危房智能监测传感系统研发

魏世玉，江君

(1.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心；2. 重庆地质矿产研究院；3.重庆华地工程勘察设计院，重庆 400042)

危房智能监测传感系统研发

魏世玉1,2,3，江君1,2,3

(1.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心；2. 重庆地质矿产研究院；3.重庆华地工程勘察设计院，重庆 400042)

基于磁致伸缩位移传感、倾角传感以及无线通讯技术，研发无人值守式危房智能监测传感系统，可同时观测房屋裂缝宽度及结构整体倾斜变化，具有数据远程发送、本地存储、超限报警功能。选取重庆市奉节县某危房进行应用示范，结果表明监测数据连续性较好，设备环境适应性较强；灵敏度较高、精度满足工程实践需求；通过远程平台对监测数据进行管理，实现了危房监测的远程自动化。

智能；监测；裂缝；倾斜

目前，我国现存大批超过设计基准期的老旧房屋，全国大约 1/3的住宅安全储备不足，奉节“楼裂裂”、富阳的“楼倒倒”等类似事件时有出现。为保障广大住户的生命财产安全，加强房屋住用安全监测与监管显得尤为迫切。现有对建筑物进行状态监测和安全评估的方法中，主要采用传统的全站仪、水准仪、千分表等人工方法来观察测量建筑物的变形、位移、沉降、倾斜等，受人为因素影响误差较大。此外，还可以通过 GPS定位技术实现自动化的绝对位移观测。

1 技术路线

危房智能监测传感系统主要包含前端传感、中层传输、顶层展示三部分，通过磁致伸缩位移传感及倾角传感技术研究，无线采发及通讯技术研究，监测软件系统开发来实现，其技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2 传感技术研究

2.1 磁致伸缩位移传感

基于磁致伸缩原理而设计的新型智能化位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确检测活动磁环的绝对位置，实现测量被测体的实际位移值，具有高精度、有效传递距离远、非接触式、可靠性高且适应于恶劣环境等特点。磁致伸缩位移传感器基本结构是由信号检测系统、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成，在某些位移传感器中，浮子用磁环代替。工作时，传感头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号，根据电磁场理论，此电脉冲同时伴随一个环型磁场以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时，磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化。因此当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导丝会产生伸缩变形，而沿螺旋形磁场的伸缩将导致波导丝产生扭曲形变，从而激发扭转波。

2.2 倾角传感

随着 MEMS技术的发展，惯性传感器件在近年来成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而 微加速度 计（micro-accelerometer）就 是惯性传 感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，现在的 MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。倾角传感器高度集成MCU、MEMS加速度计，模数转换电路、通讯单元实现双轴倾斜观测。该传感器特点是：硅微机械传感器测量 (MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化，输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。数据方式输出，接口形式包括 RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。

3 通讯技术研究

根据危房自动化监测特性，远程通讯模组应具备安全性、可靠性以及低功耗特性，经过广泛的市场调研，研究决定选用中移物联网有限公司研发的 M6310物联网专网通讯模组。M6310模块，是一款工业级的两频段GSM/GPRS无线模块，其工作频段是：GSM900MHz和 DCS1800MHz，M6310提 供 GPRS数 传，GSM 短信 业 务， 并 支 持 GPRS multi-slot class1~12（ 默 认 为class12）、GPRS编 码 格 式 CS-1、CS-2、CS-3和CS-4。该模块采用了低功耗技术，电流功耗在睡眠模式 DRX=5下，低至 1.3mA。

4 危房智能监测传感设备集成

设备研发集成了磁致伸缩位移传感、倾角传感以及无线通讯技术，可实现无人值守式永久测量，如图2所示。可同时测量双轴倾斜、裂缝宽度变化；内置 GSM/GPRS无线网络，机身具有 16M数据存储 FLASH，实现监测数据本地存储及定时无线发送功能；超低功耗设计，使用标准 7号电池供电连续工作 1年；内置 GPS，数据包中包含坐标信息；蓝牙功能，结合手机 APP实现参数配置、历史数据读取。

图2 危房监测专用传感设备

5 数据分析与展示

基于监测数据解译、监测成果分析与表达以及数据分析，编制监测设备远程管理及监测数据分析软件。

5.1 原始监测数据解译

由于传感器输出数据为模拟信号或数字信号，所以数据接收端须具备监测数据解译基本功能，项目通过对传感器输出数据格式进行研究，编制相应数据解译模块，最终得到直观的十进制观测数据。解析功能集成于现场采发端，主要是将光电信号解析为可识别的物理量，其基本思路如图3所示。

图3 数据解译基本思路

5.2 监测成果分析及数据分析预测

监测数据为固有的时间序列，为反映真实的变形情况，研究监测数据粗差剔除、系统误差改正以及偶然误差平滑降噪的实用性方法，最终以观测成果为数据源在时间域尺度上绘制变形过程线，运用数据分析方法预测变形趋势，基于此可较直观的反映监测数据的相关性，同时更有助于对变形模式和稳定性趋势的判断。通过数据分析法进行预测有两种方法，包括多项式拟合和移动平均法，得到变化曲线。

6 应用实例

6.1 工程概况

重庆市奉节县永安镇某危房为框架结构，基础形式为桩基础，分三个单元，共有 10层，现有居民 90户400余人，门面 4间，总建筑面积约 7400m2，变形区域长约 149m，宽约 56m，坡顶高程 297～ 299m，坡底高程214～ 221m，相对高差约 80m。房屋位于斜坡坡顶。变形特征主要表现为斜坡坡顶的地表变形与房屋开裂。自 2013年 11月以来，该住宅楼各楼层地面和墙体均出现不同程度的开裂，并导致防盗门无法关闭，严重影响了居民的正常生活，威胁到居民的生命和财产安全。选取位于临空面法向方向的 LF01号墙体裂缝进行应用示范，将危房智能监测传感设备主机安装于墙体裂缝一侧，将拉线环套在铆钉上固定于裂缝另一侧。数据采集周期为每3天一次。

6.2 监测数据结果与分析

经过 3个月的应用示范，得到 LF01号裂缝变形过程线如图4所示，房屋倾斜过程线如图5所示。由图可知，LF01号裂缝在观测期间，裂缝宽度呈现间断性增大的趋势，累计变化量最大达到 5.91mm。此外，房屋有向临空面发生倾斜的趋势，但变形较为缓慢，其绝对倾斜变化量为 19.43mm，倾角变化值为 6.97＂ ,目前二者均表现收敛趋势。

图4 LF01裂缝变形过程线

图5 房屋倾斜过程线

7 结语

通过应用示范得出如下结论：（1）监测期间数据连续性较好，说明设备野外环境适应性较强，通讯功能较可靠。（2）位移观测精度优于 0.2mm，房屋倾斜观测精度优于 0.001°，满足工程监测实践的需求。（3）监测期间设备能捕捉到实际微变形情况，说明设备观测灵敏度较好。（4）通过远程平台对监测数据进行管理，实现了监测的远程自动化，同时说明软件解算算法是可靠的。

[1] 江亦海 .既有房屋安全动态监测管理信息系统研究 [J].住宅科技 , 2015(1):41-43.

[2] 张永红 .浅谈城市危房的安全监测 [J].江西测绘 , 2013(2):45-46.

TP212.6

A

：1671-0711（2017）07（下）-0198-02