基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统设计方案
一、项目概述
1.1 引言
随着我国社会经济的发展，高大建筑物日益增多，由于各种因素的影响，在这些工程建筑物及其设备的运营过程中，都会产生变形。这种变形在一定限度内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和运营期间，必须对它们进行变形观测。为了监视建筑物在施工的过程和使用中的安全，需在施工过程及使用过程中对其进行变形观测；另一方面，为了进行科学研究以及为以后的地基基础设计提供一些经验数据，也需要对建筑物进行变形观测。建筑物的变形监测内容一般有沉降观测、位移监测和倾斜变形监测等等，而建筑物的倾斜、裂缝等情况往往是由建筑物不均匀沉降引起的，这就要求对建筑物尤其是对高层建筑物进行沉降观测。通过变形监测，对所得到的变形观测数据进行分析，从而对建筑物的运营状态进行判断，当发现不正常状况时，需及时对其进行分析，找出原因并采取措施，以保证建筑施工及使用的安全。
2009年8月7日温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表重要讲话，“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”；“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”；“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。 在这个全新学科中，我国的技术研发水平已处于世界前列。
目前，中国与德国、美国、英国等国家一起，成为国际标准制定的主导国之一。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。专家预计，这一领域将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。因此结合无线传感网络技术，开发基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统，极具创新性和实际推广应用价值，能够极大推动物联网技术的发展，同时也为我国建筑质量的大幅提升提供了技术保障。
系统以模块化平台设计思想为指导，始终以低功耗为目标，利用太阳能电池板供电，充分体现了环保意识，另外基于分布式的物联网技术的测量网络也是本系统的一个创新之处，相信本系统开发完成之后，会具有非常好的实际应用前景，并可以进一步完善成熟，达到真正的实际应用。
1.2 项目背景
本基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统，主要涉及物联网技术、无线传感器网络、楼宇变形沉降监测方法和核心无线数传芯片CC2530的应用等背景知识，以下为详细介绍。
1.2.1 物联网技术背景
物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别等各种传感技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
目前业界对物联网还没有一个完全统一的概念，但普遍认可的概念是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的皮肤和五官，识别物体、采集信息。感知层包括条码扫描、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、各种传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息与控制。
网络层是物联网的神经中枢，就像大脑的信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
应用层是物联网的“社会分工”，与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。
中国物联网产业的发展，应该坚持“典型应用是导向、智慧处理是重点”的方针，物联网本身当前不可能呈现为一个整体形式而是以局部和行业的应用为当前的主要发展特征，物联网的未来是对获取的海量并冗余信息的智能处理，智慧应用是关键。抓住以上两个要点，才能从当前阶段和未来阶段把握中国物联网的发展机会。
1.2.2 无线传感器网络概述
无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。
2000年12月，电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过ZigBee形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。在标准化方面，IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和 MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。高层应用、测试和市场推广等方面的工作由ZigBee联盟负责。ZigBee联盟成立于2002 年8月，由英国Inversys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。ZigBee联盟官方网址为www.ZigBee.org，目前联盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新规格（ZigBee 2007/Pro）。
基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4 组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
