一、项目概述

1.1 导言

跟着我国社会经济的开展，巨大修建物日益增多，由于各种要素的影响，在这些工程修建物及其设备的运营进程中，都会发生变形。这种变形在必定极限内，应认为是正常的现象，但假如超过了规则的极限，就会影响修建物的正常运用，严峻时还会危及修建物的安全。因而，在修建物的施工和运营期间，有必要对它们进行变形观测。为了监督修建物在施工的进程和运用中的安全，需在施工进程及运用进程中对其进行变形观测；另一方面，为了进行科学研讨以及为今后的地基根底规划供给一些经历数据，也需求对修建物进行变形观测。修建物的变形监测内容一般有沉降观测、位移监测和歪斜变形监测等等，而修建物的歪斜、裂缝等状况往往是由修建物不均匀沉降引起的，这就要求对修建物尤其是对高层修建物进行沉降观测。经过变形监测，对所得到的变形观测数据进行剖析，然后对修建物的运营状况进行判别，当发现不正常状况时，需及时对其进行剖析，找出原因并采纳办法，以确保修建施工及运用的安全。

2009年8月7日温家宝总理在无锡微纳传感网工程技能研制中心观察并宣布重要讲话，“在传感网开展中，要早一点策划未来，早一点攻破中心技能”；“在国家严重科技专项中，加速推进传感网开展”；“赶快树立我国的传感信息中心，或许叫‘感知我国’中心”。 在这个全新学科中，我国的技能研制水平已处于世界前列。

现在，我国与德国、美国、英国等国家一同，成为世界规范拟定的主导国之一。物联网用处广泛，广泛智能交通、环境维护、政府作业、公共安全、安全家居、智能消防、工业监测、白叟护理、个人健康等多个范畴。专家估计，这一范畴将会开展成为一个上万亿元规划的高科技商场。因而结合无线传感网络技能，开发依据物联网的智能楼宇变形沉降监测体系，极具立异性和实践推广运用价值，可以极大推进物联网技能的开展，一起也为我国修建质量的大幅提高供给了技能确保。

体系以模块化渠道规划思想为辅导，一直以低功耗为政策，运用太阳能电池板供电，充沛体现了环保认识，别的依据分布式的物联网技能的丈量网络也是本体系的一个立异之处，信任本体系开发完结之后，会具有非常好的实践运用远景，并可以进一步完善老练，抵达真实的实践运用。

1.2 项目布景

本依据物联网的智能楼宇变形沉降监测体系，首要触及物联网技能、无线传感器网络、楼宇变形沉降监测办法和中心无线数传芯片CC2530的运用等布景常识，以下为详细介绍。

1.2.1 物联网技能布景

物联网是在核算机互联网的根底上，运用RFID、无线数据通讯等技能，结构一个掩盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(产品)可以互相进行“沟通”，而无需人的干与。其实质是运用射频主动辨认等各种传感技能，经过核算机互联网完结物品的主动辨认和信息的互联与同享。

现在业界对物联网还没有一个彻底一致的概念，但遍及认可的概念是经过射频辨认（RFID）、红外感应器、全球定位体系（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图画感知器等信息传感设备，按约好的协议，把任何物品与互联网衔接起来，进行信息交流和通讯，以完结智能化辨认、定位、盯梢、监控和办理的一种网络。

物联网可分为三层：感知层、网络层和运用层。感知层是物联网的皮肤和五官，辨认物体、收集信息。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，首要是辨认物体，收集信息与操控。

网络层是物联网的神经中枢，就像大脑的信息传递和处理。网络层包括通讯与互联网的交融网络、网络办理中心、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。

运用层是物联网的“社会分工”，与职业需求结合，完结广泛智能化。运用层是物联网与职业专业技能的深度交融，与职业需求结合，完结职业智能化。

我国物联网工业的开展，应该坚持“典型运用是导向、才智处理是关键”的政策，物联网自身当时不或许呈现为一个全体办法而是以部分和职业的运用为当时的首要开展特征，物联网的未来是对获取的海量并冗余信息的智能处理，才智运用是要害。捉住以上两个关键，才能从当时阶段和未来阶段掌握我国物联网的开展机会。

