基于物聯網的建筑監測系統研究

侯嚴嚴 邱秀榮

摘要：為減少因建筑坍塌而造成的損失，節約建筑維護成本，本文提出了一種新的解決方案，即把物聯網技術融入建筑中，對建筑進行實時的安全檢測。采用Midas Gen軟件對建筑進行建模，并對建筑的檢測內容和監測點進行設置，在監測點布置相應的傳感器，并把這些傳感器通過Zigbee進行組網，完成對建筑物的實時監控。結果表明通過本文提出的監測系統可以完成對建筑的實時監控，確保建筑的安全。

關鍵詞：無線傳感；Zigbee；實時監測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0030-02

Abstract： In order to reduce the loss caused by building collapse and save the cost of building maintenance， this paper proposes a new solution， which integrates the Internet of Things technology into the building， and carries out real-time safety detection of the building. Midas Gen software is used to model the building， and the detection content and monitoring points of the building are set up. The corresponding sensors are arranged at the monitoring points. These sensors are networked through Zigbee to complete the real-time monitoring of the building. The results show that the monitoring system proposed in this paper can complete the real-time monitoring of the building and ensure the safety of the building.

Key words： wireless sensor； zigbee； real-time monitoring

1 引言

隨著物聯網技術的興起，人們對它的關注度愈來愈高，物聯網的概念也沒有完全統一。但是，必須包含以下幾點特征：①全面感知，確保采集的數據盡量全面；②可靠傳輸，保證數據在傳輸過程中的安全性；③智能處理，采用合適的計算方法進行數據處理，獲得有用的數據信息[1]。

智能建筑作為物聯網的主要應用之一被廣泛提出，它與以前的建筑相比，具有可遠程監控、自動采集數據等優點。本文以河南中牟領頭雁建筑為例，運用有限元法對建筑的梁單元進行數據分析，選擇合適的節點安裝傳感器，最終實現對建筑的實時監測，提高建筑的安全性。

2 基本架構

根據物聯網的分層結構，本文的監測系統也分成三個層次結構，即數據采集模塊、數據傳輸模塊和數據處理與監控模塊[2]。

數據采集模塊是利用多種傳感器進行對外界壓力、溫度和內部結構損壞位移的數據采集；數據傳輸模塊采用無線傳輸方式進行數據的傳輸；數據處理與監控模塊則是通過相關的數據分析軟件進行數據分析，得出有可能損壞的建筑位置，并及時發出通知。其系統基本架構如圖1所示。

3 模型建立

Midas Gen[3]是一款可用于建筑領域的建模軟件，可以對建筑結構的受力情況進行有限元分析。本系統就是使用此軟件來確定合適的監測節點。河南·中牟“領頭雁”工程如圖2所示。

3.1 數據采集系統

本系統需要采集的數據包括建筑節點所受的壓力和建筑監控節點損壞的位移程度。經過對傳感器的綜合性能分析，篩選出壓阻式壓力傳感器[4]和光柵位移傳感器[5]進行數據的采集。

在進行節點選擇的時候，可以先對建筑的梁單元進行節點編號。因Zigbee[6]是一種短距離通信技術，所以在進行編號時，需要設置合適的間隔。本文中相鄰節點間的距離設置為10m，假設共有41個節點，如圖3所示。然后對每個節點沿X方向和Y方向的位移進行分析，結果如圖4所示。

從圖4（a）我們可以看出，節點在X方向上的位移隨著節點編號的增大而增加。節點1到節點20的位移變化不大，節點21到節點41的位移增長較快。結合圖3的節點編號，可以得出領頭雁建筑“雁頭”附近節點的位移較其他節點位移大。因此，“雁頭”附近節點可放置光柵位移傳感器；

從圖4（b）我們可以看出，節點在Y方向上的位移隨著節點編號的不同而一直在變化。節點1到節點25的位移變化較大，節點26到節點41的位移趨于穩定。結合圖3的節點編號，可以得出領頭雁建筑“雁身”附近節點的位移較其他節點位移大。因此，“雁身”附近節點可放置壓阻式壓力傳感器；

從圖4（c）我們可以看出，節點在Z方向上的位移隨著節點編號的增大呈上升趨勢。節點1到節點20的位移變化緩慢，節點21到節點41的位移直線增長。結合圖3的節點編號，可以得出領頭雁建筑“雁頭”附近節點的位移較其他節點位移大。因此，“雁頭”附近節點可放置光柵位移傳感器；

從上述結果可選出相應的節點進行傳感器的放置。節點1到節點20放置壓阻式壓力傳感器，節點26到節點41放置光柵位移傳感器，節點21到節點25放置壓阻式壓力傳感器和光柵位移傳感器。

3.2 數據傳輸系統

為保證數據的可靠傳輸，此系統采用Zigbee無線傳輸方式對傳感器進行組網[7，8]，最終把數據傳輸給后臺軟件。

Zigbee技術是基于IEEE802.15.4的一種無線網絡技術，相對于其他網絡技術來說具有能量消耗較低、前期投入較小、節點間反應速度較快等優點。

在建筑中，采用Zigbee樹型拓撲結構，自動將光柵位移傳感器、壓阻式壓力傳感器組織網絡，并有固定的通道編號以及PANID。傳感器作為終端節點將采集到的各種各樣的環境數據信息在很短的時延內傳輸給路由節點，路由節點通過安全的路由算法最終將數據傳輸至協調器，再由協調器發送給數據顯示系統。具體過程如圖5所示。

4 結論

本文主要對建筑的監測系統進行了研究，通過有限元分析方法進行節點的選擇，并加入了物聯網的無線傳感技術，實現了對建筑的實時監測。有效地提高了建筑的安全性，具有較強的實用性和研究價值。

參考文獻：

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[5] 王紅敏，崔晨晨，隋文濤.度盤式指示表自動檢測儀控制系統設計[J].山東理工大學學報（自然科學版），2019（01）：65-68.

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[8] 魯玉軍，劉振.ZigBee技術在智能家居系統中的應用[J].物聯網技術， 2017， 7（4）：40-43.

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【通聯編輯：梁書】