基于WSN的高层建筑物地基沉降动态监测系统的设计
2015-07-13
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0 引 言
随着社会经济的快速发展，城市土地资源越来越紧张，高层建筑物也越来越多，因此建筑物的变形被人们所关注[1]。在现实生活中有许多案例，因地基沉降造成建筑物的变形，变形严重的甚至造成建筑物的倒塌。故在施工阶段和运营阶段对建筑物地基沉降动态监测显得尤为重要。
传统的建筑物沉降测量方法有观测桩、静力水准仪、单点沉降计、剖面沉降仪、分层沉降仪等[2]，但普遍存在的缺点是精度低、安装或使用不方便并耗费巨大的劳动力、实时性差以及受外界影响大。随着高层建筑物的增多，这些测量方式已经不能满足需求，根据上述原因结合ZigBee无线传输的特点及高精度直线性位移传感器设计了精度高、操作简便、成本合理、网络化（有助于分析建筑物的整体变形）、无线化、动态的监测系统，且能够满足一定区域范围内无人值守的自动化测量的需要。
1 系统组成及工组流程
1.1 系统各部分组成
本系统包括以下2个部分：ZigBee网络和上位机。系统结构如图1所示。ZigBee网络由终端、路由器、协调器3部分组成终端包括传感器节点（安装在支架与基点之间，用来监测地基沉降。支架安装在墙体上离地面1 m，基点离墙体1 m）。路由器包括路由节点（安装在支架上，用来路由信息）。网关由协调器和串口通信软件组成。
1.2 系统工作流程
在该系统中，管理员可以通过上位机实时监测建筑物在修建过程中地基沉降程度及建筑物完工后由于地质原因及自然灾害带来的地基沉降程度，管理员可以通过地基沉降程度来采取相应的处理措施来保证建筑物的安全。下面对数据采集过程做详细说明。
ZigBee网络组建成功后，终端节点把垂直方向上的位移量传送到路由器，通过路由器再将位移量路由至协调器，协调器通过RS 232串口将位移量传送至上位机。管理员员可以通过Internet网访问上位机，查看位移的历史数据，这些数据也可以作为施工质量的重要依据[3]及判断建筑物变形重要因素之一。
2 下位机系统硬件设计及调试
2.1 数据采集及位移传感器
本系统采用德国技术的一款高精度直线性位移传感器PM11?R1?75L，精度高达±0.01 mm，而大型建筑物沉降观测误差[4]要求≤±1.0 mm。因此这款传感器完全满足测量精度的要求。
本系统使用TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器TLC549，以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17 μs，它能方便地采用三线串口方式与CC2530连接，构成数据采集系统终端。数据采集电路原理图如图2所示。
2.2 下位机系统硬件组成部分
本系统的硬件设计主要包括传感器节点、路由节点、协调器3部分。
传感器节点主要作用：采集位移量并发送至路由器，当位移量超限时声光报警，并将超限标致发送到协调器。传感器节点硬件部分主要包括CC2530芯片、电源管理单元、晶振、采集电路、微位移传感器等外围电路如图3所示。其中，采集电路作用是读取模拟量并将其转换成数字量。
路由节点主要负责信息的路由，路由节点的硬件部分主要是由CC2530芯片、电源管理单元及晶振、天线等电路组成。
协调器是ZigBee网络的汇聚节点，负责开启ZigBee网络，给新入网节点分配网络地址，汇聚和处理网络数据与PC机进行串口通信等。硬件部分由CC2530芯片、电源管理单元、串口模块、天线及晶振等电路组成，串口模块用来与PC机上的串口软件进行通信[5]。
2.3 下位机系统调试结果
下位机系统经过软硬件测试能够正常运行如图4所示。
3 系统软件设计
本系统的软件主要包括传感器节点、网关、上位机等部分。
3.1 传感器节点程序设计
传感器节点的软件部分主要实现采集电路的驱动、液晶的驱动和显示、与路由器之间的通信[6]。程序流程图如图5所示。
3.2 网关程序设计
网关是连接Internet和ZigBee网络的桥梁，其软件部分包含串口通信软件[7]和协调器软件两个部分。
当协调器收到传感器节点传来的位移数据时，协调器再将垂直方向位移通过串口传给通信软件。串口通信软件直接显示位移，并根据位移设置数据库中对应表格相应的值。其次，串口通信软件能监控串口的状态，并能实时显示位移，注意在打开串口前必须先设置好串口通信的参数，如图6所示。
3.3 上位机软件设计
为了使无线传感网络完善监测功能，系统使用Java Web等技术开发了基于MVC[8]（Model View Controller）模型的B/S架构的上位机监测软件。B/S架构软件包括Web服务器和数据库服务器。Web服务器采用免费的轻量级应用服务器Tomcat，数据库服务器采用体积小、速度快、成本低的MySQL。另外，为了方便开发，系统使用Apache JaKarta 项目组开发的应用框架Struts2配合Web网页的开发，并且使用功能强大的对象/关系映射（Object Relational Mapping）框架Hibernate配合数据库的开发，保证了源码的简练和完全面向对象的风格[9]。上位机管理软件主要实现了以下几方面的功能：
（1） 用户管理：主要设计用户登录权限、及增加用户、删除用户。
（2） 沉降实时曲线显示[9]：将各沉降点数据以动态曲线的方式显示的界面上，方便工作人员观察沉降态势，如图7所示。
（3） 沉降监测点报警：对沉降监测点设置指示灯报警，提示工作人员及时查看并确定报警类型。
（4） 沉降数据的数据库管理：通过数据库方式记录管理沉降数据，方便工作人员查询、调用历史数据。方式记录管理沉降数据，方便工作人员查询、调用历史数据。
4 结 语
通过模拟实验使用该系统能有效地监测各被测点的垂直方向位移的变化，并能实时的在上位机上反映出来，这可以给建筑物的工程技术人员提供很好的信息，尽早消除建筑物的安全隐患。在后续工作中我们可以在传感器节点上加上一些测量影响建筑物沉降变化因素（比如温湿度 、频率）的传感器更加综合地监测建筑物变形。
参考文献
[1] 杨麦良.高层建筑物的监测[J].测绘与空间地理信息，2005，28（4）：94?95.
[2] 李赟.高铁路基沉降监测系统地研究[D].南京：南京农业大学，2013.
[3] 齐海龙.高层建筑物沉降观测技术应用[D].北京：中国地质大学，2013.
[4] 刘先森，甘济五，王铁山.高层建筑物变形监测的研究[C]//华东六省一市测绘学会第十一次学术交流会论文集.福州：福建省测绘学会，2009：8?10.
[5] 胡韦丽.基于ZigBee 的瓦斯浓度检测系统设计[D].西安：西安科技大学，2011.
[6] 颜涛.基于ZigBee的桥梁无线测振系统[D].南京：南京理工大学，2012.
[7] 吴金锋，刘伟平，黄红斌.Java串口通信数据采控系统的设计与实现[J].微计算机信息，2010（10）：65?66.
[8] 吴茂昌，阳玉琴.基于MVC模式的Java主流框架整合技术研究[J].计算机与数字工程，2009（10）：91?93.
[9] 刘亚勇.基于Java远程监测系统的设计[D].武汉：武汉科技大学，2007.
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