采用无线传感网络实现高层建筑在线动态监测

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1 前言

随着经济发展和科技进步,高层建筑在全球范围内遍地开花。高层建筑的安全至关重要。建筑物

的增高在放大了地震、强风等对其自身影响的同时,也导致人们对其心理安全感的下降。

高层建筑的震动和晃动现象十分常见。2011 年3月11 日日本发生里氏 8.8 级强震,东京的高层

建筑普遍震感强烈,一栋 20 层高的高层建筑震动时间达到 4分钟,震动幅度超过 20cm,远在千里

之外的上海的高楼也有明显震感,引起人们的极度恐慌。除了地震、大风外,电梯的运行、建筑

内群体性活动、城市轨道交通等也会引起高层建筑的震动。2011 年7月5日,韩国首尔一栋 39

层高的建筑震动近 10 分钟,致使数百人惊慌逃离。最后查明,原因竟是在 12 “ ”层一些练习跆搏健

身操的人和整个大楼结构产生共振引起。对高层建筑进行实时动态监测和诊断,及时评价震动对

建筑的影响,发现建筑结构的损伤,评估其安全性,对可能出现的灾害进行预测,已成为土木工程的

必然要求。基于无线传感网络的高层建筑在线动态监测系统,通过分布在建筑物各处的三分量加

速度传感器采集建筑物三维加速度,采集的信息通过无线传感网络传输给上位机,估算建筑物的

震动情况,并对建筑物的结构性能做出评估。

2 系统结构及组成

为了有效监测建筑物整体动态情况,便于上位机重建建筑物当前状态,无线检测节点应安装在建

筑物的关键部位。不同结构的建筑物其自由振动参数计算方法差异较大,且影响建筑物位移估

算,故本文以框架结构高层建筑为例。框架结构由梁柱构成,在纵横两个方向都承受很大的力。

为此,应分别在每层楼的梁柱结合处安装无线检测节点。

无线检测节点实时检测该点的三分量加速度,通过 Zigbee 网络发送至中央协调器,再上传至上位

机处理。上位机可自行处理数据; 也可通过LAN(Local Area Network)网络传送至中心机

房统一处理;或通过 WAN(Wide Area Network)将信息传送至远程监视计算机。系统结构图如图

1所示。【图 1】

Zigbee 设备在Zigbee 网络中分为协调器(Co-ordinator)、路由器(Router)和终端设备(End De-vice)

三种。协调器负责初始化信道、建立通信地址表等。在本系统中,协调器除了负责建立通讯网络

外,还需要将其他节点检测的数据上传中央控制器(Central Controller),并将中央控制器的逐点巡

检等指令下达到各个通讯节点。路由器节点在本系统中除了提供数据传输路由外,还兼具检测数

据功能。终端设备节点在系统中只具备信号检测功能。

3 硬件电路设计

系统硬件电路主要由检测节点和中央控制器两部分组成。由于检测节点安装在室内紧贴墙壁处,

墙体、窗户等会影响无线传输距离。为保证系统通讯的可靠性,选用 Helicomm Zigbee 通讯模块

IPLink1223,其最大通讯距离为 100m,实验显示可在封闭状态下穿越一层墙壁,符合系统要求。另

外本模块体积小、功耗低,发射时功耗为29mA,接收时功耗仅为27mA。为了提高通讯链路的可

靠性,系统采用链状拓扑结构,每条链路上采用双路由器设置,既每层楼的 Zigbee 模块设置两个路

由器。为避免与 WIFI 无线信号信道冲突,选用 4、9、14、15 信道, 其工作频段分别是

2.425GHz、2.450GHz、2.457GHz 和2.480GHz。

3.1 检测节点硬件电路设计

检测节点包括路由器检测节点和终端设备检测节点。其硬件电路完全相同,仅需在Zigbee 模块

设置时分别设为路由器或终端节点即可。

选用 Freescale MMA7260QT 三轴加速度传感器检测建筑物的三分量加速度。

MMA7260QT 的加速度检测范围可通过选择设定为±1.5g、±2g、±4g、±6g。当检测范围为±4g

时,其检测精度为 300mV/g,与PIC16F886IML 的10 位AD 转换配合使用其检测精度可达

0.01075g。参照日本地震烈度表,当选择检测加速度范围为±4g 时,可以检测 I-VII 地震引起的地

面水平加速度。另外该传感器体积小功耗低,正常工作时功耗为500uA。系统选用 PIC16F886 作

为检测节点的控制芯片。PIC16F886 最多可实现 14 路10 位AD 转换。

通过设置可将AD 转换的参考电压定为Vcc 和GND,并可设置使用内部集成的 RC 时钟信号,另

外上电复位电路简单, 这使得外围元器件降到最少。当使用4MHz 时钟信号时, 芯片功耗仅

为220uA。选用 PIC16F886 的QFN 封装,能进一步减小 PCB 板面积, 节约成本, 提高可靠

性。PIC16F886 和Zigbee 模块之间只需要用TTL 电平实现串行通讯。检测节点硬件电路如图 2

所示。【图 2】

3.2 中央节点硬件电路设计

中央节点负责控制 Zigbee 网络中的协调器工作,将检测节点的数据上传到上位机,并向协调器下

达上位机的指令。系统采用PIC18F23K22 作为控制芯片,除了具备功耗低、体积小、外围元件

少等有点外,其还具有两个 URAT 口,可满足和同时与Zigbee 协调器和上位机串行通讯的功能。

由于系统采用3.3V 供电,所以PIC18F23K22 与上位机串口之间通讯的电平转换采用

MAX3232。中央控制器硬件电路设计如图 3所示。【图 3】

4 控制芯片程序设计

从系统层面上来说,控制芯片程序设计分为加速度信号自检程序、检测程序和数据传输程序。检

测节点的程序相同,且包括上述三个内容。而中央控制器仅有数据传输指令,且与检测节点的程

序不同。

4.1 传输数据格式规定

IPLink1223 传输的每帧数据格式如图 4所示。【图 4】

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标签： #高层建筑 #建筑

摘要：

采用无线传感网络实现高层建筑在线动态监测1前言随着经济发展和科技进步,高层建筑在全球范围内遍地开花。高层建筑的安全至关重要。建筑物的增高在放大了地震、强风等对其自身影响的同时,也导致人们对其心理安全感的下降。高层建筑的震动和晃动现象十分常见。2011年3月11日日本发生里氏8.8级强震,东京的高层建筑普遍震感强烈,一栋20层高的高层建筑震动时间达到4分钟,震动幅度超过20cm,远在千里之外的上海的高楼也有明显震感,引起人们的极度恐慌。除了地震、大风外,电梯的运行、建筑内群体性活动、城市轨道交通等也会引起高层建筑的震动。2011年7月5日,韩国首尔一栋39层高的建筑震动近10分钟,致使数百人惊慌...

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