基于GNSS的建筑物沉降監測系統設計*

李 哲 候建軍 王簫揚

（1.西安郵電大學電子工程學院 西安 710121）（2.延安大學物理與電子信息學院 延安 716000）

1 引言

隨著社會、經濟的進步發展，土地資源變得越來越緊張，多數山地城市和沿海城市為緩解土地緊張而開展填海造地和削山造城工程，由于地質環境復雜，面臨著嚴重的地質災害問題，尤其是地面沉降災害。由地面沉降引起的不均勻沉降等問題將會對基礎設施、工民建筑等直接產生影響，帶來重大安全隱患［1］。因此對于一些重要建筑物，或者潛在缺陷地基上的建筑物，必須對它們進行沉降監測。

長時間以來，該項工作都依靠于傳統的測量手段［2］。如基于全站儀、水準儀的水準測量技術。此類監測方法精度高、技術成熟，但受天氣條件、監測環境的影響大，測站間需要通視，數據需事后處理，不能進行全天候實時監測。而目前采用GNSS靜態相對定位技術進行建筑物沉降監測，數據多為事后處理，費事費力，自動化程度不高。GNSS動態相對定位技術測量精度不足，并不適用于建筑物沉降監測。

為實現對建筑物沉降進行實時監測，彌補現有測量手段無法進行全天候實時監測的情況。本文提出一種基于GNSS的建筑物沉降監測系統，能夠對建筑物沉降進行實時和遠程監測，為建筑物安全和管理提供決策支持。

2 系統總體設計和工作原理

基于GNSS的建筑物沉降監測系統主要由數據采集終端、監控中心、報警系統和云平臺組成。系統架構如圖1所示。

系統采用GNSS靜態相對定位技術，在基準點和各個監測點分別布置數據采集終端，對GNSS導航衛星進行連續不間斷觀測。并將數據進行本地存儲和傳輸至監控中心。

監控中心對每個觀測時段的原始數據進行分析和處理；并將監測結果進行本地可視化顯示和推送至云端。用戶可主動訪問云平臺進行遠程查看監測結果，平臺也可在沉降量超出安全范圍時進行報警信息推送。

圖1 系統整體架構圖

3 系統硬件設計

3.1 數據采集終端

數據采集終端集成了以LEA-6T模塊為主的GNSS原始信號接收機、STM32F103微處理器、SD卡存儲器、GPRS無線網絡傳輸模塊以及輔助電源模塊。其中，GPRS無線網絡模塊與LEA-6T通過UART串口與STM32通信，SD卡與STM32處理器通過SPI總線方式通信。考慮到戶外GPRS網絡可能存在不穩定性的特點，處理器暫時將GNSS原始數據存儲在SD卡內。采用定時發送的方式，將SD卡中觀測時段內的數據統一發送至監控中心。數據采集終端硬件架構如圖2所示。

圖2 數據采集終端硬件架構圖

3.1.1 主控制器

數據采集終端選用STM32F103ZE為主控制器，此款芯片是基于Cortex-M3內核的32位微控制器，主頻72MHz。片上集成UART、I2C、SPI、DMA等多種常用外設接口［3］，完全滿足數據采集終端的設計及后續擴展要求。

3.1.2 GNSS接收機

系統選用Ublox公司生產的LEA-6T型GNSS接收機。該型接收機是目前使用較為廣泛的低成本、高精度GNSS接收機，具有載波相位、多普勒信號、測距碼等衛星原始觀測量輸出［4］。可使用Ublox公司配套的U-Center軟件對接收機輸出數據類型進行配置。LEA-6T支持NMEA 0183協議、RTCM協議、UBX協議格式的數據輸出。接收機與處理器之間通過UART串口進行通信。

3.1.3 GPRS無線通信模塊

GPRS無線通信模塊選用希姆通（SIMCOM）公司設計的SIM800A無線網絡傳輸模塊。該模塊硬件接口豐富，包含UART串口、I2C接口、SPI接口、USB接口等常用接口。且內嵌TCP/IP協議，可以通過AT指令集配置為服務器或者客戶端模式。模塊采用低功耗設計，低功耗模式下，耗電電流僅為1.0mA。可以低功耗實現無線數據、語音、短信等內容傳輸［5］。

3.2 報警系統

報警系統放置在監控室，通過以太網與OneNet云平臺連接。當監測點坐標沉降量超出安全范圍后，OneNet云平臺向報警系統推送報警信息，報警系統發出聲光警報，引起管理人員注意。同時通過顯示屏顯示報警信息，以及通過GPRS模塊發送短信報警信息。

報警系統選用STM32為主控制器，同時集成GPRS通信模塊、TFT顯示屏、LED警報燈、蜂鳴器以及輔助電源模塊。其中通過GPIO口控制LED警報燈和蜂鳴器，GPRS模塊與STM32采用UART串口通信方式，STM32通過FSMC總線模方式與TFT顯示屏通信。報警系統硬件架構如圖3所示。

圖3 報警系統硬件架構圖

3.3 云平臺

云平臺選用OneNet平臺。OneNet平臺是中國移動開發的面向物聯網行業應用、解決方案提供的開放云平臺。平臺提供MQTT、HTTP、EDP等多種硬件設備接入協議，監控中心首先與OneNet服務器建立TCP連接，然后通過設備ID和API-Key與對應設備建立連接，按照指定格式將監測結果打包，發送至服務器。服務器接收到數據后進行存儲和顯示。

4 系統軟件設計

系統軟件由嵌入式軟件設計和上位機軟件兩部分組成。嵌入式軟件設計包括報警系統程序設計和數據采集終端程序設計，上位機程序主要為監控中心程序設計，主要包括設備管理、數據處理、監測結果可視化顯示、云端接入等部分組成。

