点由无线Zigbee模块和传感器单元组成，信息采集层使用Zigbee网络协议自组网特性构建覆盖整个施工工地深基坑的物联网无线传感器网络，信息采集节点的传感器单元具体包括沉降信号采集、位移信号采集、应变信号采集和倾角信号采集等；所述信息传输层为Zigbee模块和4G模块组成的装置，用于接收信息采集节点采集的数据并传输到安全监控中心。所述安全监控中心对采集的深基坑数据信息分析处理，以便发现安全隐患。布放在建筑工地深基坑上的信息采集节点周期的读取压力传感器、位移传感器、埋入式应变传感器和加速度传感器采集的模拟量，利用CC2530芯片自带的ADC转换电路转为数值信息，将数值信息发送给信息传输装置，信息传输装置将多个信息采集节点发送来的采集信息打包压缩后通过4G高速无线网络上传安全监控中 心，安全监控中心对上传的采集基础信息结合历史采集信息通过统计和物理运算判断出深基坑是否存在沉降、位移、应力变化和倾斜情况，对于发现的存在坍塌隐患的深基坑位置将及时通过预警系统告知监管、施工、监理等单位。 

图1是信息采集节点的组成原理图。它是以CC2530芯片为主器件的硬件模块，包括CC2530无线射频芯片、压力传感器、位移传感器、埋入式应变传感器、加速度传感器、复位电路、晶振电路、天线和电源模块等。 

图2是信息传输装置的组成原理图。它是以MCU微控制器为核心的硬件模块，包括MCU微控制器、CC2530芯片、4G模块、天线和电源模块，其中MCU微控制器和CC2530芯片通过串口通信，MCU微控制器和4G模块通过USB接口连接，通过USB仿真串口实现控制4G模块的PPPoE拨号，从而完成网络连接。 

图3、图4、图5、图6是深基坑监测原理图。基坑监测主要考虑基坑墙体的稳定性，通过观察其水平位移、内部压力和倾斜情况评估其安全性。此外，对特殊场合，如地体施工中浇筑的一些梁柱支撑结构，还要监测其应力应变等参数。深基坑墙体各部分水平位移，位移太大就可能塌陷，对于作业人员、设备以及周围的建筑、设备会造成毁灭性的灾害。通过实时监测采集相关数据结合历史数据，进过分析处理可以存在隐患的深基坑位置提前给出预警，避免事故发生。 

图7是安全监控中心系统界面截图。从截图可见各种监测信息被直观的展现出来。 

终上所述，基于物联网无线传感器网络的深基坑监测系统是通过高精度传感器测量深基坑的沉降、位移、应变和倾角信息来实时监测深基坑是否存在安全隐患，从而避免安全生产事故发生，同时也为进行深基坑选择支护方案和实施支护工作提供重要的数据支持。本系统选用的无线Zigbee模块采用IEEE 802.15.4协议，它是一种短距离、低功耗的无线通讯模块，其特点是近距离、自组织、低功耗、低复杂度、低成本，非常适合建筑工 地整个深基坑的多点监控，其网络健壮、扩展灵活、维护周期长等特点，也使其能够用于建筑工地恶劣的环境中。 

Claims (3)

1.一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，其特征在于：包括信息采集层、对采集的深基坑数据信息进行隐患分析处理的安全监控中心、用于接收信息采集节点采集的数据并传输到安全监控中心的信息传输层；所述信息采集层包含一定数量的信息采集节点，每个信息采集节点由无线Zigbee模块和传感器单元组成，信息采集层使用Zigbee网络协议自组网特性构建覆盖整个施工工地深基坑的物联网无线传感器网络，信息采集节点的传感器单元具体包括沉降信号采集、位移信号采集、应变信号采集和倾角信号采集；所述信息传输层为无线Zigbee模块和4G模块组成的装置。 

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，其特征在于：所述信息采集节点的无线Zigbee模块采用符合Zigbee网络协议的CC2530芯片，无线Zigbee模块工作在无线路由器模式；所述信息采集节点的传感器单元包括沉降信号采集单元、位移信号采集单元、应变信号采集单元和倾角信号采集单元，具体采用压力传感器、位移传感器、埋入式应变传感器和加速度传感器。 

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网无线传感器网络的深基坑监测装置，其特征在于：所述信息传输层的无线Zigbee模块采用符合Zigbee网络协议的CC2530芯片，无线Zigbee模块工作在无线协调器模式；信息传输层的4G模块由MCU微控制器和4G制式TD‐Lte/FDD‐Lte的USB无线上网卡组成，MCU微控制器通过串口与无线Zigbee模块连接，MCU微控制器通过USB接口与4G无线上网卡连接。