楼体倾斜监测系统的设计及其在安全播出中的应用

2023-08-23苏新凌汤诗阳

西部广播电视 2023年11期

刘军苏新凌汤诗阳

（作者单位：广西广播电视台）

楼体倾斜监测一般都是在建筑行业内使用，为什么和安全播出有关系呢？这是因为广播电视台的重要播出机房，比如配电机房、总控机房、直播室等在特殊的周边建筑环境中也需要密切监测建筑安全。目前对建筑倾斜、开裂等问题的安全检测是建筑技术人员定期上门或是发生目测倾斜后进行现场检测，及时性不足。随着传感器技术的发展，现在已经有了较为精确的倾斜传感器。为了及时发现隐患、保障房屋安全，台站工作人员应用倾斜传感器，结合单片机技术、网络技术等，根据实际情况开发楼体倾斜实时监测系统，把定期上门检测变成实时监测，提高发现隐患的准确性和及时性。

1 楼体倾斜监测系统开发背景

广西广播电视台于2016年底开始在台原址上建设技术业务综合大楼。总控机房和直播室全部临时搬迁到另一幢三层小楼内，这幢小楼成了临时直播楼。原址保留了配电楼，其中包括高低压配电房、发电机房与不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）机房。这些都是安全播出技术保障方面的重点场所。而因为建筑的现实情况，临时直播楼与外单位一幢新大楼工地毗邻，工地的地基基坑紧邻临时直播楼，距离两者之间的围墙每侧均不足3 m。而配电楼距离新大楼地基基坑更近，每当打桩钻地的时候，配电楼的工作人员能够明显感觉到震动。

因此，监测施工对这些重要建筑体的影响是一项至关重要的工作，楼体的安全成了安全播出的前提，特别是在重特大安全播出保障期，任何一点或一个环节都显得十分重要。建筑检测单位虽然能够提供专业的现场检测，但是受制于时间，只能定期或是出现明显可见的问题时进行检测。市场上又没有这类成套实时监测装置。基于对安全播出的保障要求，我们依据建设行业标准《危险房屋鉴定标准》（JGJ125-2016）及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）自行设计研发楼体倾斜实时监测系统，用于对楼体实现自我监测、实时、多点监测。

2 系统结构设计和功能

系统设计思路是通过对临时直播楼、配电楼面向近距离工地基坑面的楼体里面倾斜度进行监测。监测的传感器是高精度的倾斜感应器。感应器校准初始值后，如果比较初始值发生变化，变量就会换算成角度值进行显示或是对比报警[1]。系统结构（见图1）由多个感应终端、监测控制报警器、桌面监控页面组成，依靠电平传输和网络数据传输进行联系。

图1 系统结构图

运行时，感应终端每8秒进行一次自检并发送监测值，监测控制报警器收到监测电平值后，经过模拟数字转换器（analog to digital converter, A/D）转换、计算、比较，然后对角度进行显示或报警，同时把数据以IP协议发给服务器，服务器进行存储、统计，局域网内的监控计算机能够通过Web页面看到监控情况。系统功能实现了实时、多点监测，通过两种方式显示和报警，方便直观，较好地实现了设计目标。

3 关键技术

3.1 SCA60C-N1000060倾斜感应器

本系统的最前端设备为V T I 公司S C A 6 0 CN1000060倾斜感应器。该感应器由一单轴角度传感器和外部电路组成，感应精度达到0.1°，原理是三层硅片构成立体结构，当倾斜发生时中间的质量片产生位移从而使两侧电容发生变化，由于感应器输出的是模拟电压0.5~4.5 V，需要在获取后用AD采样芯片进行处理。

3.2 倾斜监测控制报警器

结合前端倾斜感应器的使用，工作人员设计开发了倾斜监测报警器（见图2）作为各个终端监测数据回传处理单元。倾斜监测报警器作为实时数据显示终端，集合了数据实时更新、倾斜监控状态报警、前端设备汇聚等强大功能。

