基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統(tǒng)研究

李澤，張晨，郝萬君，朱俊明，孫強(qiáng)

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統(tǒng)研究

李澤，張晨，郝萬君，朱俊明，孫強(qiáng)

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

一種基于Zigbee技術(shù)和電阻應(yīng)變片的建筑健康狀況系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于高層建筑，避免了傳統(tǒng)有線檢測(cè)帶來的弊端。系統(tǒng)采用的Zigbee無線通信技術(shù)，硬件選用的是CC2530，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后利用GPRS技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高層建筑的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

Zigbee；CC2530；GPRS；高層建筑；建筑健康

近年來隨著建筑倒塌事故的頻繁發(fā)生，人們開始著力于研究事故原因，其中建筑的結(jié)構(gòu)問題是最主要的原因之一[1-2]。而建筑的結(jié)構(gòu)勘探一直是工程中施工人員的技術(shù)難題之一，光靠人力巡查和定期檢修似乎已經(jīng)不能滿足對(duì)建筑物健康狀況的全面實(shí)時(shí)檢測(cè)。尤其隨著高層建筑日益增多，檢測(cè)工作則顯得更加困難。

文章主要針對(duì)高層智能建筑的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行研究，提出一種智能檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)健康情況的方法，給出檢測(cè)的主要解決方案，通過本方案的實(shí)施，可以很好解決以往建筑結(jié)構(gòu)人工檢測(cè)的工作強(qiáng)度大等難題。系統(tǒng)主要采用多個(gè)小型傳感器，將其連接到電腦終端，實(shí)現(xiàn)操作人員在終端可以實(shí)時(shí)“看”到建筑物的受力和受傷情況的功能。

1 基于Zigbee的高層建筑健康狀況系統(tǒng)功能分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zigbee是一種典型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，目前針對(duì)大棚等工業(yè)農(nóng)業(yè)環(huán)境使用非常廣泛[3-5]，在該系統(tǒng)中，主要采用Zigbee作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)對(duì)于高層建筑的健康狀況檢測(cè)。對(duì)于高層建筑健康狀況的檢測(cè)系統(tǒng)一般應(yīng)該具有以下功能：（1）對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；（2）由檢測(cè)結(jié)果判斷損傷位置和程度；（3）根據(jù)結(jié)果評(píng)估建筑物運(yùn)營(yíng)狀況；（4）提高對(duì)突發(fā)狀況的反應(yīng)速度，減少損失。

圖1為高層建筑健康檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 高層建筑健康檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)基于Zigbee的高層建筑健康檢測(cè)系統(tǒng)基本包括下列幾模塊。

（1）信號(hào)輸入檢測(cè)模塊。通過傳感器等感知元件完成各種檢測(cè)信號(hào)的拾取和轉(zhuǎn)換，是信息采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)中主要使用電阻應(yīng)變片檢測(cè)建筑物的形變情況，通過電阻應(yīng)變片在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，再由應(yīng)變引起電阻變化，即電阻應(yīng)變效應(yīng)，檢測(cè)建筑物形變量。

應(yīng)變片由于其原材料不同對(duì)于壓力的感知效果不同，其材料靈敏度系數(shù)關(guān)系如式1。

電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)的影響因素是縱向與橫向的形變，主要是縱向的相對(duì)變化影響更大。建筑物可能發(fā)生的情況為出現(xiàn)裂縫及彎曲，通過測(cè)量一定區(qū)域的電壓進(jìn)行判斷，那么電壓超出允許范圍發(fā)出報(bào)警，完成簡(jiǎn)易的監(jiān)測(cè)作用。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。模塊是通過硬件和軟件對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)；圖2為系統(tǒng)中采集傳輸裝置的硬件組成圖。

（3）數(shù)據(jù)處理和分析模塊。系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)對(duì)各種收集的信號(hào)進(jìn)行處理與分析。主要完成信號(hào)判別和信號(hào)輸出功能。針對(duì)式1，這個(gè)過程基本是運(yùn)用相應(yīng)的編制好的軟件程序來完成，具體程序流程圖如圖3。

