矿区玻璃幕墙安全监测与预警系统设计

田 颖，马梦娜

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

玻璃幕墙对主体结构有一定的位移能力，是一种特殊的支撑结构体系，不仅能够提高装饰效果，还不会使结构增加过多的重量。基于玻璃幕墙的这个优点，近几十年得到了飞速的发展，在飞速发展的同时，玻璃幕墙的使用也出现了一些问题。因为在幕墙使用过程中，缺乏阶段性的检测和维护意识，很多幕墙都出现了安全问题，如玻璃自爆、面板陀螺盘以及结构胶老化等问题。如果玻璃幕墙发生安全事故，不仅会对人身造成威胁，还会造成巨大的财产损失，产生负面的社会影响，可见对玻璃幕墙安全监测非常重要。

当前计算机发展迅速，幕墙监测系统逐渐被人开发出来，也有较多学者进行了相关问题的研究，但是由于起步较晚，技术还不够成熟，监测的准确性较差。同时，监测手段较为单一，不能够及时对矿区玻璃幕墙安全问题预测。基于当前存在的问题，将现代化技术应用到幕墙监测中，设计一个矿区玻璃幕墙安全监测与预警系统，期望提高安全监测的准确性以及预警效果，减少并预防安全事故的发生。

1 系统的总体结构

矿区玻璃幕墙安全监测与预警系统总体结构如图1所示。

图1 矿区玻璃幕墙安全监测与预警系统结构Fig.1 Structure of safety monitoring and early warning system for glass curtain wall in mining area

系统硬件部分重点为控制器和各个传感器，在应用时，将加速传感器安装在玻璃幕墙上，采集其加速度数据，获得幕墙的模拟量数据。

2 系统硬件设计

2.1 控制器设计

设定DSP控制器，将其作为系统的控制核心，其性能好坏直接对整个系统运作产生影响。基于成本及应用效果考虑，决定使用TMS320F2812芯片，该芯片的主要指标见表1。利用该控制器对传感器数据采集、对系统状态检测，并负责监控位置的监控与反馈。

2.2 加速度测试模块

在加速度测试模块中主要采用运动传感器，将ICM系列传感器应用到系统设计中，型号为ICM-42605。该传感器内部集成速度传感器[1]，包含模数转换芯片，转换芯片的精度较高，为16位模数。同时，其具有较高的灵敏度，功耗也较低，封装尺寸也较小，能够满足系统低功耗需求，方便于系统集成[2]。除此之外，包括片上16位adc，可编程数字滤波器，其主要指标见表2。

表1 TMS320F2812芯片指标Tab.1 TMS320F2812 chip indicators

表2 ICM-42605加速器详细参数Tab.2 Detailed parameters of ICM-42605 accelerator

该加速器支持多种应用程序，如智能手机、计算机、控制器以及物联网等，适用于此次设计的系统。

2.3 温度传感器

在对矿区玻璃幕墙安全监测中，周围环境变化会对系统监测效果产生影响，为此采用温度测试模块。温度传感器采用引线式温度传感器[3]，该传感器采用的是一体化结构，能够防水防腐，适用于矿区监测中[4]。并且其安装方便，在远距离信号传输上具有较好的适用性，能够与计算机和显示仪表连接。

2.4 数据传输模块

此次研究的系统主要采用无线传输方式，采用SX1278型号的无线模块，该模块性能优越，适用于远距离信息传输。其内部能够自动扩频计算和硬件校检处理。该模块中包含射频芯片[5]，具有较好的稳定性与抗干扰能力，在使用时将温度传感器以及其他传感器数据通过自组网传输到汇聚节点中，通过该模块将这些信息上传到指挥控制中心，完成采集信息的上传。

2.5 存储模块设计

将NAND Flash存储器应用到系统设计中，该模块采用NAND结构技术，不容易丢失数据。该存储器中包含64 B备用容量，通过备用区能够对坏块信息以及错误编码更正。具有与页相同大小的页寄存器[6]，用来缓存数据，擦除操作时间为2 ms/块，数据保存时间超过10年。

3 信号分解及预警指标体系

3.1 信号分解

通过硬件获得基础信息，为准确对矿区玻璃幕墙安全监测，对监测信号分解，预先分析瞬时频率[7]，将频率调制信号[8]表示为：

(1)

式中，λ为信号调制参数；m(t)为低频信号；dt为在时间t内相位变化参数;cos()为余弦函数。

将相位角定义为：

(2)

定义调制信号的瞬时频率为：

(3)

为获得准确的相位和幅度[9]，引入解析信号[10]，将瞬时频率描述为：

Z(t)=Zr(t)+cosZi(t)=A(t)ejφ(t)

(4)

式中，Z(t)为复位信号；Zr(t)为信号实部；cosZi(t)为被分析的实信号；ejφ(t)为在时间t内信号的相位。

经过上述瞬时频率确定后，对信号分解[11-12]，将其表示为：

(5)

