基于物联网技术的大型建筑安全远程监测系统设计

引言

大型建筑(如桥梁、大坝、楼宇)安全监测实际上是一个多参数(包括温度、应力、位移、动力特性等)的监测，主要是利用一些设置在建筑关键部位的测试元件、测试系统、测试仪器等，实时、在线地量测建筑结构在使用过程中的各种反应，用以分析建筑的结构安全状况，评价其承受静、动态荷载的能力和结构的安全可靠性，为使用、管理和维护决策提供依据叫

大型建筑安全监测技术涉及多个学科交叉领域，随着现代检测技术、计算机技术、通信技术、网络技术、信号分析技术以及人工智能等技术的迅速发展，结构安全监测技术正向实时化、自动化、网络化发展。目前，包含多项检测内容、能对结构状态进行实时监测，并集成了远程通信与评判控制的安全监测系统，已经成为大型建筑的结构安全监测技术发展的前沿。

物联网(TheInternetofthings)技术是在传统互联网基础上发展的新一代信息技术，它通过增加对源端信息获取的传感器网络，可以更多地获取各种物的信息，借助于多种通信手段，从而实现物物相连。传感网是物联网的核心。物联网中的物体可以通过嵌入其中的智能感应装置、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统(GPS)等信息传感设备,按约定的协议与互联网相连，最终形成物与物、人与物之间的自动化信息交换与处理的智能网络，用户可通过电脑、移动终端和手机等设备实现对物体的识别、定位、跟踪、监控和管理。

1基于物联网技术的大型建筑安全监测

基于物联网技术的大型建筑安全远程监测，主要是利用物联网的特点，通过多种传感器获取大型建筑安全特征参数，利用相关通信网络实现数据的自动采集与传输，利用相关方法和软件实现数据自动处理，对大型建筑的安全状况进行评估,并将评估结果通过多种终端设备发送给用户，用户对评价结果进行的反馈指令也能通过物联网发送到传感器，从而实现对大型建筑安全实现实时、在线监控。图1所示为典型的基于物联网的安全远程检测系统的结构图。

图1  基于物联网的远程安全检测系统结构图

2建筑安全监测的内容和方法

2.1建筑安全监测内容

建筑安全检测分为外部观测和内部检测两种。外部观测是对建筑物外表特征的观测，以期检查建筑物结构变化情况。外部观测主要内容有沉降观测、水平位移观测、倾斜观测、裂缝观测和扰度观测等。内部检测是对建筑物内部结构材料的检测，以期检查建筑物内部结构变化。内部检测需要通过专门仪器设备对其进行测量，如激光、红外、震动等。由于内部检测复杂，且建筑物内部变化通常在外部都能够有所体现,因此本文主要讨论外部观测，主要包括几个方面：

沉降观测。观测建筑物及其基础在垂直方向上的变形(也称垂直位移)情况。

水平位移观测。观测建筑物在水平面内的变形情况，其表现形式为在不同时期平面坐标或距离的变化。建筑物水平位移观测是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。

倾斜位移观测。倾斜位移是建筑物因为地基的不均匀沉降或其他原因造成的位移。建筑物倾斜位移分为两类:一类表现为以不均匀的水平位移为主；另一类则表现为以不均匀的沉降为主。

裂缝观测。建筑物基础的不均匀沉降，温度的变化和外界各种荷载的作用，使得建筑物内部的应力大大超过了允许的限度，使得建筑物的结构产生裂缝。

扰度观测。建筑物垂直面上的各个不同高程点相对于底点不同的水平位移，称为扰度，所进行的观测称为扰度观测。

2.2建筑安全监测的技术方法

围绕建筑安全检测的内容，其方法主要有以下几种：

平面测量方法。包括精密水准测量、集合水准测量、三角高程测量、方向和角度测量、距离测量等。精密水准测量方法是最常用的、精密的、最能直接获得准确沉陷量的一种方法，是其他方法所不能替代的基本的沉陷观测方法。

空间测量技术。如甚长基线干涉法测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、全球定位系统(GPS)以及合成孔径雷达干涉(InSAR)等。

摄影测量方法。包括近景摄影测量，它可以同时测量许多观测点，可用作大面积的复测，尤其适用于动态式的变形观测。

专门测量手段。这里主要是指各种准直测量、倾斜仪监测、应变计测量以及各类专用传感器技术。

3建筑安全监测传感器

所谓传感器，就是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。根据实际用途的不同，传感器可以分为很多种类型。典型传感器结构分为机械接收和机电变换两部分,机械接收完成对物理量测量，机电变换把物理量变换为电信号，被计算机处理。

建筑物物联网结构安全监测系统中常用的传感器类型有以下几种：

位移传感器。位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器和霍尔式位移传感器等多种。

倾斜传感器。倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为固体摆式、液体摆式和气体摆式三种倾角传感器。

应力传感器。应力传感器是使用最广泛的一种传感器，它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。应力传感器的种类甚多，传统的测量方法是利用弹性元件的形变和位移来表示，但它的体积大、笨重、输出非线性。随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，研制出半导体力敏传感器，主要有硅压阻式和电容式两种，它们具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因此半导体力敏传感器得到广泛应用。

光纤传感器。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待定参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以又叫传感型光纤传感器；另一类是非功能型传感器，利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称做传光型传感器或混合型传感器。

