淺談物聯網技術在智慧古建監測領域中的應用

侯全兵 趙利峰 楊永興

（建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京100000）

1 物聯網技術的發展

物聯網是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，通過裝置在物體上的信息傳感設備與互聯網結合，目標是讓物品本體跟網絡連接，實現在人、機、物的互聯互通。隨著5G 物聯網、新基建以及NB-IoT等信息通信技術的發展和應用，物聯網進入了傳感器、控制器、機器、人和物的深化融合，實現萬物互聯，從而方便智能化識別、定位、跟蹤、監控、管理。預計到2025 年，物聯網設備聯網數將會達到252 億智能聯網設備能透過傳感器，全面監測產品狀況、運作與外在環境。

2 智慧古建筑監測的必要性

古建古跡[3]是中華五千年建筑文明的結晶，更是一個國家、一個民族文明程度有效載體，作為祖先留下的寶貴遺產，具有歷史科學以及文化遺產載體價值不可再生性。文物承載燦爛文明，傳承歷史文化，維系民族精神，代表著這個國家的歷史和底蘊，顯示中華民族的淵源和風采，擁有巨大的研究價值，事關國家和民族根本利益，也關系到每個個人利益。因此為貫徹習近平總書記關于“要系統梳理傳統文化資源，讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產和書寫在古籍里的文字都活起來”、“要處理好繼承與創造性發展的關系，重點做好創造性轉化和創新性發展”等重要論述精神，落實好“互聯網+中華文明三年行動計劃”等相關政策，采用“物聯網+新基建+5G”技術研究體系，全方位監測、保護好古建筑文物本體，讓古建筑本體有尊嚴的“活”起來，以史為軸，追蹤溯源，迫在眉睫。

為探索古建筑的保存風險，一些古建筑的結構穩定性[4]堪憂，古建筑安全防范系統應該積極采取措施，做到防患于未然。有必要采用信息化方法對古建筑加以保護，目前絕大部分佛龕、塔寺以及古文遺址、墓葬類古建筑群[5]保存環境的監測方法還是通過半人工測量等傳統監測的方法實現，所以采用物聯網技術手段、提高古建筑監控整體性能，尤為重要。智慧古建物聯網監測架構圖如圖1 所示。

3 古建筑監測感知終端[11]概述

靜力水準儀通過監測相互連通的安裝于被測量點儲液罐液面高度與測量基點液面高度的相對變化，由高精度硅晶芯體傳感器測量，適用于測量地量程小精度高的液位測量，從而反推各個儲液罐安裝位置相對位置沉降變化量的一種精密儀器。它采用連通器原理，在使用中多個靜力水準儀的測壓強腔體通過軟管連接至液位器，通過壓力監測過程的信號變化通過RS485 總線傳輸到信號采集系統，由此測出各測點的壓力變化量而分析古建筑周邊地表的相對沉降高度。

全溫補高精度數字輸出型雙軸傾角傳感器是一款全溫補高精度雙軸傾角儀，它抗外界電磁干擾能力強、承受沖擊震動能力強，另外系統內置高精度24itA/D差分轉換器，同時通過五階濾波算法，抗外界電磁干擾能力強、承受沖擊振動能力強，競爭優勢大從而可以測量傳感器輸出相對于水平面的傾斜和俯仰角度，操作簡單，不需要相對變化變的兩個相對面進行安裝，由此測出各測點的X，Y軸角度變化量，用來輔助監測古建筑本體具體點位的水平位移變化情況。

三軸加速度計由一片經過微機械處理的硅芯片及溫度傳感器組成，芯片的作用主要是用于信號調整低功率ASIC以及用于存儲補償值的微處理器。可適用于振動[7]測試，撞擊測試等多個領域，產品采用數字接口，借助RS485 總線輸出，功耗低，外殼材質鋁合金磨砂氧化，安裝采用M4 螺絲或M16*1.5 底部螺絲安裝，性能穩定，防護等級IP67，主要用來測試古建筑監測點位的振動規律變化情況。

溫濕度記錄儀采用溫濕度數字傳感器探頭，通過軟件客戶端程序可以進行產品參數的設置。溫濕度自動記錄存儲功能，在斷電或通訊線路故障等偶發情況下能夠自動記錄溫濕度數據到本機。優化的存儲記錄功能使產品在存儲空間記錄滿之后，自動擦除最早記錄并記錄新數據，無需客戶進行擦除操作。

裂縫監測傳感器用于古建筑長期定點監測并記錄在高空以及不易接觸結構位置上的重點裂縫變化，該儀器裂縫位移精度為±0.01mm，最小采樣間隔為1 分鐘，最大采樣間隔為24 小時；能夠連續測量并記錄裂縫在監測周期內變化過程，用于長期定點監測古建筑墻體以及不易接觸結構位置上的重點裂縫變化情況，連續測量并記錄裂縫在一段時間內的變化過程以及古建筑周邊環境溫度的變化值，清晰地反映古建筑墻壁的裂縫[10]變化趨勢。

投入式液位變送器用于古建筑周邊地下水位監測。它采用高精度擴散硅傳感器精工封裝而成。利用先進的電路線性和溫度補償技術，使其線性更加，溫漂系數更低，抗干擾更強，測量精準，穩定性好，可直接投入水、油等液體中長期進行工程作業。儀器特點結構緊湊、堅固、重量輕、便于安裝、使用方便、免維護；零點量程可以在外部連續調節，遷移范圍寬。