无线传感器网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外，根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。在无线传感器网络中，大量传感器节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此，与其他传统的网络相比，无线传感器网络具有如下特性：
1.低功耗Zigbee传输速率低，传输数据量少，信号的收发时间短。在非工作状态下，节点处于睡眠模式。而由睡眠模式启动至工作模式，设备搜索时间仅需45ms。通过上述机制，普通电池就可支持Zigbee节点运转长达6个月到2年左右。
2.自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器的位置不能预先精确设定，节点间的相互邻居关系预先也不知道。例如，通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或者危险的区域。因此就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或者环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监控精度而补充到网络中，所以在传感器网络中的节点个数就会动态地增加或者减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
3.高可扩充性 在没有协调器的情况下，一个无线传感器网络最多可容纳255个网络节点。若是有协调器的加入，无线传感器网络最多可扩充到65535个Zigbee节点，再加上各个网络协调器相互连接，则可使整个无线传感器网络节点数目变得十分可观。此外，Zigbee协议提供了数据完整性错误检查，并采用了通用的AES-128加密算法，从而又具备了高保密性。
1.2.3 楼宇变形沉降监测方法概述
建筑物垂直位移观测是测定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它应该在基坑开挖之前开始进行，而贯穿于整个施工过程中，并继续到建成后若干年，直至沉陷现象基本停止。垂直位移的观测方法主要是采用精密水准仪进行测量。
水平位移观测的任务是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。当要测定某大型建筑物的水平位移时，可以根据建筑物的形状和大小，布设各种形式的控制网进行水平位移观测，当要测定建筑物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在垂直于待测定的方向上建立一条基准线，定期地测量观测标志偏离基线的距离，就可以了解建筑物的水平位移情况。水平位移观测一般有以下几种方法：基准线法、角度前方交会法、角度后方交会法。
随着科学技术的进步和发展，监测仪器、监测方法和监测技术日新月异，给楼宇沉降变形监测带来了崭新的研究课题。就目前的监测方法，可分为下列几类：
1.传统测量方法
在地面沉降变形监测中，使用最为普及的是传统测量方法。该方法是在需要进行监测的区域，按照一定的原则，布设一定数量的监测点，定期或不定期地进行点位三维坐标测量。其中，地面点的平面位置观测，采用测角、量距的方法进行;高程观测，采用水准测量的方法进行。这种观测，一般操作简单，精度高，但成本高，费时费力。
2.全站仪测量
地面沉降变形监测，主要测量监测点的点位变化情况，而全站仪是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，具有简单的数据处理、数据存储和数据通讯等功能，因此，地面沉降观测多采用全站仪进行。但这种观测方法，由于多种因素的综合影响，其监测精度需要分析研究。
3.GPS测量
采用GPS和GIS技术进行地面沉降变形监测，不仅可以监测地面沉降的现状，还可以在图上实现成果可视化，是沉降监测的重要发展方向之一。GPS测量主要以相对定位为主，它可以提供高精度的三维点位坐标，使测量精度控制在较高的范围内，是沉降变形监测的理想方法。其缺点在于监测成本较高。
4.数字摄影测量
数字摄影测量的发展起源于摄影测量自动化的实践，即利用摄像技术，实现真正的自动化测图。与模拟、解析摄影测量的最大区别在于，数字摄影测量处理的原始信息，不仅可以是像片，更主要的是数字影像或数字化影像，它最终是以计算机视觉代替人眼的立体观测。其实质是通过获取的数字影像，利用计算机软件，生成数字地面模型(DTM)与正射影像图。它可与其他测量方法结合，实现地面沉降变形的监测。
5.星载合成孔径雷达干涉监测技术
空间对地观测技术的发展为地面沉降变形监测提供了全新的方法。利用空间遥感技术测绘地面沉降，是当前监测技术发展的新方向。这种技术具有连续空间覆盖、高度自动化和高精度监测地面沉降变形的能力。它是利用不同时间测得的卫星合成孔径雷达地面图像相重叠而形成的微分干涉图像，图像中一个相干颜色条纹循环代表一定数量的地面变形变量，并通过对比地面变形实测值来确认，再利用计算机处理形成地面变形等值线图。与其它监测方法不同的是，它不再是对有限数目的离散点进行监测。在理论条件下，其监测的地面变形精度为5～1Omm。
与其他几种方法相比较，GPS定位技术具有观测不受气候条件限制、测站间无需保持通视、可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点外，利用GPS和计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。因而它为小范围、短距离、高精度的工程建筑物的变形监测提供了一种新的有效手段，目前正在被广泛推广应用。
1.2.4 CC2530无线芯片概述
