1 前言
隨著經濟發展和科技進步,高層建筑在全球范圍內遍地開花。高層建筑的安全至關重要。建筑物的增高在放大了地震、強風等對其自身影響的同時,也導致人們對其心理安全感的下降。
高層建筑的震動和晃動現象十分常見。2011年3月11日日本發生里氏8.8級強震,東京的高層建筑普遍震感強烈,一棟20層高的高層建筑震動時間達到4分鐘,震動幅度超過20cm,遠在千里之外的上海的高樓也有明顯震感,引起人們的極度恐慌。除了地震、大風外,電梯的運行、建筑內群體性活動、城市軌道交通等也會引起高層建筑的震動。2011年7月5日,韓國首爾一棟39層高的建筑震動近10分鐘,致使數百人驚慌逃離。最后查明,原因竟是在12層一些練習“跆搏”健身操的人和整個大樓結構產生共振引起。對高層建筑進行實時動態監測和診斷,及時評價震動對建筑的影響,發現建筑結構的損傷,評估其安全性,對可能出現的災害進行預測,已成為土木工程的必然要求?；跓o線傳感網絡的高層建筑在線動態監測系統,通過分布在建筑物各處的三分量加速度傳感器采集建筑物三維加速度,采集的信息通過無線傳感網絡傳輸給上位機,估算建筑物的震動情況,并對建筑物的結構性能做出評估。
2 系統結構及組成
為了有效監測建筑物整體動態情況,便于上位機重建建筑物當前狀態,無線檢測節點應安裝在建筑物的關鍵部位。不同結構的建筑物其自由振動參數計算方法差異較大,且影響建筑物位移估算,故本文以框架結構高層建筑為例?？蚣芙Y構由梁柱構成,在縱橫兩個方向都承受很大的力。為此,應分別在每層樓的梁柱結合處安裝無線檢測節點。
無線檢測節點實時檢測該點的三分量加速度,通過Zigbee網絡發送至中央協調器,再上傳至上位機處 理。上 位 機 可 自 行 處 理 數 據;也 可 通 過LAN\\(Local Area Network\\)網絡傳送至中心機房統一處理;或通過WAN\\(Wide Area Network\\)將信息傳送至遠程監視計算機。系統結構圖如圖1所示?！緢D1】
Zigbee設備在Zigbee網絡中分為協調器\\(Co-ordinator\\)、路由器\\(Router\\)和終端設備\\(End De-vice\\)三種。協調器負責初始化信道、建立通信地址表等。在本系統中,協調器除了負責建立通訊網絡外,還需要將其他節點檢測的數據上傳中央控制器\\(Central Controller\\),并將中央控制器的逐點巡檢等指令下達到各個通訊節點。路由器節點在本系統中除了提供數據傳輸路由外,還兼具檢測數據功能。終端設備節點在系統中只具備信號檢測功能。
3 硬件電路設計
系統硬件電路主要由檢測節點和中央控制器兩部分組成。由于檢測節點安裝在室內緊貼墻壁處,墻體、窗戶等會影響無線傳輸距離。為保證系統通訊的可靠性,選用Helicomm Zigbee通訊模塊IPLink1223,其最大通訊距離為100m,實驗顯示可在封閉狀態下穿越一層墻壁,符合系統要求。另外本模塊體積小、功耗低,發射時功耗為29mA,接收時功耗僅為27mA。為了提高通訊鏈路的可靠性,系統采用鏈狀拓撲結構,每條鏈路上采用雙路由器設置,既每層樓的Zigbee模塊設置兩個路由器。為避免與WIFI無線信號信道沖突,選用4、9、14、15信 道,其 工 作 頻 段 分 別 是2.425GHz、2.450GHz、2.457GHz和2.480GHz。
3.1 檢測節點硬件電路設計
檢測節點包括路由器檢測節點和終端設備檢測節點。其硬件電路完全相同,僅需在Zigbee模塊設置時分別設為路由器或終端節點即可。
選用Freescale MMA7260QT三軸加速度傳感器檢測建筑物的三分量加速度。
MMA7260QT的加速度檢測范圍可通過選擇設定為±1.5g、±2g、±4g、±6g。當檢測范圍為±4g時,其檢測精度為300mV/g,與PIC16F886IML的10位AD轉換配合使用其檢測精度可達0.01075g。參照日本地震烈度表,當選擇檢測加速度范圍為±4g時,可以檢測I-VII地震引起的地面水平加速度。另外該傳感器體積小功耗低,正常工作時功耗為500uA。系統選用PIC16F886作為檢測節點的控制芯片。PIC16F886最多可實現14路10位AD轉換。
