基于物聯網技術的建筑物監測預警系統

侯絢昕

（湖南省兒童醫院基建工程部 湖南省長沙市 410007）

隨著城鎮化建設的持續推進，如今我國各類基礎設施建設也在日趨完善，但由于歷史遺留等因素的影響，如今各地區仍然存在諸多老舊建筑，該些建筑因本身質量以及環境因素的影響，很多都存在一定的安全隱患，并且隨著時間的不斷推移，該些建筑物的安全性和穩定性也在持續下降。在此情況下，為避免發生建筑物坍塌、垮塌等安全事故，應對各類建筑物進行監測預警，確保建筑物安全問題能夠及時發現和處理。因此，對基于物聯網技術的建筑物檢測預警系統進行研究分析，將有著一定現實意義。

1 建筑物安全監測要素

建筑物在長時間使用后將會出現老化、地基振動等情況，促使建筑物整體穩定性、安全性均出現持續下降。基于建筑物安全影響因素，確定建筑物安全監測應從位移、傾斜、裂縫等三大要素進行，具體內容如下。

（1）位移。建筑物在使用過程中所涉及到的位移量主要包括有水平位移和垂直位移兩種，在兩種位移的影響下，建筑物將可能會出現地基下沉、地基滑動、建筑物坍塌、垮塌等情況。

（2）傾斜。建筑物的傾斜角度將會決定建筑的整體受力均衡狀態。若是建筑物發生傾斜情況，那么其整體受力將會變為非均衡狀態，建筑物的局部應力將會持續變大，當局部應力大于建筑物整體結構所能夠承受極限的時候，建筑物便會出現結構斷裂等問題。

（3）裂縫。結合實際情況來看，建筑物的裂縫問題主要由建筑物基礎結構發生不均勻沉降、外界溫度變化幅度過大以及內部應力偏大等因素導致。其中溫度變化幅度過大將會導致建筑物材料表面和內部收縮程度出現明顯差異，當收縮壓力超過建筑物材料所能夠承受的極限時，建筑物便會出現裂縫情況；內部應力偏大則會影響建筑物整體結構性能，其也可能會導致建筑物出現裂縫問題。

2 系統整體設計

本文所設計的建筑物監測預警系統應用了物聯網技術、傳感器技術以及計算機技術，整體系統主要有傳感器子系統、無線傳感網絡子系統、終端子系統三大子系統組成。其中傳感器子系統主要負責探測和收集建筑物及其周邊環境各類基礎數據信息，并將收集到的數據信息經過初步處理后發送給無線傳感網絡子系統；無線傳感網絡子系統主要負責數據的接收、傳遞、系統各設備模塊之間的無線連接，是保障系統整體性，實現各模塊之間數據交互的重要橋梁；終端子系統主要由PC 機組成，其將會作為建筑物監測預警系統的人機交互界面，操作人員不僅可以通過終端子系統對建筑物監測預警系統進行實時控制，還可以在界面中實時查看各類統計數據，同時終端子系統也負責提供預警、風險警告等功能。

3 傳感器子系統設計

3.1 傳感器子系統總體架構

建筑物監測預警系統中的傳感器子系統主要負責對建筑物以及周邊環境各類基礎數據進行收集和處理，相關數據主要可以分為環境信息和建筑物信息兩大類，其中環境信息又分為溫濕度信息、風速風向信息、光照強度信息等；建筑物信息則可以分為應力變化信息、振動加速度信息、傾斜程度信息以及裂縫情況信息等。基于上述要求，本文設計如圖1 所示的傳感器子系統硬件構成架構。

圖1：傳感器子系統整體硬件構成

3.2 傳感器設備選擇

3.2.1 環境監測傳感器設備選擇

（1）溫濕度傳感器。溫濕度傳感器將會采用DHT11 數字溫濕度傳感器，該傳感器具備電阻式濕度傳感元件和VTC 測溫元件，可以在實際應用過程中對周邊環境溫度和濕度進行實時監測[1]。

（2）風速風向傳感器。風速風向傳感器將會采用超聲波風速風向傳感器。此傳感器作為一款數字式傳感器，其具備數字化檢測功能，內設有超聲波風速、風險傳感器，可以實現周邊元件風速風向的快速檢測效果。

（3）光照強度傳感器。光照強度傳感器將會采用BH1750 傳感器。此傳感器內置有16 位模式轉換器芯片和16 位數模轉換器，實際工作電壓為3.3V[2]。

3.2.2 建筑物監測傳感器設備選擇

（1）結構應力監測。結構應力監測將會采用振弦式應變計。此傳感器在應用過程中可以通過弦振動頻率與弦的張力之間的變化關系來測量應變計所處點的應力變化數據。

（2）結構振動監測。結構振動監測將會選用低頻ICP 加速度計[3]。此傳感器主要用于大體積、轉動速度慢的物體加速度檢測，在設計中，此傳感器將會用于建筑物地基和地板振動情況的實時監測。

