基于WSN的高層建筑物地基沉降動態監測系統的設計

摘 要： 建筑物地基沉降的有效監測對安全施工和安全運營是非常重要的。針對這種需求設計了一種面向高層建筑物地基沉降的無線動態監測系統。設計了位移數據采集節點，具有尺寸小、功耗低、精確度高、便于測量等優點。開發了基于ZigBee樹形無線數據傳輸網絡。建立了相應的監測中心，完成所有節點的信息獲取、數據庫管理、自動預警等功能。

關鍵詞： 位移傳感器； 無線傳感網； CC2530； Java語言； 上位機

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0053?03

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，城市土地資源越來越緊張，高層建筑物也越來越多，因此建筑物的變形被人們所關注[1]。在現實生活中有許多案例，因地基沉降造成建筑物的變形，變形嚴重的甚至造成建筑物的倒塌。故在施工階段和運營階段對建筑物地基沉降動態監測顯得尤為重要。

傳統的建筑物沉降測量方法有觀測樁、靜力水準儀、單點沉降計、剖面沉降儀、分層沉降儀等[2]，但普遍存在的缺點是精度低、安裝或使用不方便并耗費巨大的勞動力、實時性差以及受外界影響大。隨著高層建筑物的增多，這些測量方式已經不能滿足需求，根據上述原因結合ZigBee無線傳輸的特點及高精度直線性位移傳感器設計了精度高、操作簡便、成本合理、網絡化（有助于分析建筑物的整體變形）、無線化、動態的監測系統，且能夠滿足一定區域范圍內無人值守的自動化測量的需要。

1 系統組成及工組流程

1.1 系統各部分組成

本系統包括以下2個部分：ZigBee網絡和上位機。系統結構如圖1所示。ZigBee網絡由終端、路由器、協調器3部分組成終端包括傳感器節點（安裝在支架與基點之間，用來監測地基沉降。支架安裝在墻體上離地面1 m，基點離墻體1 m）。路由器包括路由節點（安裝在支架上，用來路由信息）。網關由協調器和串口通信軟件組成。

1.2 系統工作流程

在該系統中，管理員可以通過上位機實時監測建筑物在修建過程中地基沉降程度及建筑物完工后由于地質原因及自然災害帶來的地基沉降程度，管理員可以通過地基沉降程度來采取相應的處理措施來保證建筑物的安全。下面對數據采集過程做詳細說明。

ZigBee網絡組建成功后，終端節點把垂直方向上的位移量傳送到路由器，通過路由器再將位移量路由至協調器，協調器通過RS 232串口將位移量傳送至上位機。管理員員可以通過Internet網訪問上位機，查看位移的歷史數據，這些數據也可以作為施工質量的重要依據[3]及判斷建筑物變形重要因素之一。

2 下位機系統硬件設計及調試

2.1 數據采集及位移傳感器

本系統采用德國技術的一款高精度直線性位移傳感器PM11?R1?75L，精度高達±0.01 mm，而大型建筑物沉降觀測誤差[4]要求≤±1.0 mm。因此這款傳感器完全滿足測量精度的要求。

本系統使用TI公司生產的一種低價位、高性能的8位A/D轉換器TLC549，以8位開關電容逐次逼近的方法實現A/D轉換，其轉換速度小于17 μs，它能方便地采用三線串口方式與CC2530連接，構成數據采集系統終端。數據采集電路原理圖如圖2所示。

2.2 下位機系統硬件組成部分

本系統的硬件設計主要包括傳感器節點、路由節點、協調器3部分。

傳感器節點主要作用：采集位移量并發送至路由器，當位移量超限時聲光報警，并將超限標致發送到協調器。傳感器節點硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、晶振、采集電路、微位移傳感器等外圍電路如圖3所示。其中，采集電路作用是讀取模擬量并將其轉換成數字量。

路由節點主要負責信息的路由，路由節點的硬件部分主要是由CC2530芯片、電源管理單元及晶振、天線等電路組成。

協調器是ZigBee網絡的匯聚節點，負責開啟ZigBee網絡，給新入網節點分配網絡地址，匯聚和處理網絡數據與PC機進行串口通信等。硬件部分由CC2530芯片、電源管理單元、串口模塊、天線及晶振等電路組成，串口模塊用來與PC機上的串口軟件進行通信[5]。

