基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)

一、項目概述

1.1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，高大建筑物日益增多，由于各種因素的影響，在這些工程建筑物及其設(shè)備的運營過程中，都會產(chǎn)生變形。這種變形在一定限度內(nèi)，應(yīng)認為是正常的現(xiàn)象，但如果超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時還會危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和運營期間，必須對它們進行變形觀測。為了監(jiān)視建筑物在施工的過程和使用中的安全，需在施工過程及使用過程中對其進行變形觀測；另一方面，為了進行科學(xué)研究以及為以后的地基基礎(chǔ)設(shè)計提供一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，也需要對建筑物進行變形觀測。建筑物的變形監(jiān)測內(nèi)容一般有沉降觀測、位移監(jiān)測和傾斜變形監(jiān)測等等，而建筑物的傾斜、裂縫等情況往往是由建筑物不均勻沉降引起的，這就要求對建筑物尤其是對高層建筑物進行沉降觀測。通過變形監(jiān)測，對所得到的變形觀測數(shù)據(jù)進行分析，從而對建筑物的運營狀態(tài)進行判斷，當發(fā)現(xiàn)不正常狀況時，需及時對其進行分析，找出原因并采取措施，以保證建筑施工及使用的安全。

2009年8月7日溫家寶總理在無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話，“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術(shù)”；“在國家重大科技專項中，加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展”；“盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫‘感知中國’中心”。 在這個全新學(xué)科中，我國的技術(shù)研發(fā)水平已處于世界前列。

目前，中國與德國、美國、英國等國家一起，成為國際標準制定的主導(dǎo)國之一。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康等多個領(lǐng)域。專家預(yù)計，這一領(lǐng)域?qū)l(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。

因此結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，極具創(chuàng)新性和實際推廣應(yīng)用價值，能夠極大推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，同時也為我國建筑質(zhì)量的大幅提升提供了技術(shù)保障。

系統(tǒng)以模塊化平臺設(shè)計思想為指導(dǎo)，始終以低功耗為目標，利用太陽能電池板供電，充分體現(xiàn)了環(huán)保意識，另外基于分布式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的測量網(wǎng)絡(luò)也是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新之處，相信本系統(tǒng)開發(fā)完成之后，會具有非常好的實際應(yīng)用前景，并可以進一步完善成熟，達到真正的實際應(yīng)用。

1.2 項目背景

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇變形沉降監(jiān)測方法和核心無線數(shù)傳芯片CC2530的應(yīng)用等背景知識，以下為詳細介紹。

1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用射頻自動識別等各種傳感技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。

目前業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個完全統(tǒng)一的概念，但普遍認可的概念是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器、環(huán)境傳感器、圖像感知器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，識別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識別物體，采集信息與控制。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，就像大腦的信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”，與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)行業(yè)智能化。

中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該堅持“典型應(yīng)用是導(dǎo)向、智慧處理是重點”的方針，物聯(lián)網(wǎng)本身當前不可能呈現(xiàn)為一個整體形式而是以局部和行業(yè)的應(yīng)用為當前的主要發(fā)展特征，物聯(lián)網(wǎng)的未來是對獲取的海量并冗余信息的智能處理，智慧應(yīng)用是關(guān)鍵。抓住以上兩個要點，才能從當前階段和未來階段把握中國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機會。

1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通。

2000年12月，電氣和電子工程師協(xié)會(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過ZigBee形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。在標準化方面，IEEE 802.15.4工作組主要負責(zé)制定物理層和 MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準。高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負責(zé)。ZigBee聯(lián)盟成立于2002 年8月，由英國Inversys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee聯(lián)盟官方網(wǎng)址為www.ZigBee.org，目前聯(lián)盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新規(guī)格（ZigBee 2007/Pro）。

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4 組織的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)可以實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值，而且在未來其應(yīng)用更將擴展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點組成的，傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。除此之外，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，可能還會有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動單元等。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過基站以衛(wèi)星通信或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。因此，與其他傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：