加速度传感器。加速度传感器用于测量物体的加速度,包括单方向加速度计和三向加速度计。

距离传感器。距离传感器是用于测量物体间距离的传感器，能够实时测量物体之间的距离。

全站仪。全站仪，特别是带有伺服系统的全站仪，能够自动跟踪测量监测目标的坐标，并通过相关方式将坐标发送至服务器。

GPS。在能够接收到GPS卫星信号的情况下，实时提供监测目标的位置信息。在有差分信号的情况下，平面精度能达到1〜2cm。

陀螺仪。陀螺仪能够测量监测目标的方向。不同的陀螺仪，精度差别较大，普通的手持式精度在2。左右，高精度的大地测量型陀螺仪精度在秒级以上。

传感器集成技术。针对目标的监测往往需要多种类术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。

型的传感器，因此需要将这些传感器集成。构建传感器集成系统需要综合多方专业技术，这些专业技术包括集成系统的总体设计，用于信息获取的传感器及其他附属装置的选择，用于信息高速传输与存储的技术,图像处理技术，软件系统配置，计算机硬件的补充配置,以及必要的光学、机械部件的设计与制作。集成系统总体设计阶段应在准确把握市场需要与性能预期指标下进行，应保证设计方案的先进、实用、可靠和较高的性价比。集成系统传感器的选择阶段，传感器的适应性是重要指标，包括它对作业环境的适应性、作业频率、分辨率、精度、价格以及联机性能等。

4建筑安全检测数据传输设计

4.1常用的数据传输协议

建筑安全检测传感器需要把检测的数据通过通信线路或通信传输到数据服务器或数据处理中心。现有的传感器提供的外部通信传输部分需要按照传感器相应的接口和协议分别设计。

就目前看，数据传输分为有线传输和无线传输两

种方式。有线传输稳定性好，但布置困难，费用高，在某些情况下，甚至不能实现。无线传输数据传输稳定性较弱，但组网简便，费用低。本系统中主要考虑使用无线传输方式。表1所列是常用的有线传输和无线传输协议。

4.2有线数据到无线数据传输的转换

目前，常用的传感器支持的传输协议以RS232和RS485居多。传感器的数据需要进行无线传输时，需要相关的转换设备，下面是常见的几种转换形式：

RS232/484数据转换为无线电台数据进行发送。能透明有效地把RS232/485串口信号利用无线电台双向无线传输，传输距离与信号发射功率和环境相关。利用此转换模块,能使用户在不用更改已有软件下就可以完成数据无线通信。

RS232/485数据转换为GPRS数据进行发送。RS232/485/422转换为GPRS，需要通过一种转换器(又称无线数传终端、工业无线网卡、工业手机、GPRS调制解调器)来实现。此设备一般提供双向透明数据传输通道，让用户在不用知道复杂的GPRS通信原理和TCP/IP协议、不用更改原有程序情况下，就可以让工业RS232/485/422串口设备的串口通信立即转换为GPRS无线网络进行通信。

RS232/485数据转换为ZigBee数据进行发送。ZigBee无线数据传输是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。它是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，是一种介于无线标记技

4.3数据传输系统组网方案

传感器数据需要发送至服务器电脑进行处理。在建筑物数据测量后，需要根据传感器数据输出接口、输出信号类型,确定信息传输方式，有线无线均可。相对来说，无线方式比较方便，且各种距离都有相应的传输方案。图2所示是系统采用的组网方案。

5建筑安全信息处理系统的功能设计

建筑安全信息处理系统功能与检测对象、检测数据和管理要求有密切关系。本系统主要由以下子系统组成。

5.1数据管理维护子系统

数据管理维护主要是对各类传感器汇聚上来的数据进行 管理维护，方便用户对数据的进一步使用。该子系统的主要 功能包括数据归类、数据维护和数据备份。

数据归类主要是对各类数据进行归类处理，按照不同测量要求存入相应数据库表 ；数据维护就是根据用户需要，由用户对数据进行进一步编辑修改 ；数据备份是建立数据备份的机制和措施，定时备份数据，特别是收集到的原始数据，当然，随着使用时间的增长，也可考虑使用增量备份。

5.2 数据分析统计子系统

数据分析统计主要是为用户提供建筑安全信息的查询、报表生成、数据显示等功能，满足用户日常管理需要。该子系统主要功能有数据的实时显示、数据对比和数据查询与统计。

数据的实时显示就是在各类终端上能够以文字、图形等形式，直观地显示建筑物的监测数据，包括建筑物的沉降、水平位移、倾斜、裂缝和扰度等变化情况及对比，通常用曲线图、饼图、直方图等形式显示，也可以采用虚拟仿真技术显示建筑物整体变换效果 ；数据对比则能够根据检测的历史数据对建筑物安全情况进行分析对比，以较为直观的形式反映给用户 ；数据查询与统计功能可提供多种查询方式，以对数据进行查询检索，形成各类统计分析报表。

5.3 辅助决策子系统

辅助决策子系统主要为政府管理部门提供辅助决策支持和有关建议。该系统主要功能有安全预警、辅助决策、公共情况发布和指挥控制。

所谓安全预警，就是根据建筑安全防护专家知识，构建安全风险预警体系，在系统中正确设置系统预警值。当系统中收到的传感器值超出预警值时，需要及时发出相应的报警信息，形成报警记录。系统利用多种通信手段，分别向不同人员发送有关信息，包括声音、短信、电话等形式。

辅助决策则是对收集到的大量数据进行分析处理，形成如维护保养预案等各种方案，为政府部门提供辅助决策支持。公共情况发布就是利用互联网发布建筑安全信息，使民众可以通过智能手机、智能终端等设备及时获取有关建筑物信息，同时支持民众对建筑物情况的汇报。

指挥控制的目的是让管理部门能够通过智能终端发送相关指令给传感器，并对传感器进行操作，使安全检测达到新的水平。

6 结 语

利用物联网技术对大型建筑安全质量进行监控管理，是对传统建筑安全监控的拓展，其实时检测、及时维护以及安全预防特点，有助于确保建筑安全，构筑安全的生活环境。随着传感器技术发展，未来可以把更多的信息连接入网，形成全面覆盖的安全监控体系。

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