風速風向一體計傳感器用于古建筑周邊環境的風速、風向。它集風速傳感和風向傳感器為一體，實現同時監測風速和風向，本身主要的作用是監測古建筑周邊環境氣象要素中的風速和風向等環境監測參數；風速計采用三風杯風速傳感器結構，性能佳；風向傳感器是一種以風向箭頭為主的轉動探測傳感器，通過感知古建筑周邊的風向參數信息，并將其傳遞給同軸碼盤并輸出對應風向相關數值的傳感器設備。

4 古建筑監測通訊網絡概述

圖1 智慧古建物聯網監測架構圖

圖2 古建筑監測信息平臺流程圖

以古建筑[2]為傳感器組網中心，通過在監測點位布設相應的傳感器來對古建筑進行相關的監測，基于MODBUS 協議規則之下，采用無線傳輸或者有線RS485 串口總線傳輸將物理信號轉換成數字模擬信號，RS-485 實質上是一個電氣接口規范，它規定平衡驅動器合接收器的電特性，多采用兩線制接線方式，接線方式為總線式拓撲結構，即在同一條RS-485 總線上最多可以掛接32 個感知終端。借助物聯網發射終端，下行通訊報文通過無線4G網絡傳輸至服務器端，最終將古建筑監測報文數據通過按協議規則將其解析處認為可讀取的監測數據至MySql 數據庫，在通過古建筑監測平臺調用數據庫數據將利用三維圖像可視化以及二維圖表分析技術將其加載到監測中心平臺前端，通過實時數據分析古建筑全方位監測參數的實時變化情況，達到古建筑全方位監測保護的效果。

MODBUS 協議是工業物聯網領域常用通訊協議，是一個Master/Slave 架構的協議，定義了一種數據傳輸的規范。包括RTU、ASCII、TCP。MODBUS最多能支持255 個子設備的接入。MODBUS數據傳輸協議模型主要由標志符、地址碼，數據位，數據校驗位四部分組成。標志符用來標識感知終端的一個符號位，功能碼決定這一幀數據用于輸入數據，輸出數據，讀取控制量的唯一識別碼，每個感知終端都有地址碼，服務器端在訪問感知終端的時候依靠地址碼識別，第三是數據位，主要用來解析傳感器監測數據，第四是差錯校驗位，對發送數據校驗，防止通信過程中電磁干擾從而導致古建筑監測數據出錯。

DTU 是一款工業級物聯網無線數傳終端，支持標準RS232、RS485 以及RS422 接口，可定制TTL 電平。設備為用戶提供TCP/UDP 透明無線遠距離數據傳輸功能，可幫助用戶快速接入高速互聯網，實現安全可靠的數據傳輸，廣泛應用于智慧電力、油田監控、智慧水利智能交通等物聯網應用。支持聯通、電信、移動運營商無線網絡，把古建筑監測項目現場的感知終端設備的監測數據透明傳輸到客戶的服務器端的數據中心，實現對客戶端設備的監測數據采集、古建筑監測數據傳輸、感知終端設備控制等功能。

5 古建筑監測監控中心安全要求

古建筑監測平臺[9]最終目標是建設自動化監測、數據實時解譯、傳輸、古建筑大數據綜合分析平臺。其監測內容主要有古建筑環境監測、古建筑本體監測、古建筑位移監測、古建筑結構穩定性監測、古建筑監測指標體系設立五部分組成。古建筑監測監控中心主要分為古建筑監測信息采集子平臺，古建筑信息處理子平臺、古建筑監測預警等三大子平臺組成。總體古建筑監測信息監測平臺流程圖如圖2 所示。其中數據安全保密指數據監測[1]的數據內容是否符合國家的法律法規，是否經相關主管和保密部門的審核。平臺未來對外共享的各類數據，均需經過相關的安全審核和脫密處理。其古建勘察監測數據都應有相關安全訪問機制，針對不同權限的用戶只能訪問相應權限范圍內的古建筑相關的監測數據內容。安全保密除了常見的網絡安全、軟件安全、操作系統安全等方面的需求外，古建筑監測平臺將全方面的記錄每個用戶操作日志，監控中心管理員可以通過日志對系統運行情況進行跟蹤，在系統出現故障的時候可以根據日志信息快速對問題進行排查。

為保障古建筑監測[6]平臺系統安全穩定運行，采取如下措施：a.本地局域網與外網隔離、廣域網邊界處部署防火墻；b.在本地局域網中部署網絡入侵檢測系統、網絡監控系統；c.在古建筑監測數據庫服務器上部署數據庫運行監控[8]系統。

6 結論

本論文主要闡述了物聯網技術在智慧古建監測領域中應用，源于物聯網在智慧古建勘察中的重大作用，對平臺的穩定運行進行概要性描述，本論文主要闡述無線自動化網絡傳輸方式，對感知終端、通訊網絡、監控中心、安全監測與評估等內容，對古建筑進行全方位保護，從而節省了大量古建筑勘察監測人工成本，實現了智慧古建物聯網無線自動化勘察綜合效益最大化。