式中，x1(t)、x2(t)分别为对称函数。

上述过程完成非线性和非平稳信号的处理，完成信号的分解，获得矿区玻璃幕墙安全监测结果。

3.2 预警指标体

在上述信号分解的基础上，建立预警指标体系[13]，将两者结合实现矿区玻璃幕墙安全预警。构建的指标体系[12]见表3。

在计算时将面板、结构胶、结构构造、开启窗与密封材料作为一级指标[14]，将几个指标的综合安全值[15]表示为：

S=X1w1+X2w2+X3w3+X4w4+X5w5

(6)

式中，S为既有玻璃幕墙安全值；X为一级指标分值；w为一级指标的权重。

表3 矿区玻璃幕墙预警指标体系Tab.3 Early warning index system of glass curtain wall in mining area

依据上述过程，获得各个指标的预警等级进行预警，整个预警流程如图2所示。

图2 预警流程Fig.2 Early-warning process

之后针对具体部位采用相应的措施进行解决，以提高矿区玻璃幕墙的安全性。

4 实验结果与对比

为验证矿区玻璃幕墙安全监测与预警系统在实际中的应用效果，进行实验，实验主要分为2部分进行：①分析所研究系统监测的准确性，②分析所研究系统的预警效果。应用现场如图3所示。

4.1 实验步骤

在第1部分实验中，预先准备样品，过程如下。

图3 应用现场Fig.3 Application of the scene

(1)玻璃样品准备，在实验之前预先对玻璃表面清洗。

(2)将玻璃样品放置到钢底框上，采用螺栓固定，实验时调节螺栓的松紧程度，模拟玻璃幕墙结构松紧的情况。简化装置模型如图4所示。

图4 简化实验装置模型Fig.4 Simplified experimental device model

(3)将螺栓拧到紧固状态，然后逐渐松动螺栓，每松动1次，玻璃紧固力就会下降1次，从而得到玻璃振动固有频率与其边界夹紧力的关系图。

(4)在松紧实验后，分析不同脱胶比率下玻璃频率的变化情况。

将上述获得的实际频谱数据与所提出的系统获得的值对比，分析所研究的系统的有效性。在第2部分实验中，幕墙采用全隐框式玻璃幕墙形式，由于长时间使用，部分幕墙玻璃存在一些问题，风险因素见表4。

4.2 紧固状况下玻璃幕墙振动频谱分析

所研究系统紧固状况下玻璃幕墙振动频谱如图5所示。

由图5可知，在紧固状况下，玻璃幕墙振动频谱

表4 实验2玻璃幕墙主要风险因素Tab.4 Main risk factors of glass curtain wall in experiment 2

图5 紧固状况下玻璃幕墙振动频谱分析Fig.5 Vibration spectrum analysis of glass curtain wall under tight condition

与实际频谱值差距较小，说明所研究系统能够准确分析出玻璃幕墙的振动情况。

4.3 松动状况下玻璃幕墙振动频谱分析

松动状况下玻璃幕墙振动频谱如图6所示。

图6 松动状况下玻璃幕墙振动频谱分析Fig.6 Vibration spectrum analysis of glass curtain wall under loose condition

分析图6可知，在松动状况下，所研究系统也能够获得较高的分析准确性;相对于紧固状态下，松动下的频谱峰值曲线明显向左移动，说明在四边支撑松动后固有频率会下降。

4.4 不同脱胶比率下玻璃固有频率分析

所研究系统不同脱胶比率下玻璃固有频率的分析结果如图7所示。

图7 不同脱胶比率下玻璃固有频率分析Fig.7 Natural frequency analysis of glass at different degumming ratios

分析图7可知，在不同脱胶比率下，所研究系统获得的玻璃固有频率分析结果与实际频率相差较小，说明所研究的系统在不同脱胶比率下也能对玻璃固有频率进行分析。

4.5 预警时间分析

分析所研究系统的预警时间，各指标的预警时间见表5。

表5 预警时间分析Tab.5 Analysis of early warning time

分析表5可知，在几个指标的预警上，所提出的系统在较短时间内就能够完成指标的预警，具有较快的预警速度。原因是所研究系统建立了预警指标体系，在预警过程中，在信号分析的基础上能够快速找到出现问题的指标，从而提高了预警效率。

5 结语

综上，完成矿区玻璃幕墙安全监测与系统的设计，实验结果表明所研究系统能够有效提高监测的准确性和预警的效率。所研究系统的创新之处如下：在系统硬件部分设计多个传感器，在多个传感器共同作用下获得准确的玻璃幕墙振动频谱；对信号进行分析与处理，提高了监测的准确性；设置预警指标体系，并对所有指标综合评判，提高了预警的效率。但是影响玻璃幕墙安全性的因素还有很多，在以后的研究中要进一步分析，使系统应用更加全面。