CC2530是一个兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准。CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多可扩展功能口。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）来简化开发，使你更快的获得市场。CC2530可以用于的应用包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。根据芯片内置内存的不同容量，CC2530拥有三种不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，编号后缀分别代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的闪存。
比起第一代CC2430，CC2530提供了改进的RF性能，多达256KB的闪存以支持更大的应用，强大的地址识别和数据包处理引擎，能够很好的匹配RF前端，封装更小，IR一代电路，以及支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。CC2530 芯片具有如下主要性能：
★高性能和低功耗的8051微控制器核；
★32-、64-或128-KB的系统内可编程闪存；
★8-KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；
★集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机；
★极高的接收灵敏度和抗干扰性能；
★可编程的输出功率高达4.5dBm；
★只需一个晶振，即可满足网状网络系统的需要；
★在供电模式1时仅24mA的流耗4μs就能唤醒系统；在睡眠定时器运行时仅1μA的流耗；在供电模式3时仅0.4μA的流耗，外部中断能唤醒系统；
★硬件支持CSMA/CA功能；
★较宽的电压范围（2.0～3.6V）；
★支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的5通道DMA；
★具有捕获功能的32KHz睡眠定时器；
★具有电视监视器和温度传感器；
★具有8路可配置分辨率的12位ADC；
★集成了AES安全协处理器；
★带有2个支持多种串行通信协议的强大USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC
★定时器，1个16位定时器和1个8位定时器；
★强大和灵活的开发工具。
另外，CC2530集成了增强工业标准8051内核MCU核心。该核心使用标准8051指令集。每个指令周期中的一个时钟周期与标准8051每个指令周期中的12个时钟周期相对应，并且取消了无用的总线状态，因此其指令执行速度比标准8051快。由于指令周期在可能的情况下包含了取指令操作所需的时间，故绝大多数单字节指令在一个时钟周期内完成。除了速度改进之外，增强的8051内核也包含了下列增强的架构：第二数据指针和扩展了18个中断源。
该8051内核的目标代码与工业标准8051微控制器目标代码兼容。但是，由于与标准8051 使用不同的指令定时，现有的带有定时循环的代码可能需要修改。此外，由于外接设备单元比如定时器的串行端口不同于它们在其他的8051内核，包含有使用外接设备单元特殊功能寄存器SFR的指令代码将不能正常运行。
Flash预取默认是不使能的，提高了CPU高达33%的性能。这是以功耗稍有增加为代价的，但是因为它更快，所以在大多数情况下提高了能源消耗。可以在FCTL寄存器中使能Flash预取。
二、需求分析
2.1 功能要求
本系统主要包括信息采集节点、嵌入式网关、上位机控制程序等三大部分组成。
信息采集节点包括位移传感器或光栅尺、加速度传感器、超声波测距传感器或者激光测距仪等传感器件来采集楼宇的变形沉降信息，通过CC2530无线传输模块将这些信息转发到嵌入式网关，视功能需要也可以添加GPS模块，结合各种传感器实现楼宇变形沉降的精准监测。每个楼宇可设置多个基准点，每个基准点配置一个信息采集模块，多方位采集楼宇群各处的变形沉降信息。信息采集节点可以采用电池供电，系统的低功耗特性满足工作时间也可以长达半年，视后期完善程度可以采用太阳能电池板供电，可以充分体现环保意识，当然前期调试为了方便采用220V电源降压供电模式。
嵌入式网关主控制板采用Cypress公司提供的PSoC 3可编程混合信号微控制器开发板CY8CKIT030（是否应为CY8CKIT003），嵌入式网关汇总各信息采集节点上报的数据信息，然后经过串口通信上报到上位机，视功能需要也可以添加GPRS远程无线传输模块。嵌入式网关主控制板具备各种外设接口，可实现数据的即时显示和用户手动控制，并可扩展外接各种需要的功能模块。嵌入式网关模块可采用电池供电，或者太阳能电池板供电，或者220V常用电源降压供电。
上位机控制程序配备后台数据库，存储一定时间内的各楼宇的变形沉降信息，经程序分析处理后绘制成人性化的曲线展现给用户，当然用户也可发送命令随时查看楼宇某时间的变形沉降情况。上位机控制程序可通过计算机的串口对直连的嵌入式网关模块进行控制。
除以上主要功能外，信息采集节点和嵌入式网关模块，均采用优化的电路设计和先进的控制策略设计，均配置有电源稳压电路、电流电压保护电路、光耦隔离、信号放大等模块，以保证系统的整体可靠性和稳定性。考虑到环保低功耗，各模块初始配置为每隔间断时间上报各自的数据信息，其他时间工作在睡眠模式以降低系统功耗，需要传输数据时唤醒各自的CPU进入工作模式。各功能模块可方便组合实现低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自适应、可扩展的整个基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统。系统整体架构如图1，系统网络拓扑结构如图2所示。
图1 系统整体架构图
图2系统网络拓扑结构图
2.2 性能要求
系统整体性能要求实现低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自适应、可扩展等基本要求，方便以后进一步完善开发，并凭借各种优越特性以利于实际的市场推广应用。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
嵌入式网关控制模块硬件结构如图3，信息采集节点模块硬件结构如图4所示。
