基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監測系統

一、項目概述

1.1 引言

隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，高大建筑物日益增多，由于各種因素的影響，在這些工程建筑物及其設備的運營(yíng)過(guò)程中，都會(huì )產(chǎn)生變形。這種變形在一定限度內，應認為是正常的現象，但如果超過(guò)了規定的限度，就會(huì )影響建筑物的正常使用，嚴重時(shí)還會(huì )危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和運營(yíng)期間，必須對它們進(jìn)行變形觀(guān)測。為了監視建筑物在施工的過(guò)程和使用中的安全，需在施工過(guò)程及使用過(guò)程中對其進(jìn)行變形觀(guān)測；另一方面，為了進(jìn)行科學(xué)研究以及為以后的地基基礎設計提供一些經(jīng)驗數據，也需要對建筑物進(jìn)行變形觀(guān)測。建筑物的變形監測內容一般有沉降觀(guān)測、位移監測和傾斜變形監測等等，而建筑物的傾斜、裂縫等情況往往是由建筑物不均勻沉降引起的，這就要求對建筑物尤其是對高層建筑物進(jìn)行沉降觀(guān)測。通過(guò)變形監測，對所得到的變形觀(guān)測數據進(jìn)行分析，從而對建筑物的運營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，當發(fā)現不正常狀況時(shí)，需及時(shí)對其進(jìn)行分析，找出原因并采取措施，以保證建筑施工及使用的安全。

2009年8月7日溫家寶總理在無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話(huà)，“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來(lái)，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”；“在國家重大科技專(zhuān)項中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展”；“盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫‘感知中國’中心”。 在這個(gè)全新學(xué)科中，我國的技術(shù)研發(fā)水平已處于世界前列。

目前，中國與德國、美國、英國等國家一起，成為國際標準制定的主導國之一。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監測、老人護理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。專(zhuān)家預計，這一領(lǐng)域將會(huì )發(fā)展成為一個(gè)上萬(wàn)億元規模的高科技市場(chǎng)。

因此結合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監測系統，極具創(chuàng )新性和實(shí)際推廣應用價(jià)值，能夠極大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為我國建筑質(zhì)量的大幅提升提供了技術(shù)保障。

系統以模塊化平臺設計思想為指導，始終以低功耗為目標，利用太陽(yáng)能電池板供電，充分體現了環(huán)保意識，另外基于分布式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的測量網(wǎng)絡(luò )也是本系統的一個(gè)創(chuàng )新之處，相信本系統開(kāi)發(fā)完成之后，會(huì )具有非常好的實(shí)際應用前景，并可以進(jìn)一步完善成熟，達到真正的實(shí)際應用。

1.2 項目背景

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監測系統，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、樓宇變形沉降監測方法和核心無(wú)線(xiàn)數傳芯片CC2530的應用等背景知識，以下為詳細介紹。

1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用RFID、無(wú)線(xiàn)數據通信等技術(shù)，構造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識別等各種傳感技術(shù)，通過(guò)計算機互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現物品的自動(dòng)識別和信息的互聯(lián)與共享。

目前業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有一個(gè)完全統一的概念，但普遍認可的概念是通過(guò)射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統（GPS）、激光掃描器、環(huán)境傳感器、圖像感知器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )。

物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，識別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò )等，主要是識別物體，采集信息與控制。

網(wǎng)絡(luò )層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，就像大腦的信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò )層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò )層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，類(lèi)似于人體結構中的神經(jīng)中樞和大腦。

應用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會(huì )分工”，與行業(yè)需求結合，實(shí)現廣泛智能化。應用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結合，實(shí)現行業(yè)智能化。

中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應該堅持“典型應用是導向、智慧處理是重點(diǎn)”的方針，物聯(lián)網(wǎng)本身當前不可能呈現為一個(gè)整體形式而是以局部和行業(yè)的應用為當前的主要發(fā)展特征，物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)是對獲取的海量并冗余信息的智能處理，智慧應用是關(guān)鍵。抓住以上兩個(gè)要點(diǎn)，才能從當前階段和未來(lái)階段把握中國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機會(huì )。