1.低功耗Zigbee傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量少，信號的收發(fā)時間短。在非工作狀態(tài)下，節(jié)點處于睡眠模式。而由睡眠模式啟動至工作模式，設(shè)備搜索時間僅需45ms。通過上述機制，普通電池就可支持Zigbee節(jié)點運轉(zhuǎn)長達6個月到2年左右。

2.自組織網(wǎng)絡(luò) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。例如，通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或者危險的區(qū)域。因此就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)控精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，所以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就會動態(tài)地增加或者減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

3.高可擴充性 在沒有協(xié)調(diào)器的情況下，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。若是有協(xié)調(diào)器的加入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可擴充到65535個Zigbee節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相互連接，則可使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目變得十分可觀。此外，Zigbee協(xié)議提供了數(shù)據(jù)完整性錯誤檢查，并采用了通用的AES-128加密算法，從而又具備了高保密性。

1.2.3 樓宇變形沉降監(jiān)測方法概述

建筑物垂直位移觀測是測定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它應(yīng)該在基坑開挖之前開始進行，而貫穿于整個施工過程中，并繼續(xù)到建成后若干年，直至沉陷現(xiàn)象基本停止。垂直位移的觀測方法主要是采用精密水準儀進行測量。

水平位移觀測的任務(wù)是測定建筑物在平面位置上隨時間變化的移動量。當要測定某大型建筑物的水平位移時，可以根據(jù)建筑物的形狀和大小，布設(shè)各種形式的控制網(wǎng)進行水平位移觀測，當要測定建筑物在某一特定方向上的位移量時，這時可以在垂直于待測定的方向上建立一條基準線，定期地測量觀測標志偏離基線的距離，就可以了解建筑物的水平位移情況。水平位移觀測一般有以下幾種方法：基準線法、角度前方交會法、角度后方交會法。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法和監(jiān)測技術(shù)日新月異，給樓宇沉降變形監(jiān)測帶來了嶄新的研究課題。就目前的監(jiān)測方法，可分為下列幾類：

1.傳統(tǒng)測量方法

在地面沉降變形監(jiān)測中，使用最為普及的是傳統(tǒng)測量方法。該方法是在需要進行監(jiān)測的區(qū)域，按照一定的原則，布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測點，定期或不定期地進行點位三維坐標測量。其中，地面點的平面位置觀測，采用測角、量距的方法進行;高程觀測，采用水準測量的方法進行。這種觀測，一般操作簡單，精度高，但成本高，費時費力。

2.全站儀測量

地面沉降變形監(jiān)測，主要測量監(jiān)測點的點位變化情況，而全站儀是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，具有簡單的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通訊等功能，因此，地面沉降觀測多采用全站儀進行。但這種觀測方法，由于多種因素的綜合影響，其監(jiān)測精度需要分析研究。

3.GPS測量

采用GPS和GIS技術(shù)進行地面沉降變形監(jiān)測，不僅可以監(jiān)測地面沉降的現(xiàn)狀，還可以在圖上實現(xiàn)成果可視化，是沉降監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一。GPS測量主要以相對定位為主，它可以提供高精度的三維點位坐標，使測量精度控制在較高的范圍內(nèi)，是沉降變形監(jiān)測的理想方法。其缺點在于監(jiān)測成本較高。

4.數(shù)字攝影測量

數(shù)字攝影測量的發(fā)展起源于攝影測量自動化的實踐，即利用攝像技術(shù)，實現(xiàn)真正的自動化測圖。與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別在于，數(shù)字攝影測量處理的原始信息，不僅可以是像片，更主要的是數(shù)字影像或數(shù)字化影像，它最終是以計算機視覺代替人眼的立體觀測。其實質(zhì)是通過獲取的數(shù)字影像，利用計算機軟件，生成數(shù)字地面模型(DTM)與正射影像圖。它可與其他測量方法結(jié)合，實現(xiàn)地面沉降變形的監(jiān)測。

5.星載合成孔徑雷達干涉監(jiān)測技術(shù)

