自组网低功耗应力监测设备在既有建筑改造中的应用

李 兵 李鑫奎 沈志勇 况中华 施 臻

1.上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2.上海建工二建集团有限公司 上海 200080

随着计算机信息技术及网络技术的快速发展，嵌入式数据采集系统成为了工程领域技术研究的热点之一，尤其是低功耗及自组网通信技术，其在建筑健康监测或施工过程监测中的应用日趋重要，因此对系统硬件研发、模块设计及调试的高标准要求也就显得较为突出。传感器网络的发展历程分为以下3个阶段：传感器→无线传感器→无线传感器网络（由大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）。无线传感器网络研究起步于20世纪90年代，并从最初利用微机电系统MEMS技术设计微型化的节点设备逐渐过渡到对网络本身问题的关注和研究。进入21世纪后，无线自组网的一个重要发展方向就是无线传感器网络（wireless sensor network）。无线传感器网络由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，其通过无线通信方式形成一个多跳的、自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并将信息传递给信息获取者。孙瑞瑞[1]基于自己的研究对数据采集系统及嵌入式设备进行了一定的设计和研发，实现了对低功耗嵌入式数据采集系统的主板软件驱动程序及模块化设计。孟祥儒等[2]采用Quinn和Rife-Jane算法对振弦式应力传感器的采集频率进行精确检测，提高了信噪比，具有较强的抗干扰性能。夏天祥[3]采用STM32片上资源实现了传感器激励电路等精度测频并改进了传感器的电路结构，通过自编程序实现了自适应扫频激振技术。贺虎等[4]提出了反馈式激振法，通过低压拨弦的方法对传感器进行预激振，有效提高了传感器监测或测量的精度。

随着建筑业与信息化的不断融合，建筑工程施工过程中的监测传感器越来越多，数据的采集和传输量也越来越大，而建筑工程在传统有线的数据采集及传输系统中，存在着布线麻烦、易损坏、代价高的缺点；即便是采用传统的无线数据采集传输方式，也存在着协议复杂、技术要求高、需要专业人员参与的缺点，这在很大程度上限制了数字化监测技术的发展[5-7]。本文针对现有自主研发的应力监测设备，基于自组网、低功耗技术，对现有产品的通信网络及无线传感的相关内容进行硬件系统的深层次研发，最终研发出了具有高新技术成果转化的新型低功耗、智能自组网的应力传感器装置，突破了传统应力传感器受施工现场条件限制的技术瓶颈，延长了监测设备在现场的使用寿命和监测时间，减少了现场大量对传感器的维护工作。

1 自组网低功耗应力监测设备研发

依托上海建工集团股份有限公司现有自主研发的应力监测产品，采用智能自组网技术、低功耗技术对其硬件系统进行研发，提出了一种高效自组网算法和智能控制策略，并配合现有重大工程项目在实际施工过程中进行了大量调试和检测。

为解决建筑施工现场监测过程中无线数据传输由于遮挡、干扰等因素导致数据信号衰减严重的问题，本文采用ZigBee与LoRa相结合的方法，并根据现场情况进行模块布设，保证监测数据的完整性和有效性。本文所采用的传输模式主要包括数据采集节点、数据传输节点和数据网关这3种。采集节点包含数据采集模块、MCU、ZigBee模块、存储器、电源。数据传输节点包含LoRa模块、MCU、ZigBee模块、存储器、电源。数据网关又称协议转换器，连接2个或更多个管理上相异的网络/子网的节点，是一种存储转发设备，主机所发送的数据报（所传送的信息被划分为基本的数据单元再进行传送，这些基本的数据单元称为数据报）将被传送至服务器。其中，LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供一种简单且能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。其在施工监控应用场景下，存在传输距离过近、衰减迅速的问题。

通过研究高效自组网算法和智能控制策略，使监测节点形成良好的拓扑网络结构，实现系统功耗降低和监测节点数量的自由增减。围绕适用于建筑工程施工过程数字化监测需求，开发具有自组网低功耗的智能监测装置，运用了不同物理量监测传感器之间的数据采集传输技术，满足不同类型传感器的快速组网要求。采用系统低功耗技术，低功耗系统的设计是一种将硬件和软件综合为一体的技术，必须在使用低功耗芯片的同时，结合智能的控制策略和优化组网算法，研究数据传输优先和退避机制。当多个传感器节点同时与某个传感器节点通信时，存在争抢信道的现象，造成数据丢失。而通过节点间数据传输优先和退避机制，可实现数据流畅传输、避免丢失。系统中各节点模块可通过自有网络将各自的状态传输至特定的服务器，支持实时查看，方便维护。具体汇总为：通过研发适用于施工现场的数据传输网络，采用高效自组网络，智能控制策略，设计良好的拓扑网络结构；通过研发适用于多种传感器数据的硬件模块，根据特制的协议规则，使其对主流传感器数据兼容并能够稳定传输；通过研究数据传输的优先和退避机制，避免多个传感器节点同时与某个传感器节点通信时的数据丢失现象；对网络稳定性能够实时监测，使得节点工作状态数据实时传输至特定服务器，支持实时查看。