1.2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )概述

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wireless sensor networks，WSN)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監測對象的信息的實(shí)時(shí)監測、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò )方式傳送到用戶(hù)終端，從而實(shí)現物理世界、計算世界以及人類(lèi)社會(huì )這三元世界的連通。

2000年12月，電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作組。這個(gè)工作組致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，這個(gè)名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)ZigBee形狀的舞蹈來(lái)分享新發(fā)現的食物源的位置、距離和方向等信息。在標準化方面，IEEE 802.15.4工作組主要負責制定物理層和 MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現有的標準。高層應用、測試和市場(chǎng)推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負責。ZigBee聯(lián)盟成立于2002 年8月，由英國Inversys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線(xiàn)設備公司和開(kāi)發(fā)商的加入。ZigBee聯(lián)盟官方網(wǎng)址為www.ZigBee.org，目前聯(lián)盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新規格（ZigBee 2007/Pro）。

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4 組織的推動(dòng)下，結合其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以實(shí)現無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò )。它不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫療等傳統領(lǐng)域具有極高的應用價(jià)值，而且在未來(lái)其應用更將擴展到涉及人類(lèi)日常生活和社會(huì )生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量體積小、成本低，具有無(wú)線(xiàn)通信、傳感、數據處理能力的傳感器節點(diǎn)組成的，傳感器節點(diǎn)一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。除此之外，根據具體應用的需要，可能還會(huì )有定位系統、電源再生單元和移動(dòng)單元等。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，大量傳感器節點(diǎn)被布置在整個(gè)觀(guān)測區域中，各個(gè)傳感器節點(diǎn)將所探測到的有用信息通過(guò)初步的數據處理和信息融合后傳送給用戶(hù)，數據傳送的過(guò)程是通過(guò)相鄰節點(diǎn)接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過(guò)基站以衛星通信或者有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接的方式傳送給最終用戶(hù)。因此，與其他傳統的網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下特性：

1.低功耗Zigbee傳輸速率低，傳輸數據量少，信號的收發(fā)時(shí)間短。在非工作狀態(tài)下，節點(diǎn)處于睡眠模式。而由睡眠模式啟動(dòng)至工作模式，設備搜索時(shí)間僅需45ms。通過(guò)上述機制，普通電池就可支持Zigbee節點(diǎn)運轉長(cháng)達6個(gè)月到2年左右。

2.自組織網(wǎng)絡(luò ) 在傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，通常情況下傳感器節點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎結構的地方。傳感器的位置不能預先精確設定，節點(diǎn)間的相互鄰居關(guān)系預先也不知道。例如，通過(guò)飛機播撒大量傳感器節點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或者危險的區域。因此就要求傳感器節點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議自動(dòng)形成轉發(fā)監測數據的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。

在傳感器使用過(guò)程中，部分傳感器節點(diǎn)由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效，也有一些節點(diǎn)為了彌補失效節點(diǎn)、增加監控精度而補充到網(wǎng)絡(luò )中，所以在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)個(gè)數就會(huì )動(dòng)態(tài)地增加或者減少，從而使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò )的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化。

3.高可擴充性 在沒(méi)有協(xié)調器的情況下，一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最多可容納255個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。若是有協(xié)調器的加入，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最多可擴充到65535個(gè)Zigbee節點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器相互連接，則可使整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目變得十分可觀(guān)。此外，Zigbee協(xié)議提供了數據完整性錯誤檢查，并采用了通用的AES-128加密算法，從而又具備了高保密性。

1.2.3 樓宇變形沉降監測方法概述

建筑物垂直位移觀(guān)測是測定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它應該在基坑開(kāi)挖之前開(kāi)始進(jìn)行，而貫穿于整個(gè)施工過(guò)程中，并繼續到建成后若干年，直至沉陷現象基本停止。垂直位移的觀(guān)測方法主要是采用精密水準儀進(jìn)行測量。