1.2.2 无线传感器网络概述

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当时在世界上备受重视的、触及多学科高度穿插、常识高度集成的前沿热门研讨范畴。它归纳了传感器、嵌入式核算、现代网络及无线通讯和分布式信息处理等技能，可以经过各类集成化的微型传感器协同完结对各种环境或监测方针的信息的实时监测、感知和收集，这些信息经过无线办法被发送，并以自组多跳的网络办法传送到用户终端，然后完结物理世界、核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作业组。这个作业组致力于界说一种供廉价的固定、便携或移动设备运用的极低杂乱度、本钱和功耗的低速率无线衔接技能。ZigBee正是这种技能的商业化命名，这个姓名来源于蜂群运用的赖以生存和开展的通讯办法，蜜蜂经过ZigBee形状的舞蹈来共享新发现的食物源的方位、间隔和方向等信息。在规范化方面，IEEE 802.15.4作业组首要担任拟定物理层和 MAC层的协议，其他协议首要参照和选用现有的规范。高层运用、测验和商场推广等方面的作业由ZigBee联盟担任。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，现在现已招引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的参加。ZigBee联盟官方网址为www.ZigBee.org，现在联盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新规范（ZigBee 2007/Pro）。

依据ZigBee技能的无线传感器网络运用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4 安排的推进下，结合其他无线技能可以完结无所不在的网络。它不只在工业、农业、军事、环境、医疗等传统范畴具有极高的运用价值，而且在未来其运用更将扩展到触及人类日常日子和社会生产活动的一切范畴。

无线传感器网络是由许多体积小、本钱低，具有无线通讯、传感、数据处理才能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、电源单元等功用模块组成。除此之外，依据详细运用的需求，或许还会有定位体系、电源再生单元和移动单元等。在无线传感器网络中，许多传感器节点被安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经过开端的数据处理和信息交融后传送给用户，数据传送的进程是经过相邻节点接力传送的办法传送回基站，然后再经过基站以卫星通讯或许有线网络衔接的办法传送给最终用户。因而，与其他传统的网络比较，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，信号的收发时刻短。在非作业状况下，节点处于睡觉形式。而由睡觉形式发动至作业形式，设备查找时刻仅需45ms。经过上述机制，一般电池就可支撑Zigbee节点作业长达6个月到2年左右。

2.自安排网络 在传感器网络运用中，通常状况下传感器节点被放置在没有根底结构的当地。传感器的方位不能预先准确设定，节点间的彼此街坊联系预先也不知道。例如，经过飞机播撒许多传感器节点到面积宽广的原始森林中，或随意放置到人不行抵达或许风险的区域。因而就要求传感器节点具有自安排才能，可以主动进行装备和办理，经过拓扑操控机制和网络协议主动构成转发监测数据的多跳无线网络体系。 在传感器运用进程中，部分传感器节点由于能量耗尽或许环境要素构成失效，也有一些节点为了补偿失效节点、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许削减，然后使网络的拓扑结构随之动态地改变。传感器网络的自安排性要可以习惯这种网络拓扑结构的动态改变。

3.高可扩充性 在没有和谐器的状况下，一个无线传感器网络最多可包容255个网络节点。若是有和谐器的参加，无线传感器网络最多可扩充到65535个Zigbee节点，再加上各个网络和谐器彼此衔接，则可使整个无线传感器网络节点数目变得非常可观。此外，Zigbee协议供给了数据完整性过错检查，并选用了通用的AES-128加密算法，然后又具有了高保密性。

1.2.3 楼宇变形沉降监测办法概述

修建物笔直位移观测是测定地基和修建物自身在笔直方向上的位移。它应该在基坑开挖之前开端进行，而贯穿于整个施工进程中，并持续到建成后若干年，直至沉陷现象根本中止。笔直位移的观测办法首要是选用精细水准仪进行丈量。

水平位移观测的使命是测定修建物在平面方位上随时刻改变的移动量。当要测定某大型修建物的水平位移时，可以依据修建物的形状和巨细，布设各种办法的操控网进行水平位移观测，当要测定修建物在某一特定方向上的位移量时，这时可以在笔直于待测定的方向上树立一条基准线，守时地丈量观测标志违背基线的间隔，就可以了解修建物的水平位移状况。水平位移观测一般有以下几种办法：基准线法、视点前方交会法、视点后方交会法。

跟着科学技能的前进和开展，监测仪器、监测办法和监测技能一日千里，给楼宇沉降变形监测带来了簇新的研讨课题。就现在的监测办法，可分为下列几类：

1.传统丈量办法

在地上沉降变形监测中，运用最为遍及的是传统丈量办法。该办法是在需求进行监测的区域，依照必定的准则，布设必定数量的监测点，守时或不守时地进行点位三维坐标丈量。其间，地上点的平面方位观测，选用测角、量距的办法进行;高程观测，选用水准丈量的办法进行。这种观测，一般操作简略，精度高，但本钱高，费时吃力。