通過設置可將AD轉換的參考電壓定為Vcc和GND,并可設置使用內部集成的RC時鐘信號,另外上電復位電路簡單,這使得外圍元器件降到最少。當 使 用4MHz時 鐘 信 號 時,芯 片 功 耗 僅 為220uA。選用PIC16F886的QFN封裝,能進一步減小PCB板 面 積,節 約 成 本,提 高 可 靠 性。PIC16F886和Zigbee模塊之間只需要用TTL電平實現串行通訊。檢測節點硬件電路如圖2所示?！緢D2】
3.2 中央節點硬件電路設計
中央節點負責控制Zigbee網絡中的協調器工作,將檢測節點的數據上傳到上位機,并向協調器下達上位機的指令。系統采用PIC18F23K22作為控制芯片,除了具備功耗低、體積小、外圍元件少等有點外,其還具有兩個URAT口,可滿足和同時與Zigbee協調器和上位機串行通訊的功能。由于系統采用3.3V供電,所以PIC18F23K22與上位機串口之間通訊的電平轉換采用MAX3232。中央控制器硬件電路設計如圖3所示?！緢D3】
4 控制芯片程序設計
從系統層面上來說,控制芯片程序設計分為加速度信號自檢程序、檢測程序和數據傳輸程序。檢測節點的程序相同,且包括上述三個內容。而中央控制器僅有數據傳輸指令,且與檢測節點的程序不同。
4.1 傳輸數據格式規定
IPLink1223傳輸的每幀數據格式如圖4所示?！緢D4】
報頭\\(Header\\)1Byte的第5、6、7三個位可表示該幀數據的類型,分別為“命令請求”、“命令應答”、“數據請求”或“ASK應答”。當上位機對所有檢測點進行巡檢時,IPLink1223模塊會自動返回ASK應答數據幀。合理應用該方式可大大簡化巡檢應答程序。
LQI用于指示鏈路信號質量,如果該檢測點信號鏈路質量過低會影響傳輸信號的可靠性,因此在系統自檢過程中可以通過讀取該字段檢測信號鏈路質量,如果信號過低,可在上位機報警提示。
目的地址\\(Address\\)字段用于指定本幀數據發往的目標。其中協調器的地址0000H,廣播地址為FFFFH。當上位機巡檢時,可采用逐點巡檢方式,也可采用廣播巡檢方式。為便于系統后期信號處理,系統規定檢測節點地址的高位為樓層號、低位為節點號。如0304H,表示第3層的第4個檢測節點。另外規定01和02節點號為路由檢測節點。
數據\\(Data\\)是檢測節點上傳的有效數據,是用戶自己定義的內容。根據實際需要,本系統有效負載為7個字節。從高到低分別是狀態\\(Status\\)1字節、X軸加速度\\(X-axis Acceleration\\)2字節、Y軸加速度\\(Y-axis Acceleration\\)2字節、Z軸加速度\\(Z-axis Acceleration\\)2字節。其中狀態字節含義分別是:FFH表示正常、00H表示電源故障、AAH表示X軸加速度數據讀取錯誤、BBH表示Y軸加速度數據讀取錯誤、CCH表示Z軸加速度數據讀取錯誤。因為Data字段的數據位數為7位,所以數據長度\\(Data length\\)的數據始終未07H。校驗字段\\(XOR\\),用于驗證傳輸數據正確性。
系統對前面12個字節的數據進行異或,并存入校驗字段中。當接收端接收到信號時,首先計算數據前12個字節的異或結果,如果計算結果與校驗字段數據相同,則表示接收數據正確,否則錯誤。
4.2 檢測節點程序設計
檢測節點程序包括初始化程序、自檢程序、上位機巡檢應答程序、AD轉換程序、串行數據發送程序等幾個部門。程序流程圖如圖5所示?！緢D5】
初始化程序功能包括設置PIC16F886單片機使用內部振蕩信號、頻率4MHz;設置串口通訊格式;設置AD轉換標準等。自檢程序包括檢測電源電壓程序、AD轉化是否正常等。若自檢發現故障,直接在數據幀數據字段的第一個字節填寫相應的錯誤代碼發送出去。