2.3 下位機系統調試結果

下位機系統經過軟硬件測試能夠正常運行如圖4所示。

3 系統軟件設計

本系統的軟件主要包括傳感器節點、網關、上位機等部分。

3.1 傳感器節點程序設計

傳感器節點的軟件部分主要實現采集電路的驅動、液晶的驅動和顯示、與路由器之間的通信[6]。程序流程圖如圖5所示。

3.2 網關程序設計

網關是連接Internet和ZigBee網絡的橋梁，其軟件部分包含串口通信軟件[7]和協調器軟件兩個部分。

當協調器收到傳感器節點傳來的位移數據時，協調器再將垂直方向位移通過串口傳給通信軟件。串口通信軟件直接顯示位移，并根據位移設置數據庫中對應表格相應的值。其次，串口通信軟件能監控串口的狀態，并能實時顯示位移，注意在打開串口前必須先設置好串口通信的參數，如圖6所示。

3.3 上位機軟件設計

為了使無線傳感網絡完善監測功能，系統使用Java Web等技術開發了基于MVC[8]（Model View Controller）模型的B/S架構的上位機監測軟件。B/S架構軟件包括Web服務器和數據庫服務器。Web服務器采用免費的輕量級應用服務器Tomcat，數據庫服務器采用體積小、速度快、成本低的MySQL。另外，為了方便開發，系統使用Apache JaKarta 項目組開發的應用框架Struts2配合Web網頁的開發，并且使用功能強大的對象/關系映射（Object Relational Mapping）框架Hibernate配合數據庫的開發，保證了源碼的簡練和完全面向對象的風格[9]。上位機管理軟件主要實現了以下幾方面的功能：

（1） 用戶管理：主要設計用戶登錄權限、及增加用戶、刪除用戶。

（2） 沉降實時曲線顯示[9]：將各沉降點數據以動態曲線的方式顯示的界面上，方便工作人員觀察沉降態勢，如圖7所示。

（3） 沉降監測點報警：對沉降監測點設置指示燈報警，提示工作人員及時查看并確定報警類型。

（4） 沉降數據的數據庫管理：通過數據庫方式記錄管理沉降數據，方便工作人員查詢、調用歷史數據。方式記錄管理沉降數據，方便工作人員查詢、調用歷史數據。

4 結 語

通過模擬實驗使用該系統能有效地監測各被測點的垂直方向位移的變化，并能實時的在上位機上反映出來，這可以給建筑物的工程技術人員提供很好的信息，盡早消除建筑物的安全隱患。在后續工作中我們可以在傳感器節點上加上一些測量影響建筑物沉降變化因素（比如溫濕度 、頻率）的傳感器更加綜合地監測建筑物變形。

參考文獻

[1] 楊麥良.高層建筑物的監測[J].測繪與空間地理信息，2005，28（4）：94?95.

[2] 李赟.高鐵路基沉降監測系統地研究[D].南京：南京農業大學，2013.

[3] 齊海龍.高層建筑物沉降觀測技術應用[D].北京：中國地質大學，2013.

[4] 劉先森，甘濟五，王鐵山.高層建筑物變形監測的研究[C]//華東六省一市測繪學會第十一次學術交流會論文集.福州：福建省測繪學會，2009：8?10.

[5] 胡韋麗.基于ZigBee 的瓦斯濃度檢測系統設計[D].西安：西安科技大學，2011.

[6] 顏濤.基于ZigBee的橋梁無線測振系統[D].南京：南京理工大學，2012.

[7] 吳金鋒，劉偉平，黃紅斌.Java串口通信數據采控系統的設計與實現[J].微計算機信息，2010（10）：65?66.

[8] 吳茂昌，陽玉琴.基于MVC模式的Java主流框架整合技術研究[J].計算機與數字工程，2009（10）：91?93.

[9] 劉亞勇.基于Java遠程監測系統的設計[D].武漢：武漢科技大學，2007.