图2 倾斜监测报警器

3.2.1 倾斜监测感应器输出值的计算

根据对传感器的实际测试，倾斜角度为0°时监测传感器输出的电压值为0.5 V，倾斜180°时其电压值是4.5 V。由此可以看出，倾斜角度不同，传感器输出电压值不同。根据电压值线性变化可得出电压值对应倾斜角计算公式，每倾斜0.1°输出电压的变化值是（4.5-0.5）/180×0.1=0.002 2 V[2]。

因此倾斜角度对应电压公式为：

式（1）中，X为倾斜角度，Y为输出电压。

3.2.2 硬件电路搭建和数据转换处理

根据该角度传感器的特点，设计思路是用模数转换电路把角度传感器输出的表示倾斜角度的电压值转换成二进制数，用单片机读取该数值，再与基准值比较（基准值是指安装好后角度传感器输出的电压值转换成的二进制数值），计算出倾斜的角度[3]。把该角度值通过网卡发到服务器，就可在电脑上查看。当倾斜角度达到预警值时使用LED、蜂鸣器报警。为此选择以下几种器件来设计电路：

第一，由于监测点较多，因此选用了有多路输入的模数转换芯片TLC2543。该芯片有20个引脚，是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。TLC2543芯片有11个模拟输入通道，它是12位分辨率的A/D转换器，正常10 μs完成1路模拟输入通道的转换，有可编程输出数据长度，选择12位的数据长度，当其14脚的A/D转换基准电压取1.8 V时，精度可达0.02°来满足检测要求，最大检测倾斜角度为（1.8-0.5）/0.022=59°。另外角度传感器的数据传输方式是串行外设接口（Serial Peripheral interface,SPI）方式，易与单片机相连且读取数据时控制指令较少，效率高。

第二，选用STC15F2K32S2做主控中央处理器（Central Processing Unit, CPU），它具有速度快、外围电路简单、不需要晶振和复位电路等优点。

3.2.3 房屋倾斜标准

根据现行建筑业《危险房屋鉴定标准》（JGJ125-2016）及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）标准中有关房屋倾斜率大于1%为危房的规定，根据楼高计算得出倾斜度接近1°。因此，在控制器内部设置报警阈值为1°[4]，并设置了避免信号干扰或其他因素引起的偶尔越值，规定连续3次超过阈值就报警，这样在稳定性和灵敏性中选择最佳平衡点。报警时不但红灯闪烁，蜂鸣器也会发出报警音。

3.2.4 系统检测流程

系统通过倾斜感应终端进行定时检测，将电平值通过线路回传到控制报警器，控制器对电平值进行采样转换、计算、比较等，并完成换算、显示及报警，同时把数字信号通过网卡以传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP）协议数据包发送给服务器，进入下一步存储、统计及计算机显示。

3.3 网络传输与页面设计开发

倾斜监测信息展示平台是结合倾斜监测硬件监测终端设备开发的网络化信息展示综合化管理平台。平台采用浏览器和服务器架构模式（Browser/Server Architecture, B/S）架构设计，在这种结构下，用户工作界面通过Web浏览器来实现。监测展示页面设计了直观的立体建筑模型，监测建筑标出了监控点。页面具有实时数据展示，并有数据曲线查询。平台具有与控制器同步报警功能，报警提示时，页面上监控点字体红色闪烁同时驱动电脑音箱发出报警音。

3.3.1 倾斜监测信息展示平台的建立

利用B/S架构系统的优势，只要是广西广播电视台接入台内网的任意一台计算机终端，不需要特别的配置，只需要打开浏览器输入正确网址，即可登录平台对墙体数据进行实时管理和监控。

平台架构分为三层：表现层、应用服务层、数据服务层。第一，表现层。主要功能是通过计算机端的浏览器直观地把数据、服务应用展示给用户。该层为最为接近用户的一层，在设计思想上遵循对用户友好、直观、易读原则。第二，应用服务层。应用服务层包含为表现层提供Web应用服务和数据库服务两种功能。Web应用服务是在服务器中构建互联网信息服务（Internet Information Services, IIS）网络环境，搭建网络平台为所有访问网站的计算机客户机提供网页服务。数据库服务在服务器中搭建数据库和建立数据表，为系统平台和Web服务提供数据存储和处理服务。第三，数据层。数据层是服务器和硬件之间通过以太网交互信息，数据进行协议转换成监控平台采用的数据格式。