2.全站仪丈量

地上沉降变形监测，首要丈量监测点的点位改变状况，而全站仪是集水平角、笔直角、间隔、高差丈量功用于一体的测绘仪器体系，具有简略的数据处理、数据存储和数据通讯等功用，因而，地上沉降观测多选用全站仪进行。但这种观测办法，由于多种要素的归纳影响，其监测精度需求剖析研讨。

3.GPS丈量

选用GPS和GIS技能进行地上沉降变形监测，不只可以监测地上沉降的现状，还可以在图上完结效果可视化，是沉降监测的重要开展方向之一。GPS丈量首要以相对定位为主，它可以供给高精度的三维点位坐标，使丈量精度操控在较高的规模内，是沉降变形监测的抱负办法。其缺陷在于监测本钱较高。

4.数字拍摄丈量

数字拍摄丈量的开展起源于拍摄丈量主动化的实践，即运用摄像技能，完结真实的主动化测图。与模仿、解析拍摄丈量的最大差异在于，数字拍摄丈量处理的原始信息，不只可以是像片，更首要的是数字印象或数字化印象，它最终是以核算机视觉代替人眼的立体观测。其实质是经过获取的数字印象，运用核算机软件，生成数字地上模型(DTM)与正射印象图。它可与其他丈量办法结合，完结地上沉降变形的监测。

5.星载合成孔径雷达干与监测技能

空间对地观测技能的开展为地上沉降变形监测供给了全新的办法。运用空间遥感技能测绘地上沉降，是当时监测技能开展的新方向。这种技能具有接连空间掩盖、高度主动化和高精度监测地上沉降变形的才能。它是运用不一起间测得的卫星合成孔径雷达地上图画相堆叠而构成的微分干与图画，图画中一个相干色彩条纹循环代表必定数量的地上变形变量，并经过比照地上变形实测值来承认，再运用核算机处理构成地上变形等值线图。与其它监测办法不同的是，它不再是对有限数意图离散点进行监测。在理论条件下，其监测的地上变形精度为5～1Omm。

与其他几种办法比较较，GPS定位技能具有观测不受气候条件约束、测站间无需坚持通视、可一起测定点的三维位移及主动化程度高级长处外，运用GPS和核算机技能、数据通讯技能及数据处理与剖析技能进行集成，可完结从数据收集、传输、办理到变形剖析及预告的主动化，抵达长途在线网络实时监控的意图。因而它为小规模、短间隔、高精度的工程修建物的变形监测供给了一种新的有用手法，现在正在被广泛推广运用。

1.2.4 CC2530无线芯片概述

CC2530是一个兼容IEEE 802.15.4的真实的片上体系，支撑专有的802.15.4商场以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE规范。CC2530供给了101dB的链路质量，优异的接纳器灵敏度和强健的抗干扰性，四种供电形式，多种闪存尺度，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多可扩展功用口。除了经过优异的RF功用、挑选性和业界规范增强8051MCU内核，支撑一般的低功耗无线通讯，CC2530还可以装备TI的一个规范兼容或专有的网络协议栈（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）来简化开发，使你更快的取得商场。CC2530可以用于的运用包括长途操控、消费型电子、家庭操控、计量和智能动力、楼宇主动化、医疗以及更多范畴。依据芯片内置内存的不同容量，CC2530具有三种不同的版别：CC2530-F32/F64/F128/F256，编号后缀别离代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的闪存。

比起第一代CC2430，CC2530供给了改善的RF功用，多达256KB的闪存以支撑更大的运用，强壮的地址辨认和数据包处理引擎，可以很好的匹配RF前端，封装更小，IR一代电路，以及支撑ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。CC2530 芯片具有如下首要功用：