图3 嵌入式网关控制节点硬件结构图
图4 信息采集节点模块硬件结构图
3.2 硬件平台资源
硬件平台选用组委会提供的PSoC3开发工具CY8CKIT030，CY8CKIT030开发板是一个基于PSoC3 CY8C38系列可编程混合信号微控制器的评估套件和开发系统。PSoC3是Cypress在第一代可配置片上系统PSoC1基础之上推出的新一代可配置芯片族，现包含CY8C32，CY8C34，CY8C36和CY8C38四个系列产品。与PSoC1相比，PSoC3处理核心基于增强型8051，指令集与标准8051完全兼容，支持乘法和除法指令，最高可运行在67MHz时钟；PSoC3 内部Flash容量最高可达64KB，并且具有多个层次的保护权限设置，能够充分保护Flash内的程序内容不被外部程序或设备读取；PSoC3包含最多8KB的SRAM，以及最多2KB的EEPROM。此外，PSoc3还提供了具有24个通道，可传输32位数据高性能的DMA模块，可以由CPU动态使能工作或是通过内部连线由模块产生的中断触发。
除了处理核心之外，PSoC3还包含三个重要组成部分：数字系统（Digital System），模拟系统（Analog System ）以及系统资源（System Wide Resources），这三个部分通过系统总线（System Bus）与处理核心通信，通过数字内部互联（Digital Interconnect）和模拟内部互联（Analog Interconnect）与芯片管脚连接。
数字系统主要包含两个部分：一些专用的功能模块和一组通用数字模块（Universal Digital Block，简称UDB）。一些常用功能，如8位，16位或是32位的定时器（Timer），计数器（Counter）和脉宽调制（PWM），SPI，I2C 和UART接口，以及CAN总线和Full-Speed USB接口等都可以由专用模块或是UDB实现。有时设计者希望实现一些与应用相关的数字功能，例如马达控制，数字多路器或是与非门逻辑等，此时可以使用UDB实现所需功能。
UDB基于可编程逻辑器件（PLD）技术，每一个UDB都包含：一个8位的数据通路（Datapath）；两个PLD 逻辑器件（PLD 12C4），12位输入，其中8位作为与操作的乘积项；一个状态与控制模块（Status and Control）；一个时钟与复位模块（Clock and Reset）。
数据通路包含一个8位的算术逻辑单元（ALU），两个累加器，两个数据寄存器，两个含有4个单元的FIFO以及一个移位器（Shift）。其中，ALU可以配置成加法器，减法器，自增1，自减1，逻辑与，逻辑或，逻辑异或和无操作共八种功能；而移位器可以实现左移，右移，高四位与第四位景象调换和无操作四种功能。某种程度上，一个数据通路就像一个“迷你型”处理器，可以处理8位基本运算逻辑功能，如果把多个数据通路以菊花链的拓扑连接起来就能实现复杂功能。
PSoC3也具备高性能的模拟系统，以资源较少的CY8C32系列为例，其模拟功能模块包括：一个1.024伏内部电压参考，14ppm/℃，误差0.9%上下；一个可配置的12位Delta-Sigma ADC，采样率最高可达192 ksps，70 dB信噪比，1位INL/DNL；一个8位8Msps的IDAC或是1Msps的VDAC； 两个75ns 响应时间的比较器；一个触摸按键扫描模块。
对于资源最多的CY8C38系列，其模拟功能模块更多，甚至包括一个67MHz，24位定点数字滤波器模块以实现IIR、FIR 滤波功能。PSoC3的系统资源提供了多种可选频率的时钟系统以供数字系统和模拟系统使用，除此之外，还包含了内部晶振，内部复位电路，WatchDog模块，低电压检测模块，休眠模块等必要系统功能。
3.3 软件开发环境及系统架构
针对PSoC3包含的众多数字模块和模拟模块，Cypress提供了集成开发环境PSoC Creator。PSoC Creator将硬件资源抽象成了众多的功能模块（Component），每个模块实现一种基本功能，例如PWM模块，I2C模块，基本与门，中断响应模块，输入输出管脚等等。设计者像绘制原理图一样，选择适当模块，将其输入输出与其他模块连接，然后通过每个模块提供的图形化配置向导设置模块参数，之后编写适当的软件代码，即可实现所需功能。这种模块化的设计方法令设计者能够将更多精力集中在实现应用的功能上，而无需关注许多底层硬件配置细节，这是其他国际大公司同类开发软件所无法比拟的优势之处。
系统上位机软件拟基于VC++6.0开发设计，数据库可选简单的ACCESS数据库或成熟的SQL SERVER数据库开发设计。上位机控制程序配备后台数据库，可存储一定时间内的各楼宇的历史变形沉降信息，经程序分析处理后绘制成人性化的曲线展现给用户，当然用户也可发送命令随时查看楼宇某时间的变形沉降情况。上位机控制程序通过计算机的串口对直连的嵌入式网关模块进行控制。
3.4软件程序流程图
上位机控制程序软件流程图如图5所示，嵌入式网关节点程序流程图如图6所示，信息采集节点程序流程图如图7所示。
图5上位机控制程序软件流程图
图6嵌入式网关节点程序流程图
图7信息采集节点程序流程图
3.5 系统预计实现结果
目前实际应用的楼宇变形沉降监测系统绝大部分都是基于GPS的简单系统，功能不够完善，具有很多缺点，所以利用Cypress公司的PSoC3 CY8C38系列可编程混合信号微控制器超强的处理性能和低功耗能力，以及丰富的外设端口，开发基于CY8C38系列微处理器控制的基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统极具有独创性，具有良好的实际应用价值和市场推广价值。
本系统可适用于各种楼宇变形沉降监测场合，初步实现以上功能后可方便的进一步完善设计实现适用于各种地面或岩层的变形沉降监测场合，如开发成功正式投产以后，可极大促进建筑物变形沉降监测领域的发展和Cypress公司的PSoC3 CY8C38系列可编程混合信号微控制器产业的壮大成熟。
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