基于Zigbee的高层建筑健康状况系统研究

李泽，张晨，郝万君，朱俊明，孙强

（苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

基于Zigbee的高层建筑健康状况系统研究

李泽，张晨，郝万君，朱俊明，孙强

（苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

一种基于Zigbee技术和电阻应变片的建筑健康状况系统，该系统可用于高层建筑，避免了传统有线检测带来的弊端。系统采用的Zigbee无线通信技术，硬件选用的是CC2530，将采集到的数据进行分析后利用GPRS技术传输到远程数据检测中心，实现了对高层建筑的实时监控。

Zigbee；CC2530；GPRS；高层建筑；建筑健康

近年来随着建筑倒塌事故的频繁发生，人们开始着力于研究事故原因，其中建筑的结构问题是最主要的原因之一[1-2]。而建筑的结构勘探一直是工程中施工人员的技术难题之一，光靠人力巡查和定期检修似乎已经不能满足对建筑物健康状况的全面实时检测。尤其随着高层建筑日益增多，检测工作则显得更加困难。

文章主要针对高层智能建筑的结构问题进行研究，提出一种智能检测建筑结构健康情况的方法，给出检测的主要解决方案，通过本方案的实施，可以很好解决以往建筑结构人工检测的工作强度大等难题。系统主要采用多个小型传感器，将其连接到电脑终端，实现操作人员在终端可以实时“看”到建筑物的受力和受伤情况的功能。

1 基于Zigbee的高层建筑健康状况系统功能分析及系统设计

Zigbee是一种典型的无线传感网络，目前针对大棚等工业农业环境使用非常广泛[3-5]，在该系统中，主要采用Zigbee作为网络构架，实现对于高层建筑的健康状况检测。对于高层建筑健康状况的检测系统一般应该具有以下功能：（1）对建筑结构进行实时检测；（2）由检测结果判断损伤位置和程度；（3）根据结果评估建筑物运营状况；（4）提高对突发状况的反应速度，减少损失。

图1为高层建筑健康检测系统总体设计框图。

图1 高层建筑健康检测系统总体设计框图

设计基于Zigbee的高层建筑健康检测系统基本包括下列几模块。

（1）信号输入检测模块。通过传感器等感知元件完成各种检测信号的拾取和转换，是信息采集的关键环节。

系统中主要使用电阻应变片检测建筑物的形变情况，通过电阻应变片在外力作用下产生机械形变，再由应变引起电阻变化，即电阻应变效应，检测建筑物形变量。

应变片由于其原材料不同对于压力的感知效果不同，其材料灵敏度系数关系如式1。

电阻应变片的灵敏度系数的影响因素是纵向与横向的形变，主要是纵向的相对变化影响更大。建筑物可能发生的情况为出现裂缝及弯曲，通过测量一定区域的电压进行判断，那么电压超出允许范围发出报警，完成简易的监测作用。

（2）数据采集模块。模块是通过硬件和软件对传感器输出的信号进行数据的采集、传输和存储；图2为系统中采集传输装置的硬件组成图。

（3）数据处理和分析模块。系统采用89C51单片机对各种收集的信号进行处理与分析。主要完成信号判别和信号输出功能。针对式1，这个过程基本是运用相应的编制好的软件程序来完成，具体程序流程图如图3。

（4）监控中心模块。通过传来的数据来断定结构的损伤部位和损伤程度，及时发现其异常；图3流程图为数据处理和分析模块工作流程。

（5）数据管理模块。是将各种数据以及分析结果进行存储的系统，并对结构进行实时观察，出现异常时进行报警，从而提高管理水平。图4为采集传输总系统。

图2 采集传输装置的硬件组成

图3 数据处理和分析模块工作流程图

图4 采集传输总系统

2 基于Zigbee高层建筑健康状况系统仿真

无线传感器网络生成总体要经过如下步骤:

（1）将传感器节点放置在指定位置上，就可省去定位系统，本系统采用6结点结构，分布于高层建筑的第2、4、6、8、10、12层，不布线，通过Zigbee网络进行信息的传导；（2）传感器节点进入到自检启动的唤醒状态，每个传感器节点会发出信号监控并记录周围传感器节点的工作情况，同时传感器节点也要发送信息给中心控制站（基站），来通知基站自己的工作状态；（3）这些传感器节点会根据监控到的周围传感器节点的情况，采用一定的组网算法，从而形成按一定规律结合成的网络；（4）组成网络的传感器节点根据一定的路由算法选择合适的路径进行数据通讯，完成数据采集、处理和发送。网络生成电路测量仿真图如图5所示。

3 结语

文章设计了一种基于Zigbee的高层建筑健康度的检测系统。主要考虑到Zigbee可以自由组网，不产生费用，且几十到几百的传输距离足够使用，技术成熟。系统主要关注于建筑物所观测区域的形变问题，如曲折、裂缝等，通过信息采集和无线传输将数据传送到上位机。尤其适用于建筑层数变高使得建筑物内部布线不便的情况，无线传输技术的引入较好解决了这样的问题。该系统原理简单、操作便利、实时性强、系统稳定，具有较好的市场前景，团队也将进一步跟进技术更新，将系统更加完善。

图5 电路测量仿真图

[1]李泽，郝万君，高涵文.含有分布时滞的T-S模糊系统的时滞依赖法鲁棒H∞滤波[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2014，27（3）：60-67.

[2]郝万君，乔焰辉，李泽，许洪华，马洁明，基于模糊模型的一类不确定非线性系统协调优化控制[J].苏州科技学院学报（自然科学版），2015，32（4）：40-45.

[3]沈曙明，马亮，袁海龙，孙新岸，沈卫康.基于Zigbee锅炉温度检测系统的应用设计[J].应用科技，2010（5）：163-173.

[4]王良，马克军.基于Zigbee技术粮仓环境检测系统的设计[J].信息通信，2012（5）：60-61.

[5]徐泽清.Zigbee无线网络在馆藏图书温湿度监控系统中的应用[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2011，25（4）：67-71.

The research on the health status system of high buildings based on Zigbee

LI Ze,ZHANG Chen,HAO Wanjun,ZHU Junming,SUN Qiang
（School of Electronic and Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The paper presents a system for testing the health condition of buildings based on the Zigbee technology and resistance strain gages,which can be used in the testing of the high-rise buildings and avoid the demerits of the traditional testing with wires.In the system,the Zigbee wireless communication technology and the hardware of CC2530 are employed to the device.After the data collected are analyzed,the data will be transmitted to the distant data testing center via GPRS,which completes the real-time observations on high-rise buildings.

Zigbee;CC2530;GPRS;high-rise buildings;health condition of structures

TN925

A

1672-0679（2016）04-0078-03

（责任编辑：卢文君）

2015-04-16

李泽（1983-），女，山西太原人，讲师，从事模糊系统、鲁棒控制滤波等研究。