李 兵 李鑫奎 沈志勇 況中華 施 臻

1.上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2.上海建工二建集團有限公司 上海 200080

隨著計算機信息技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為了工程領域技術(shù)研究的熱點之一，尤其是低功耗及自組網(wǎng)通信技術(shù)，其在建筑健康監(jiān)測或施工過程監(jiān)測中的應用日趨重要，因此對系統(tǒng)硬件研發(fā)、模塊設計及調(diào)試的高標準要求也就顯得較為突出。傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷程分為以下3個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡（由大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)絡）。無線傳感器網(wǎng)絡研究起步于20世紀90年代，并從最初利用微機電系統(tǒng)MEMS技術(shù)設計微型化的節(jié)點設備逐漸過渡到對網(wǎng)絡本身問題的關(guān)注和研究。進入21世紀后，無線自組網(wǎng)的一個重要發(fā)展方向就是無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor network）。無線傳感器網(wǎng)絡由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，其通過無線通信方式形成一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并將信息傳遞給信息獲取者。孫瑞瑞[1]基于自己的研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及嵌入式設備進行了一定的設計和研發(fā)，實現(xiàn)了對低功耗嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主板軟件驅(qū)動程序及模塊化設計。孟祥儒等[2]采用Quinn和Rife-Jane算法對振弦式應力傳感器的采集頻率進行精確檢測，提高了信噪比，具有較強的抗干擾性能。夏天祥[3]采用STM32片上資源實現(xiàn)了傳感器激勵電路等精度測頻并改進了傳感器的電路結(jié)構(gòu)，通過自編程序?qū)崿F(xiàn)了自適應掃頻激振技術(shù)。賀虎等[4]提出了反饋式激振法，通過低壓撥弦的方法對傳感器進行預激振，有效提高了傳感器監(jiān)測或測量的精度。

隨著建筑業(yè)與信息化的不斷融合，建筑工程施工過程中的監(jiān)測傳感器越來越多，數(shù)據(jù)的采集和傳輸量也越來越大，而建筑工程在傳統(tǒng)有線的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)中，存在著布線麻煩、易損壞、代價高的缺點；即便是采用傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集傳輸方式，也存在著協(xié)議復雜、技術(shù)要求高、需要專業(yè)人員參與的缺點，這在很大程度上限制了數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[5-7]。本文針對現(xiàn)有自主研發(fā)的應力監(jiān)測設備，基于自組網(wǎng)、低功耗技術(shù)，對現(xiàn)有產(chǎn)品的通信網(wǎng)絡及無線傳感的相關(guān)內(nèi)容進行硬件系統(tǒng)的深層次研發(fā)，最終研發(fā)出了具有高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的新型低功耗、智能自組網(wǎng)的應力傳感器裝置，突破了傳統(tǒng)應力傳感器受施工現(xiàn)場條件限制的技術(shù)瓶頸，延長了監(jiān)測設備在現(xiàn)場的使用壽命和監(jiān)測時間，減少了現(xiàn)場大量對傳感器的維護工作。

1 自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備研發(fā)

依托上海建工集團股份有限公司現(xiàn)有自主研發(fā)的應力監(jiān)測產(chǎn)品，采用智能自組網(wǎng)技術(shù)、低功耗技術(shù)對其硬件系統(tǒng)進行研發(fā)，提出了一種高效自組網(wǎng)算法和智能控制策略，并配合現(xiàn)有重大工程項目在實際施工過程中進行了大量調(diào)試和檢測。

為解決建筑施工現(xiàn)場監(jiān)測過程中無線數(shù)據(jù)傳輸由于遮擋、干擾等因素導致數(shù)據(jù)信號衰減嚴重的問題，本文采用ZigBee與LoRa相結(jié)合的方法，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行模塊布設，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和有效性。本文所采用的傳輸模式主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)這3種。采集節(jié)點包含數(shù)據(jù)采集模塊、MCU、ZigBee模塊、存儲器、電源。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點包含LoRa模塊、MCU、ZigBee模塊、存儲器、電源。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)又稱協(xié)議轉(zhuǎn)換器，連接2個或更多個管理上相異的網(wǎng)絡/子網(wǎng)的節(jié)點，是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設備，主機所發(fā)送的數(shù)據(jù)報（所傳送的信息被劃分為基本的數(shù)據(jù)單元再進行傳送，這些基本的數(shù)據(jù)單元稱為數(shù)據(jù)報）將被傳送至服務器。其中，LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折中考慮方式，為用戶提供一種簡單且能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。LoRa技術(shù)具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?。其在施工監(jiān)控應用場景下，存在傳輸距離過近、衰減迅速的問題。

通過研究高效自組網(wǎng)算法和智能控制策略，使監(jiān)測節(jié)點形成良好的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)功耗降低和監(jiān)測節(jié)點數(shù)量的自由增減。圍繞適用于建筑工程施工過程數(shù)字化監(jiān)測需求，開發(fā)具有自組網(wǎng)低功耗的智能監(jiān)測裝置，運用了不同物理量監(jiān)測傳感器之間的數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)，滿足不同類型傳感器的快速組網(wǎng)要求。采用系統(tǒng)低功耗技術(shù)，低功耗系統(tǒng)的設計是一種將硬件和軟件綜合為一體的技術(shù)，必須在使用低功耗芯片的同時，結(jié)合智能的控制策略和優(yōu)化組網(wǎng)算法，研究數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先和退避機制。當多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信時，存在爭搶信道的現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)丟失。而通過節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先和退避機制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流暢傳輸、避免丟失。系統(tǒng)中各節(jié)點模塊可通過自有網(wǎng)絡將各自的狀態(tài)傳輸至特定的服務器，支持實時查看，方便維護。具體匯總為：通過研發(fā)適用于施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，采用高效自組網(wǎng)絡，智能控制策略，設計良好的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；通過研發(fā)適用于多種傳感器數(shù)據(jù)的硬件模塊，根據(jù)特制的協(xié)議規(guī)則，使其對主流傳感器數(shù)據(jù)兼容并能夠穩(wěn)定傳輸；通過研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先和退避機制，避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信時的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；對網(wǎng)絡穩(wěn)定性能夠?qū)崟r監(jiān)測，使得節(jié)點工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸至特定服務器，支持實時查看。