水平位移觀(guān)測的任務(wù)是測定建筑物在平面位置上隨時(shí)間變化的移動(dòng)量。當要測定某大型建筑物的水平位移時(shí)，可以根據建筑物的形狀和大小，布設各種形式的控制網(wǎng)進(jìn)行水平位移觀(guān)測，當要測定建筑物在某一特定方向上的位移量時(shí)，這時(shí)可以在垂直于待測定的方向上建立一條基準線(xiàn)，定期地測量觀(guān)測標志偏離基線(xiàn)的距離，就可以了解建筑物的水平位移情況。水平位移觀(guān)測一般有以下幾種方法：基準線(xiàn)法、角度前方交會(huì )法、角度后方交會(huì )法。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，監測儀器、監測方法和監測技術(shù)日新月異，給樓宇沉降變形監測帶來(lái)了嶄新的研究課題。就目前的監測方法，可分為下列幾類(lèi)：

1.傳統測量方法

在地面沉降變形監測中，使用最為普及的是傳統測量方法。該方法是在需要進(jìn)行監測的區域，按照一定的原則，布設一定數量的監測點(diǎn)，定期或不定期地進(jìn)行點(diǎn)位三維坐標測量。其中，地面點(diǎn)的平面位置觀(guān)測，采用測角、量距的方法進(jìn)行;高程觀(guān)測，采用水準測量的方法進(jìn)行。這種觀(guān)測，一般操作簡(jiǎn)單，精度高，但成本高，費時(shí)費力。

2.全站儀測量

地面沉降變形監測，主要測量監測點(diǎn)的點(diǎn)位變化情況，而全站儀是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統，具有簡(jiǎn)單的數據處理、數據存儲和數據通訊等功能，因此，地面沉降觀(guān)測多采用全站儀進(jìn)行。但這種觀(guān)測方法，由于多種因素的綜合影響，其監測精度需要分析研究。

3.GPS測量

采用GPS和GIS技術(shù)進(jìn)行地面沉降變形監測，不僅可以監測地面沉降的現狀，還可以在圖上實(shí)現成果可視化，是沉降監測的重要發(fā)展方向之一。GPS測量主要以相對定位為主，它可以提供高精度的三維點(diǎn)位坐標，使測量精度控制在較高的范圍內，是沉降變形監測的理想方法。其缺點(diǎn)在于監測成本較高。

4.數字攝影測量

數字攝影測量的發(fā)展起源于攝影測量自動(dòng)化的實(shí)踐，即利用攝像技術(shù)，實(shí)現真正的自動(dòng)化測圖。與模擬、解析攝影測量的最大區別在于，數字攝影測量處理的原始信息，不僅可以是像片，更主要的是數字影像或數字化影像，它最終是以計算機視覺(jué)代替人眼的立體觀(guān)測。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)獲取的數字影像，利用計算機軟件，生成數字地面模型(DTM)與正射影像圖。它可與其他測量方法結合，實(shí)現地面沉降變形的監測。

5.星載合成孔徑雷達干涉監測技術(shù)

空間對地觀(guān)測技術(shù)的發(fā)展為地面沉降變形監測提供了全新的方法。利用空間遙感技術(shù)測繪地面沉降，是當前監測技術(shù)發(fā)展的新方向。這種技術(shù)具有連續空間覆蓋、高度自動(dòng)化和高精度監測地面沉降變形的能力。它是利用不同時(shí)間測得的衛星合成孔徑雷達地面圖像相重疊而形成的微分干涉圖像，圖像中一個(gè)相干顏色條紋循環(huán)代表一定數量的地面變形變量，并通過(guò)對比地面變形實(shí)測值來(lái)確認，再利用計算機處理形成地面變形等值線(xiàn)圖。與其它監測方法不同的是，它不再是對有限數目的離散點(diǎn)進(jìn)行監測。在理論條件下，其監測的地面變形精度為5～1Omm。