4.1 數據采集終端軟件設計

數據采集終端程序流程圖［6］如圖4所示。STM32單片機上電后，首先通過UART串口、SPI總線對SD卡、SIM800A、LEA-6T等外設進行初始化，然后通過二進制命令對LEA-6T進行配置，包括接收機串口波特率、數據輸出類型和采樣頻率配置；使用AT指令將GPRS模塊配置為客戶端模式，與上位機建立TCP連接［7］。然后單片機開始采集數據，并將數據暫存在SD卡中，采用定時器中斷的方式將SD卡中的原始數據發送至監控中心。

4.2 監控中心軟件設計

監控中心為整個系統的核心中樞，軟件采用C#語言在Visual Studio 2017下開發。通過建立TCP服務器的方式與各個監測終端連接。兼具著測終端設備管理、數據處理、監測結果實時顯示及云平臺推送等功能。設備管理部分包括對終端設備運行情況的監測，設備遠程配置；數據處理包括各個測點位置信息結算、并通過曲線圖實時顯示，監測結果云平臺推送等。監控中心軟件框圖如圖5所示。

圖4 數據采集終端軟件流程圖

圖5 監控中心軟件框圖

4.3 報警系統軟件設計

報警系統采用STM32為主控制器，上電之初，首先完成TFT顯示屏、GPRS模塊初始化；然后通過AT指令集將GPRS模塊配置為服務器模式，等待接收云平臺報警信息推送。云平臺采用觸發器的方式，當某監測點沉降量超出安全范圍之后，采用HTTP POST的方式將監測點信息推送至報警系統，報警系統發出聲光警報，以及向預設電話號碼發送短信的方式完成報警。報警系統軟件流程圖如圖6所示。

圖6 報警系統軟件流程圖

5 數據處理算法

相對定位技術（又稱差分定位）是GNSS定位技術中精度較高的一種，廣泛用于各種變形測量。它的工作原理是將兩臺GNSS接收機分別固定在基線兩端，同步觀測4顆或4顆以上衛星，兩個接收機之間進行差分解算，以確定兩點之間的相對位置［8］。

差分解算方法包括單差法、雙差法和三差法，本系統采用雙差法進行解算。即假設兩臺接收機Ti（i=1，2）分別固定在基線兩個端點上，在t時刻分別對衛星j和衛星k進行觀測［9］，可得四個載波相位觀測量：

在監測站之間和衛星之間分別求差可得站間單差和星間單差［10］分別為

在站間單差的基礎上進行星間求差，可得站星雙差［11］觀測方程為

考慮到電離層誤差Viono(t)、對流層誤差Vtrop(t)、接收機鐘差δti(t)和衛星鐘差δtj(t)的影響［12］、觀測站 Ti觀測衛星 j的載波相位觀測方程［13］可以表示為

式中f為衛星載波頻率、c為光速、為整周未知數、為接收機Ti和衛星j之間的距離［14］。

將式（4）帶入式（3）可得：

可以看出，接收機鐘差和衛星鐘差已被消除、這是雙差法的最大優點［15］。而在測量基線較短的情況下，衛星信號到達接收機所經過的傳播路徑是相似的，接收機間的電離層延遲、對流層延遲具有相關性，可以相互抵消［16］。因此式（6）可以簡化為

由式（6）可以看出，只要解算出整周模糊度Njk(t0)，即可得到兩監測站間的相對位置。

6 實驗數據與分析

使用LEA-6T型接收機搭建系統原型，在室外空曠場地進行兩組靜態基線解算實驗。其中每組實驗分為兩個觀測時段，每個觀測時段約40min。基線長度約3.10m，數據采樣率為1Hz。

實驗一在基線兩端固定兩臺接收機，其中一臺為觀測站，一臺為基準站。兩個觀測時段實驗條件相同，基線解算結果如圖7和圖8所示。

圖7 實驗一觀測時段1解算結果

圖8 實驗一觀測時段2解算結果

由圖7和圖8可看出，利用本系統進行建筑物沉降監測，當基線長度為3m左右時，兩個監測時段測試誤差分別為東西方向（E-W）為2.6mm，南北方向（N-S）為5.3mm，垂直方向（U-D）為3.3mm。

實驗二在基線兩端固定兩臺接收機，其中一臺為觀測站，一臺為基準站。第2觀測時段，將接收機天線人為升高8mm，基線解算結果如圖9和圖10所示。

圖9 實驗二觀測時段1解算結果

圖10 實驗二觀測時段2解算結果

由圖9和圖10可看出，兩個觀測時段實際誤差為東西方向（E-W）為0.6mm，南北方向（N-S）為1.4mm，垂直方向（U-D）實際在升高8mm的情況下，監測結果為7mm，誤差為1mm。

實驗結果表明，靜態相對定位技術適用于建筑物沉降監測，其中超短基線處理精度可以達到毫米級，能夠滿足建筑物沉降監測的需要。

7 結語

本文提出一種基于GNSS技術的建筑物沉降監測系統，給出了系統的整體設計方案；在對雙差法進行理論闡述的同時，通過搭建系統原型，進行了靜態基線解算實驗。由實驗結果表明，本文提出的建筑物沉降監測系統及其數據處理方法，其中超短基線解算精度能夠達到毫米級。同傳統測量方法相比，具有實時性好，自動化程度高的特點，能夠滿足建筑物沉降監測的需要，并且可以推廣到滑坡監測、地面沉降監測、水庫大壩監測等多種變形監測領域。