★高功用和低功耗的8051微操控器核；

★32-、64-或128-KB的体系内可编程闪存；

★8-KB RAM，具有在各种供电办法下的数据坚持才能；

★集成契合IEEE 802.15.4规范的2.4GHz的RF无线电收发机；

★极高的接纳灵敏度和抗干扰功用；

★可编程的输出功率高达4.5dBm；

★只需一个晶振，即可满意网状网络体系的需求；

★在供电形式1时仅24mA的流耗4μs就能唤醒体系；在睡觉守时器运转时仅1μA的流耗；在供电形式3时仅0.4μA的流耗，外部中止能唤醒体系；

★硬件支撑CSMA/CA功用；

★较宽的电压规模（2.0～3.6V）；

★支撑准确的数字化RSSI/LQI和强壮的5通道DMA；

★具有捕获功用的32KHz睡觉守时器；

★具有电视监督器和温度传感器；

★具有8路可装备分辨率的12位ADC；

★集成了AES安全协处理器；

★带有2个支撑多种串行通讯协议的强壮USART，以及1个契合IEEE802.15.4规范的MAC

★守时器，1个16位守时器和1个8位守时器；

★强壮和灵敏的开发工具。

别的，CC2530集成了增强工业规范8051内核MCU中心。该中心运用规范8051指令集。每个指令周期中的一个时钟周期与规范8051每个指令周期中的12个时钟周期相对应，而且撤销了无用的总线状况，因而其指令履行速度比规范8051快。由于指令周期在或许的状况下包括了取指令操作所需的时刻，故绝大多数单字节指令在一个时钟周期内完结。除了速度改善之外，增强的8051内核也包括了下列增强的架构：第二数据指针和扩展了18个中止源。

该8051内核的政策代码与工业规范8051微操控器政策代码兼容。可是，由于与规范8051 运用不同的指令守时，现有的带有守时循环的代码或许需求修正。此外，由于外接设备单元比方守时器的串行端口不同于它们在其他的8051内核，包括有运用外接设备单元特别功用寄存器SFR的指令代码将不能正常运转。

Flash预取默许是不使能的，提高了CPU高达33%的功用。这是以功耗稍有增加为价值的，可是由于它更快，所以在大多数状况下提高了动力消耗。可以在FCTL寄存器中使能Flash预取。

二、需求剖析

2.1 功用要求

本体系首要包括信息收集节点、嵌入式网关、上位机操控程序等三大部分组成。

信息收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许激光测距仪等传感器材来收集楼宇的变形沉降信息，经过CC2530无线传输模块将这些信息转发到嵌入式网关，视功用需求也可以增加GPS模块，结合各种传感器完结楼宇变形沉降的精准监测。每个楼宇可设置多个基准点，每个基准点装备一个信息收集模块，多方位收集楼宇群遍地的变形沉降信息。信息收集节点可以选用电池供电，体系的低功耗特性满意作业时刻也可以长达半年，视后期完善程度可以选用太阳能电池板供电，可以充沛体现环保认识，当然前期调试为了便利选用220V电源降压供电形式。

嵌入式网关主操控板选用Cypress公司供给的PSoC 3可编程混合信号微操控器开发板CY8CKIT030（是否应为CY8CKIT003），嵌入式网关汇总各信息收集节点上报的数据信息，然后经过串口通讯上报到上位机，视功用需求也可以增加GPRS长途无线传输模块。嵌入式网关主操控板具有各种外设接口，可完结数据的即时显现和用户手动操控，并可扩展外接各种需求的功用模块。嵌入式网关模块可选用电池供电，或许太阳能电池板供电，或许220V常用电源降压供电。

上位机操控程序装备后台数据库，存储必守时刻内的各楼宇的变形沉降信息，经程序剖析处理后制作成人性化的曲线展示给用户，当然用户也可发送指令随时检查楼宇某时刻的变形沉降状况。上位机操控程序可经过核算机的串口对直连的嵌入式网关模块进行操控。

除以上首要功用外，信息收集节点和嵌入式网关模块，均选用优化的电路规划和先进的操控战略规划，均装备有电源稳压电路、电流电压维护电路、光耦阻隔、信号扩大等模块，以确保体系的全体可靠性和稳定性。考虑到环保低功耗，各模块初始装备为每隔连续时刻上报各自的数据信息，其他时刻作业在睡觉形式以下降体系功耗，需求传输数据时唤醒各自的CPU进入作业形式。各功用模块可便利组合完结低功耗、低本钱、高精度、高可靠性、自习惯、可扩展的整个依据物联网的智能楼宇变形沉降监测体系。体系全体架构如图1，体系网络拓扑结构如图2所示。

图1 体系全体架构图

图2体系网络拓扑结构图

2.2 功用要求

体系全体功用要求完结低功耗、低本钱、高精度、高可靠性、自习惯、可扩展等根本要求，便利今后进一步完善开发，并凭仗各种优胜特性以利于实践的商场推广运用。

三、方案规划

3.1 体系功用完结原理

嵌入式网关操控模块硬件结构如图3，信息收集节点模块硬件结构如图4所示。

图3 嵌入式网关操控节点硬件结构图