空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展為地面沉降變形監(jiān)測提供了全新的方法。利用空間遙感技術(shù)測繪地面沉降，是當前監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的新方向。這種技術(shù)具有連續(xù)空間覆蓋、高度自動化和高精度監(jiān)測地面沉降變形的能力。它是利用不同時間測得的衛(wèi)星合成孔徑雷達地面圖像相重疊而形成的微分干涉圖像，圖像中一個相干顏色條紋循環(huán)代表一定數(shù)量的地面變形變量，并通過對比地面變形實測值來確認，再利用計算機處理形成地面變形等值線圖。與其它監(jiān)測方法不同的是，它不再是對有限數(shù)目的離散點進行監(jiān)測。在理論條件下，其監(jiān)測的地面變形精度為5～1Omm。

與其他幾種方法相比較，GPS定位技術(shù)具有觀測不受氣候條件限制、測站間無需保持通視、可同時測定點的三維位移及自動化程度高等優(yōu)點外，利用GPS和計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進行集成，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預(yù)報的自動化，達到遠程在線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控的目的。因而它為小范圍、短距離、高精度的工程建筑物的變形監(jiān)測提供了一種新的有效手段，目前正在被廣泛推廣應(yīng)用。

1.2.4 CC2530無線芯片概述

CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集——包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO，以及更多可擴展功能口。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI的一個標準兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2530可以用于的應(yīng)用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，CC2530擁有三種不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，編號后綴分別代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的閃存。

比起第一代CC2430，CC2530提供了改進的RF性能，多達256KB的閃存以支持更大的應(yīng)用，強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，IR一代電路，以及支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。CC2530 芯片具有如下主要性能：

★高性能和低功耗的8051微控制器核；

★32-、64-或128-KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存；

★8-KB RAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；

★集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機；

★極高的接收靈敏度和抗干擾性能；

★可編程的輸出功率高達4.5dBm；

★只需一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要；

★在供電模式1時僅24mA的流耗4μs就能喚醒系統(tǒng)；在睡眠定時器運行時僅1μA的流耗；在供電模式3時僅0.4μA的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；

★硬件支持CSMA/CA功能；

★較寬的電壓范圍（2.0～3.6V）；

★支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI和強大的5通道DMA；

★具有捕獲功能的32KHz睡眠定時器；

★具有電視監(jiān)視器和溫度傳感器；

★具有8路可配置分辨率的12位ADC；

★集成了AES安全協(xié)處理器；

★帶有2個支持多種串行通信協(xié)議的強大USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC

★定時器，1個16位定時器和1個8位定時器；

★強大和靈活的開發(fā)工具。

另外，CC2530集成了增強工業(yè)標準8051內(nèi)核MCU核心。該核心使用標準8051指令集。每個指令周期中的一個時鐘周期與標準8051每個指令周期中的12個時鐘周期相對應(yīng)，并且取消了無用的總線狀態(tài)，因此其指令執(zhí)行速度比標準8051快。由于指令周期在可能的情況下包含了取指令操作所需的時間，故絕大多數(shù)單字節(jié)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成。除了速度改進之外，增強的8051內(nèi)核也包含了下列增強的架構(gòu)：第二數(shù)據(jù)指針和擴展了18個中斷源。

該8051內(nèi)核的目標代碼與工業(yè)標準8051微控制器目標代碼兼容。但是，由于與標準8051 使用不同的指令定時，現(xiàn)有的帶有定時循環(huán)的代碼可能需要修改。此外，由于外接設(shè)備單元比如定時器的串行端口不同于它們在其他的8051內(nèi)核，包含有使用外接設(shè)備單元特殊功能寄存器SFR的指令代碼將不能正常運行。

Flash預(yù)取默認是不使能的，提高了CPU高達33%的性能。這是以功耗稍有增加為代價的，但是因為它更快，所以在大多數(shù)情況下提高了能源消耗?？梢栽贔CTL寄存器中使能Flash預(yù)取。