此外，運用跳傳模塊結(jié)合信號路徑優(yōu)化機制提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性，以及采用多種技術(shù)協(xié)同工作的原理，對現(xiàn)有硬件系統(tǒng)進行優(yōu)化設計和開發(fā)，研發(fā)出了一套低功耗智能自組網(wǎng)應力傳感器設備裝置，提高了應力傳感器設備監(jiān)測頻率、使用壽命、數(shù)據(jù)精確度等，既提高了實際工程監(jiān)測的工作效率，又提升了結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測準確性。自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備研發(fā)硬件如圖1所示。

圖1 自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備研發(fā)硬件實物

2 在既有建筑改造施工中的應用

2.1 工程概況

上海市南京東路新康大樓歷史保護建筑于1916年—1921年期間建造完成，至今約有100年歷史，地處黃浦區(qū)江西中路與九江路交界處，最初由英籍建筑師事務所馬海洋行和英商新康洋行負責建筑設計和建造。新康大樓為鋼混框架多層建筑結(jié)構(gòu)，總建筑面積約10 400 m2，原建筑地上共9層結(jié)構(gòu)，無地下室。原先結(jié)構(gòu)形式以小跨度尺寸為主，已不能滿足現(xiàn)代實際辦公及商場功能需求，因此現(xiàn)建設單位對其進行拆除、加固等改造施工。在保留現(xiàn)有歷史外墻的基礎上，采用鋼架整體保護外墻（型鋼桁架呈U形，尺寸為50 m×20 m×30 m，如圖2所示），以免在實際施工中對外墻結(jié)構(gòu)造成破壞，并拆除原先內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工，需完成地下5層及新建地上10層結(jié)構(gòu)?？紤]到周邊建筑環(huán)境較為復雜，樓與樓之間間距很小，且均為歷史保護建筑，以及施工過程中須開挖24 m深基坑等因素，故在實際不同施工階段過程中對保護外墻的鋼桁架結(jié)構(gòu)進行應力實時監(jiān)測是非常重要的。本次在鋼桁架梁端及柱端設置了34支應力計，并與新研發(fā)的低功耗智能自組網(wǎng)的應力監(jiān)測設備結(jié)合（圖3），實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力實時自動化監(jiān)測，為項目安全施工保駕護航。

圖2 采用型鋼桁架保護外墻

圖3 自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備的現(xiàn)場應用

2.2 自動化應力監(jiān)測

在新康大樓外墻保護工程中應用自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備，對鋼桁架結(jié)構(gòu)重要的梁端、柱底等節(jié)點進行應力自動化監(jiān)測，經(jīng)過為期半年的實際監(jiān)測與調(diào)試完善，采集頻率、數(shù)據(jù)精準度、能耗時間等參數(shù)均達到了較好的狀態(tài)，目前監(jiān)測頻率設置為1次/min，與原先成熟的應力監(jiān)測采集儀產(chǎn)品對比，數(shù)據(jù)誤差在1%以內(nèi)，無線自動化電池使用時間延長1～2倍，大大提高了監(jiān)測效率（圖4）。

圖4 結(jié)構(gòu)應力多測點同時顯示時程線

由圖4可知，在新康大樓一柱一樁施工階段過程中，各應力測點的應力數(shù)據(jù)顯示正常，且與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、源清慧虹應力采集模塊的誤差較小，應力數(shù)據(jù)發(fā)展也較穩(wěn)定，設備使用時間長。經(jīng)過一定的濾波技術(shù)處理，由自組網(wǎng)低功耗應力監(jiān)測設備采集的數(shù)據(jù)無線上傳至云平臺后，其數(shù)據(jù)能較清楚、直觀地反映出結(jié)構(gòu)真實的應力變化情況，為集團重大工程的建設安全保駕護航。

3 結(jié)語

采用ZigBee與LoRa相結(jié)合的方法，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行模塊布設，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和有效性，解決了建筑施工現(xiàn)場監(jiān)測過程中無線數(shù)據(jù)傳輸由于遮擋、干擾等因素導致數(shù)據(jù)信號衰減嚴重的問題?；谧越M網(wǎng)、低功耗技術(shù)對現(xiàn)有應力監(jiān)測采集模塊設備進行了二次研發(fā)，通過修改通信網(wǎng)絡及無線傳感技術(shù)協(xié)議，運用跳傳模塊結(jié)合信號路徑優(yōu)化機制提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性。該設備在實際工程重要結(jié)構(gòu)監(jiān)測中得到了大量的測試與應用，應用效果很好，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定、真實、可靠，設備使用壽命亦大幅度提高，彰顯了低功耗技術(shù)的優(yōu)勢，為無線自動化實時監(jiān)測提供了較好的供電優(yōu)勢。自組網(wǎng)技術(shù)和低功耗技術(shù)在目前通信技術(shù)領域廣受歡迎，且在無線監(jiān)測領域也得到了一定的推廣應用。