當自檢無誤,系統判斷是否有上位機的巡檢指令。當接收到上位機的巡檢指令后,系統只需等待1秒空閑,Zigbee模塊會自動范圍一個ASK指令,并且攜帶本機地址。等待1秒,是為了躲過檢測點上傳數據,不至于數據通道擁擠。
讀數據程序就是讀取AN8、AN9、AN10三個通道的AD轉換結果。因為系統采用10位AD轉換,因此程序直接將低8位送給對應的低位字節,高2位送給對應的高位字節。發送數據程序調用串口發送數據。XOR字段為Zigbee模塊自動添加,無需處理。
4.3 中央節點程序設計
中心節點程序僅包含數據傳輸。分為接收檢測點數據并上傳上位機、下達巡檢指令兩個部分。程序流程圖如圖6所示?！緢D6】
當上電后,系統進入初始化程序。初始化程序主要完成設置PIC18F23K22單片機使用內部振蕩信號、頻率4MHz;設置串口1和串口2的通訊格式。自檢程序主要是檢測與協調器的通訊是否正常。如與協調器通訊有故障則在數據幀相應字段寫入錯誤代碼,并上傳給上位機。由于中央節點的通訊是單片機與上位機的通訊,因此單片機需要模擬一個數據幀 格 式。規 定 報 頭 為FFH、LQI為FFH、地址為0000H、XOR需要計算后寫入。當自檢無誤時,系統判斷是否有上位機巡檢指令。如 有 上 位 機 巡 檢,則 將 巡 檢 指 令 轉 發 給URAT1端口,再由Zigbee模塊發出。若沒有巡檢指令則判斷是否有檢測節點上傳數據。如有上傳數據,則由URAT2上傳給上位機。
5 上位機軟件簡介
上位機采用VB.Net實現數據讀取、預處理和數據還原功能,并應用SQL Server存儲預處理數據和還原數據。為了提高運行效率,上位機軟件采用多線程模式工作。軟件分為:主線程、數據讀取次線程、數據預處理次線程和數據還原次線程等4個線程。其中主線程完成操作界面控件響應、數據發送等功能。當COM接收到數據時觸發數據讀取次線程,并讀取串口數據,當串口緩沖區字節為0時,關閉該線程。當數據讀取次線程讀取完一幀數據后觸發數據預處理次線程。當數據預處理次線程處理完一個幀數據后觸發數據還原線程。數據預處理次線程首先檢驗該幀數據的正確性,然后檢測該檢測點的數據鏈路質量及狀態位。如有故障則在頁面上顯示或報警。接著提取地址和X、Y、Z三個軸的加速度信息,并將該信息傳遞給數據還原次線程。最后調用系統時間、地址信息、狀態信息、LQI信息存入SQL的DataStuts數據表中。數據還原次線程完成將10位二進制的加速度數據轉換成為十進制浮點型數據,并顯示在界面對應的控件上。
同時,調用系統時間、地址信息和還原的加速度信息存入SQL的AccelerationData數據表中。上位機軟件運行程序主界面如圖7所示?！緢D7】
6 結論及展望
經實驗證明,本文所設計的基于無線傳感網絡的高層建筑在線監測系統具有硬件可靠、組網簡單方便、檢 測 節 點 功 耗 低 \\(發 射 和 接 收 功 耗 小 于60mA\\)、硬件電路外圍器件少等優點。但仍然存在一些需要改進的地方:
1\\)本系統的檢測精度為0.01075g,雖然能檢測I級地震產生的地表加速度,但對于輕微的高層建筑晃動無法有效檢測。主要原因是加速度傳感器檢測精度過低。目前,如何提高三分量加速度傳感器的檢測精度并微型化,也是研究熱點問題。彌補本系統存在的不足,依賴于傳感器領域的研究成果及產品開發。
2\\)由于高層建筑震動的三分量加速度之間存在一定的耦合關系,本系統目前僅能提供各個監測點的實時位移估算值。如何對X、Y、Z三軸加速度準確解耦,并找到更合理的位移估算算法需要進一步研究。
3\\)本系統能實時檢測建筑物的三分量加速度。如何利用這些加速度信息對建筑的狀態實現三維動態可視化重現,需要進一步研究并實現。
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