（4）監(jiān)控中心模塊。通過傳來的數(shù)據(jù)來斷定結(jié)構(gòu)的損傷部位和損傷程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其異常；圖3流程圖為數(shù)據(jù)處理和分析模塊工作流程。

（5）數(shù)據(jù)管理模塊。是將各種數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)的系統(tǒng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而提高管理水平。圖4為采集傳輸總系統(tǒng)。

圖2 采集傳輸裝置的硬件組成

圖3 數(shù)據(jù)處理和分析模塊工作流程圖

圖4 采集傳輸總系統(tǒng)

2 基于Zigbee高層建筑健康狀況系統(tǒng)仿真

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生成總體要經(jīng)過如下步驟:

（1）將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在指定位置上，就可省去定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用6結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，分布于高層建筑的第2、4、6、8、10、12層，不布線，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳導(dǎo)；（2）傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到自檢啟動(dòng)的喚醒狀態(tài)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出信號(hào)監(jiān)控并記錄周圍傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)也要發(fā)送信息給中心控制站（基站），來通知基站自己的工作狀態(tài)；（3）這些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)監(jiān)控到的周圍傳感器節(jié)點(diǎn)的情況，采用一定的組網(wǎng)算法，從而形成按一定規(guī)律結(jié)合成的網(wǎng)絡(luò)；（4）組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的路由算法選擇合適的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)生成電路測(cè)量仿真圖如圖5所示。

3 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的高層建筑健康度的檢測(cè)系統(tǒng)。主要考慮到Zigbee可以自由組網(wǎng)，不產(chǎn)生費(fèi)用，且?guī)资綆装俚膫鬏斁嚯x足夠使用，技術(shù)成熟。系統(tǒng)主要關(guān)注于建筑物所觀測(cè)區(qū)域的形變問題，如曲折、裂縫等，通過信息采集和無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。尤其適用于建筑層數(shù)變高使得建筑物內(nèi)部布線不便的情況，無線傳輸技術(shù)的引入較好解決了這樣的問題。該系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、操作便利、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較好的市場(chǎng)前景，團(tuán)隊(duì)也將進(jìn)一步跟進(jìn)技術(shù)更新，將系統(tǒng)更加完善。

圖5 電路測(cè)量仿真圖

[1]李澤，郝萬君，高涵文.含有分布時(shí)滯的T-S模糊系統(tǒng)的時(shí)滯依賴法魯棒H∞濾波[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2014，27（3）：60-67.

[2]郝萬君，喬焰輝，李澤，許洪華，馬潔明，基于模糊模型的一類不確定非線性系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，32（4）：40-45.

[3]沈曙明，馬亮，袁海龍，孫新岸，沈衛(wèi)康.基于Zigbee鍋爐溫度檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2010（5）：163-173.

[4]王良，馬克軍.基于Zigbee技術(shù)糧倉環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息通信，2012（5）：60-61.

[5]徐澤清.Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在館藏圖書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25（4）：67-71.

The research on the health status system of high buildings based on Zigbee

LI Ze,ZHANG Chen,HAO Wanjun,ZHU Junming,SUN Qiang
（School of Electronic and Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The paper presents a system for testing the health condition of buildings based on the Zigbee technology and resistance strain gages,which can be used in the testing of the high-rise buildings and avoid the demerits of the traditional testing with wires.In the system,the Zigbee wireless communication technology and the hardware of CC2530 are employed to the device.After the data collected are analyzed,the data will be transmitted to the distant data testing center via GPRS,which completes the real-time observations on high-rise buildings.

Zigbee;CC2530;GPRS;high-rise buildings;health condition of structures

TN925

A

1672-0679（2016）04-0078-03

（責(zé)任編輯：盧文君）

2015-04-16

李澤（1983-），女，山西太原人，講師，從事模糊系統(tǒng)、魯棒控制濾波等研究。