此外，运用跳传模块结合信号路径优化机制提升了数据传输的可靠性及稳定性，以及采用多种技术协同工作的原理，对现有硬件系统进行优化设计和开发，研发出了一套低功耗智能自组网应力传感器设备装置，提高了应力传感器设备监测频率、使用寿命、数据精确度等，既提高了实际工程监测的工作效率，又提升了结构受力的监测准确性。自组网低功耗应力监测设备研发硬件如图1所示。

图1 自组网低功耗应力监测设备研发硬件实物

2 在既有建筑改造施工中的应用

2.1 工程概况

上海市南京东路新康大楼历史保护建筑于1916年—1921年期间建造完成，至今约有100年历史，地处黄浦区江西中路与九江路交界处，最初由英籍建筑师事务所马海洋行和英商新康洋行负责建筑设计和建造。新康大楼为钢混框架多层建筑结构，总建筑面积约10 400 m2，原建筑地上共9层结构，无地下室。原先结构形式以小跨度尺寸为主，已不能满足现代实际办公及商场功能需求，因此现建设单位对其进行拆除、加固等改造施工。在保留现有历史外墙的基础上，采用钢架整体保护外墙（型钢桁架呈U形，尺寸为50 m×20 m×30 m，如图2所示），以免在实际施工中对外墙结构造成破坏，并拆除原先内部所有结构，采用逆作法施工，需完成地下5层及新建地上10层结构。考虑到周边建筑环境较为复杂，楼与楼之间间距很小，且均为历史保护建筑，以及施工过程中须开挖24 m深基坑等因素，故在实际不同施工阶段过程中对保护外墙的钢桁架结构进行应力实时监测是非常重要的。本次在钢桁架梁端及柱端设置了34支应力计，并与新研发的低功耗智能自组网的应力监测设备结合（图3），实现了结构受力实时自动化监测，为项目安全施工保驾护航。

图2 采用型钢桁架保护外墙

图3 自组网低功耗应力监测设备的现场应用

2.2 自动化应力监测

在新康大楼外墙保护工程中应用自组网低功耗应力监测设备，对钢桁架结构重要的梁端、柱底等节点进行应力自动化监测，经过为期半年的实际监测与调试完善，采集频率、数据精准度、能耗时间等参数均达到了较好的状态，目前监测频率设置为1次/min，与原先成熟的应力监测采集仪产品对比，数据误差在1%以内，无线自动化电池使用时间延长1～2倍，大大提高了监测效率（图4）。

图4 结构应力多测点同时显示时程线

由图4可知，在新康大楼一柱一桩施工阶段过程中，各应力测点的应力数据显示正常，且与人工监测数据、源清慧虹应力采集模块的误差较小，应力数据发展也较稳定，设备使用时间长。经过一定的滤波技术处理，由自组网低功耗应力监测设备采集的数据无线上传至云平台后，其数据能较清楚、直观地反映出结构真实的应力变化情况，为集团重大工程的建设安全保驾护航。

3 结语

采用ZigBee与LoRa相结合的方法，并根据现场情况进行模块布设，保证了监测数据的完整性和有效性，解决了建筑施工现场监测过程中无线数据传输由于遮挡、干扰等因素导致数据信号衰减严重的问题。基于自组网、低功耗技术对现有应力监测采集模块设备进行了二次研发，通过修改通信网络及无线传感技术协议，运用跳传模块结合信号路径优化机制提升了数据传输的可靠性及稳定性。该设备在实际工程重要结构监测中得到了大量的测试与应用，应用效果很好，且数据稳定、真实、可靠，设备使用寿命亦大幅度提高，彰显了低功耗技术的优势，为无线自动化实时监测提供了较好的供电优势。自组网技术和低功耗技术在目前通信技术领域广受欢迎，且在无线监测领域也得到了一定的推广应用。