采用无线传感网络实现高层建筑在线动态监测
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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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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