基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统设计方案

一、项目概述

1.1引言

随着我国社会经济的发展，高大建筑物日益增多，由于各种因素的影响，在这些工程建筑物及其设备的运营过程中，都会产生变形。这种变形在一定限度内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和运营期间，必须对它们进行变形观测。为了监视建筑物在施工的过程和使用中的安全，需在施工过程及使用过程中对其进行变形观测；另一方面，为了进行科学研究以及为以后的地基基础设计提供一些经验数据，也需要对建筑物进行变形观测。建筑物的变形监测内容一般有沉降观测、位移监测和倾斜变形监测等等，而建筑物的倾斜、裂缝等情况往往是由建筑物不均匀沉降引起的，这就要求对建筑物尤其是对高层建筑物进行沉降观测。通过变形监测，对所得到的变形观测数据进行分析，从而对建筑物的运营状态进行判断，当发现不正常状况时，需及时对其进行分析，找出原因并采取措施，以保证建筑施工及使用的安全。

2009年8月7日温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表重要讲话，“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”；“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”；“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。 在这个全新学科中，我国的技术研发水平已处于世界前列。

目前，中国与德国、美国、英国等国家一起，成为国际标准制定的主导国之一。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。专家预计，这一领域将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。因此结合无线传感网络技术，开发基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统，极具创新性和实际推广应用价值，能够极大推动物联网技术的发展，同时也为我国建筑质量的大幅提升提供了技术保障。

系统以模块化平台设计思想为指导，始终以低功耗为目标，利用太阳能电池板供电，充分体现了环保意识，另外基于分布式的物联网技术的测量网络也是本系统的一个创新之处，相信本系统开发完成之后，会具有非常好的实际应用前景，并可以进一步完善成熟，达到真正的实际应用。

1.2项目背景

本基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统，主要涉及物联网技术、无线传感器网络、楼宇变形沉降监测方法和核心无线数传芯片CC2530的应用等背景知识，以下为详细介绍。

1.2.1物联网技术背景

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别等各种传感技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。

目前业界对物联网还没有一个完全统一的概念，但普遍认可的概念是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的皮肤和五官，识别物体、采集信息。感知层包括条码扫描、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、各种传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息与控制。

网络层是物联网的神经中枢，就像大脑的信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。

应用层是物联网的“社会分工”，与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。

中国物联网产业的发展，应该坚持“典型应用是导向、智慧处理是重点”的方针，物联网本身当前不可能呈现为一个整体形式而是以局部和行业的应用为当前的主要发展特征，物联网的未来是对获取的海量并冗余信息的智能处理，智慧应用是关键。抓住以上两个要点，才能从当前阶段和未来阶段把握中国物联网的发展机会。

1.2.2无线传感器网络概述

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

2000年12月，电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过ZigBee形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。在标准化方面，IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和 MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。高层应用、测试和市场推广等方面的工作由ZigBee联盟负责。ZigBee联盟成立于2002 年8月，由英国Inversys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。ZigBee联盟官方网址为www.ZigBee.org，目前联盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新规格（ZigBee 2007/Pro）。

基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4 组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

无线传感器网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外，根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。在无线传感器网络中，大量传感器节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此，与其他传统的网络相比，无线传感器网络具有如下特性：

1.低功耗Zigbee传输速率低，传输数据量少，信号的收发时间短。在非工作状态下，节点处于睡眠模式。而由睡眠模式启动至工作模式，设备搜索时间仅需45ms。通过上述机制，普通电池就可支持Zigbee节点运转长达6个月到2年左右。

2.自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器的位置不能预先精确设定，节点间的相互邻居关系预先也不知道。例如，通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或者危险的区域。因此就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或者环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监控精度而补充到网络中，所以在传感器网络中的节点个数就会动态地增加或者减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

3.高可扩充性 在没有协调器的情况下，一个无线传感器网络最多可容纳255个网络节点。若是有协调器的加入，无线传感器网络最多可扩充到65535个Zigbee节点，再加上各个网络协调器相互连接，则可使整个无线传感器网络节点数目变得十分可观。此外，Zigbee协议提供了数据完整性错误检查，并采用了通用的AES-128加密算法，从而又具备了高保密性。

1.2.3楼宇变形沉降监测方法概述

建筑物垂直位移观测是测定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它应该在基坑开挖之前开始进行，而贯穿于整个施工过程中，并继续到建成后若干年，直至沉陷现象基本停止。垂直位移的观测方法主要是采用精密水准仪进行测量。

水平位移观测的任务是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。当要测定某大型建筑物的水平位移时，可以根据建筑物的形状和大小，布设各种形式的控制网进行水平位移观测，当要测定建筑物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在垂直于待测定的方向上建立一条基准线，定期地测量观测标志偏离基线的距离，就可以了解建筑物的水平位移情况。水平位移观测一般有以下几种