3.3.2 平台整体框架搭建

信息系统开发采用Microsoft.NET平台进行Web项目的开发。项目前台页面采用“HTML+CSS”（超文本标记语言+级联样式表）设计模式，为了实现页面动态效果，引入了JavaScript网页脚本直接在页面中对数据和动态效果进行交互和处理。采用FineUI架构开发，FineUI有快速开发能力且具有丰富的用户界面（User Interface, UI）效果和深度的封装控件库。

3.3.3 基于Websocket协议的实时数据显示

在网页数据显示中，由于显示倾斜监控数据都是由硬件传感器实时推送出来，所以在服务器中部署中间件用于数据的转发和存储。倾斜监测传感器向外传输的数据先由中间件接收，再向页面转发。

B/S架构的客户端服务均由服务器提供。为了实现数据动态实时变化显示，引入了基于HTML5规范的WebSocket协议，它具有全双工通信模式，在页面不向服务器主动获取数据的情况下，截获服务器发来的数据结合JavaScript语句控制页面数据动态显示。Web-Socket的本质是先通过超文本传输协议/超文本传输安全协议（Hyper Text Transfer Protocol/Hypertext Transfer Protocol Secure, HTTP/HTTPS）进行握手后创建一个用于交换数据的传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）连接，此后服务端与客户端通过此TCP连接进行实时通信。在Web端实时显示倾斜检测器的数据信息，不需要安装程序，只需要打开网页即可实时监控，性能好且不易丢失数据。

3.3.4 基于Web页面的图表应用

页面除了可以实时显示墙体状态数据、监控当前墙体角度数据外，还具有查看过去数据的功能，有助于人们了解墙体倾斜角度变化趋势[5]。倾斜监测系统每8秒发送一次监控数据到页面，一天24小时总共发送数据1万多条。如果用传统的表格展示方式会使得用户读取困难，使数据根本无法利用，于是引入了图表控件。当墙体是正常状态时，控制报警器发送来的数据为0°，曲线图中的线条为一条平直的线。当墙体因意外情况发生偏移，曲线图的线条就会表示出明显的波动。这种显示方式非常直观，方便用户及时了解墙体状态。

3.3.5 系统中间件

首先是服务端与下位机通信，服务端的应用程序通过调用系统提供的Socket库函数，实现网络里服务器与计算机以及服务器与下位机的通信，所有的倾斜感应器安装在局域网内，使用Socket的时候选择使用TCP或用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）。基于Socket通信原理，服务器端应用程序具体的实现方式如下：

服务端与单片机通信通过Socket传递，单片机先采集倾斜感应器的数据，通过稳定可靠的嵌入式联网模块串口设备，把双极型晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）串口数据转化TCP/IP网络数据和TCP/IP网络数据转化TTL串口数据进行双向传输，使单片机立即具备连入TCP/IP网络的功能，将数据传输到服务端处理，并在数据库中存储，方便Web端数据的展示和追溯。服务端和单片机通过交换机连接到内部网络中，拥有独立的IP地址和端口号，为了减少服务端与单片机之间的应答时间，数据通信使用UDP协议，多个单片机与服务器通信采用了多线程工作方式。

其次是服务端与计算机端通信，服务端接受单片机上传的各个倾斜感应器的数据，进行处理后发送到计算机端显示和监控，这个过程实时性比较强。为了保证数据在网络繁忙的时候也不会丢包，使用Socket进行数据交互选择TCP协议。

4 应用效果

系统投入使用后，经工作人员长期观察，效果已达到预期，传感器的精度高，零点温度漂移和灵敏度误差小。监测系统稳定运行，监测控制报警器放置在全天24小时值班室内，能够掌握监测情况，同时基于Web的计算机端也能够实时显示监测情况，界面简洁直观。数据库记录有最近30天的数据量，可以在电脑监控界面上显示趋势曲线，对楼体趋势具有很好的跟踪监控功能，成为安全保障的一项重要技术支撑。