圖2：無線傳感網絡子系統總體架構

圖3：各傳感器節點獲取的位移數據情況圖

（3）結構傾斜監測。結構傾斜監測將會采用光纖光柵傳感器。此傳感器具有測量精度高、數據傳輸距離長、可操作性強，整體耐用性高等特點，可以實現對建筑物主體結構傾斜程度的實時在線監測效果。

（4）建筑裂縫監測。建筑物裂縫監測將會采用裂縫傳感器。此傳感器將會設置在建筑物易發生沉降縫區域，并通過橫向監測和豎向監測結合的方式實現對建筑物裂縫發育情況的實時監測。

3.3 控制器選擇

傳感器子系統的控制器將會選用ST公司生產的STM32F103RBT6型微處理器。該處理器是32 位處理器，內置有ARM 公司的Cortex-M3 架構內核，促使微處理器具有高性能、低功耗、低運行成本等優勢。因而在對市面上諸多微處理器進行綜合分析研究后，最終選用此微處理器。

4 無線傳感網絡子系統設計

在建筑物檢測預警系統中，無線傳感網絡子系統主要發揮著連接各設備模塊，實現設備之間數據交互的作用。傳感器數據將會經由無線傳感網絡子系統進行信號調理、放大以及A/D 轉化等一系列處理環境后，再由無線收發單元發送給網關，再由網關經由以太網絡傳遞給任務協調服務器，最后再由RS485 總線傳輸給上位機（PC機）進行數據處理、管理及顯示。無線傳感網絡子系統總體架構如圖2 所示。

5 上位機軟件設計

建筑物檢測預警系統的上位機主要由PC 機構成，其在系統中起到數據處理、系統管理以及數據統計和顯示等功能。不過想要達成相應的功能內容，還需要結合系統需求進行軟件設計。在軟件設計過程中選用了LabVIEW 圖形化編程語言來完成軟件系統核心操作平臺的搭建。其次，軟件不僅包括有環境監測以及建筑物檢測等數據信息顯示情況，還有具備預設參數設置、傳感器狀態顯示、系統自動預警等諸多功能內容，可以滿足本系統檢測的實際需求。最后，建筑物檢測預警系統中引入了MidasGen 軟件[4]，可以基于各類傳感器所獲取的數據信息，結合建筑物的實際形成構建建筑物數據變化模型，以此來對建筑物進行有限元分析，促使實時監測結果更加直觀立體。

6 系統功能檢驗

6.1 傳感器數據采集

以某建筑為研究對象，結合建筑物實際情況合理選擇各傳感器設備監測節點，并為各傳感器監測節點進行編號，以此來對建筑物進行整體全面檢測。在綜合考慮后，確定傳感器節點與匯聚節點之間的距離控制在10m 左右[5]，總節點數量將會確定為41 個，獲取到圖3 中的數據結果。

由圖3（a）可知，隨著傳感器節點編號的持續增加，傳感器所收集到的建筑物位移變化量也在持續加快，因此，在后續建筑物監測過程中，應在位移量變化最明顯的幾個區域設置有光纖光柵傳感器來對其位移量進行進一步監測。

由圖3（b）可知，隨著傳感器節點編號的持續增加，Y 方向的位移數據變化卻在持續減小，由此可見，29 以前的節點區域均存在較為嚴重的位移變化情況，應適當安裝振弦式傳感器進行進一步監測。

由圖3（c）可知，隨著傳感器節點編號的持續增加，Z 方向上的位移數據變化也在持續加大，相對于來說，在15 以前的傳感器節點變化相對較好，但在15 以后編號的傳感器節點所收集的Z 方向上的位移數據卻在持續增加。

綜合分析可知領頭建筑物的位移量更加明顯，因此需要在該建筑物處合理設置光纖光柵傳感器。具體來說就是在1-20 點處設置有振弦式傳感器；在21-25 點和26-41 點處設置有光纖光柵傳感器，其中21-25 點處還需要加設有振弦式傳感器，以此來實現相關數據的全面收集。

7 結語

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發展，如今社會對于建筑安全性的要求也在不斷提升。在此背景下，本文設計出一套基于物聯網技術的建筑物檢測預警系統，并以某建筑物為研究對象，對該系統進行了檢驗分析，合理優化的建筑物監測預警系統的具體安裝方案，在后續監測過程中確定此系統具有較強的可操作性，可以在實際建筑物監測預警過程中進行普及應用。