與其他幾種方法相比較，GPS定位技術(shù)具有觀(guān)測不受氣候條件限制、測站間無(wú)需保持通視、可同時(shí)測定點(diǎn)的三維位移及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)外，利用GPS和計算機技術(shù)、數據通訊技術(shù)及數據處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成，可實(shí)現從數據采集、傳輸、管理到變形分析及預報的自動(dòng)化，達到遠程在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控的目的。因而它為小范圍、短距離、高精度的工程建筑物的變形監測提供了一種新的有效手段，目前正在被廣泛推廣應用。

1.2.4 CC2530無(wú)線(xiàn)芯片概述

CC2530是一個(gè)兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統，支持專(zhuān)有的802.15.4市場(chǎng)以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設集——包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO，以及更多可擴展功能口。除了通過(guò)優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內核，支持一般的低功耗無(wú)線(xiàn)通信，CC2530還可以配備TI的一個(gè)標準兼容或專(zhuān)有的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，使你更快的獲得市場(chǎng)。CC2530可以用于的應用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫療以及更多領(lǐng)域。根據芯片內置內存的不同容量，CC2530擁有三種不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，編號后綴分別代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的閃存。

比起第一代CC2430，CC2530提供了改進(jìn)的RF性能，多達256KB的閃存以支持更大的應用，強大的地址識別和數據包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，IR一代電路，以及支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。CC2530 芯片具有如下主要性能：

★高性能和低功耗的8051微控制器核；

★32-、64-或128-KB的系統內可編程閃存；

★8-KB RAM，具備在各種供電方式下的數據保持能力；

★集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機；

★極高的接收靈敏度和抗干擾性能；

★可編程的輸出功率高達4.5dBm；

★只需一個(gè)晶振，即可滿(mǎn)足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )系統的需要；

★在供電模式1時(shí)僅24mA的流耗4μs就能喚醒系統；在睡眠定時(shí)器運行時(shí)僅1μA的流耗；在供電模式3時(shí)僅0.4μA的流耗，外部中斷能喚醒系統；

★硬件支持CSMA/CA功能；

★較寬的電壓范圍（2.0～3.6V）；

★支持精確的數字化RSSI/LQI和強大的5通道DMA；

★具有捕獲功能的32KHz睡眠定時(shí)器；

★具有電視監視器和溫度傳感器；

★具有8路可配置分辨率的12位ADC；

★集成了AES安全協(xié)處理器；

★帶有2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強大USART，以及1個(gè)符合IEEE802.15.4規范的MAC

★定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)8位定時(shí)器；

★強大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。

另外，CC2530集成了增強工業(yè)標準8051內核MCU核心。該核心使用標準8051指令集。每個(gè)指令周期中的一個(gè)時(shí)鐘周期與標準8051每個(gè)指令周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期相對應，并且取消了無(wú)用的總線(xiàn)狀態(tài)，因此其指令執行速度比標準8051快。由于指令周期在可能的情況下包含了取指令操作所需的時(shí)間，故絕大多數單字節指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成。除了速度改進(jìn)之外，增強的8051內核也包含了下列增強的架構：第二數據指針和擴展了18個(gè)中斷源。

該8051內核的目標代碼與工業(yè)標準8051微控制器目標代碼兼容。但是，由于與標準8051 使用不同的指令定時(shí)，現有的帶有定時(shí)循環(huán)的代碼可能需要修改。此外，由于外接設備單元比如定時(shí)器的串行端口不同于它們在其他的8051內核，包含有使用外接設備單元特殊功能寄存器SFR的指令代碼將不能正常運行。

Flash預取默認是不使能的，提高了CPU高達33%的性能。這是以功耗稍有增加為代價(jià)的，但是因為它更快，所以在大多數情況下提高了能源消耗?？梢栽贔CTL寄存器中使能Flash預取。