范文婷，李佳琦，趙志超

（太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

中國(guó)古建筑是中國(guó)歷史文化重要的見證者，是光彩奪目、風(fēng)格鮮明的文化瑰寶，是研究包括傳統(tǒng)文化史、社會(huì)發(fā)展史、科學(xué)技術(shù)史和建筑史等各門歷史科學(xué)的實(shí)物例證[1-3]。其中作為文物大省的山西，所擁有的古建筑數(shù)量占據(jù)了全國(guó)古建筑類文物的七成以上[4]。但由于千百年來歲月的侵蝕，加之當(dāng)前自然環(huán)境的不斷惡化，大量古建筑的現(xiàn)狀不容樂觀，亟需有效保護(hù)。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展并在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，侯絢昕[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城鎮(zhèn)老舊建筑的安全預(yù)警。李濱[6]研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高層建筑消防監(jiān)督管理中的應(yīng)用。但針對(duì)古建筑的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)還處于初級(jí)階段，充分利用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和預(yù)警保護(hù)具有重要研究?jī)r(jià)值。

本文以山西古建筑為研究對(duì)象，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討一種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化、持續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)古建筑健康狀態(tài)的解決方案。

1 山西古建筑健康概況及監(jiān)測(cè)要素

山西古建筑以木材結(jié)構(gòu)為主[7]，木材易腐易燃，且容易受自然因素影響發(fā)生變形、裂縫坍塌等。基于以上影響因素，確定山西古建筑健康監(jiān)測(cè)包含兩方面安全要素。

（1）環(huán)境安全

環(huán)境安全監(jiān)測(cè)要素包含環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、震動(dòng)。高溫環(huán)境和較大的溫差變化會(huì)加速木結(jié)構(gòu)老化，高濕環(huán)境會(huì)引起木結(jié)構(gòu)的腐朽加劇，破壞木結(jié)構(gòu)古建筑的穩(wěn)定性。煙霧濃度監(jiān)測(cè)能夠預(yù)警古建筑火災(zāi)隱患。

（2）建筑物自身安全

建筑物自身安全監(jiān)測(cè)要素包含木結(jié)構(gòu)建筑含水率、傾角、裂縫等。含水率反映建筑物的潮濕程度，含水率過大會(huì)引起木結(jié)構(gòu)收縮和膨脹以及霉菌的增加，進(jìn)而使得建筑物發(fā)生變質(zhì)和強(qiáng)度損失。古建筑的傾角、裂縫反映建筑物發(fā)生下沉、傾斜、坍塌的概率。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山西古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

山西古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物自身和周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)，以STM32 微處理器為核心，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過WiFi 模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺(tái)，終端系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器模塊

山西古建筑物健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要分為環(huán)境信息和建筑物信息兩大類。環(huán)境信息包括溫濕度、煙霧濃度、震動(dòng)信息；建筑物信息包括木結(jié)構(gòu)建筑含水率、傾斜程度以及裂縫信息等。所采用的傳感器見表1 所列。

表1 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器規(guī)格

2.2.2 STM32 微控制器

山西古建筑物健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇ST 公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器STM32F103ZET6[8]，其具有高性能、低功耗、低成本、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Ω鱾鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中處理并上傳到云端。

2.2.3 無線通信模塊

采用ESP8266 作為山西古建筑物健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WiFi通信模塊，通過該模塊可將各傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，進(jìn)行古建筑物健康監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.2.4 OneNET 云平臺(tái)

OneNET 是一款高效、穩(wěn)定、安全的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)各種傳感器和硬件通信設(shè)備的快速接入，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信，能夠提供豐富的API 和應(yīng)用模板以支持對(duì)山西古建筑物健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1 所示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，可知山西古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)主程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、ESP8266與OneNET 云平臺(tái)通信程序以及用戶端手機(jī)APP 程序。

2.3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序選擇Keil uVision5 作為開發(fā)平臺(tái)，主程序流程如圖2 所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)STM32 開發(fā)板和各功能模塊進(jìn)行初始化，包含開發(fā)板各引腳初始化、標(biāo)志位和定時(shí)器設(shè)置等，并對(duì)ESP8266 進(jìn)行傳輸配置，開啟通信服務(wù)。其次讀取溫濕度、煙霧、震動(dòng)、含水率、傾斜等數(shù)值，經(jīng)過處理通過ESP8266WiFi 模塊上傳到云平臺(tái)，同時(shí)手機(jī)訪問云平臺(tái)可以在APP 端實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程

2.3.2 ESP8266 與OneNET 云平臺(tái)通信程序

系統(tǒng)基于MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)WiFi 模塊與OneNET 云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信，MQTT 協(xié)議是基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，可實(shí)時(shí)查看和獲取建筑物健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在接入云平臺(tái)時(shí)需配置IP 地址、端口號(hào)、產(chǎn)品ID、設(shè)備ID、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，并發(fā)送AT 指令設(shè)置工作模式、串口波特率等，進(jìn)而接入云平臺(tái)[10]。

2.3.3 用戶端手機(jī)APP 軟件

手機(jī)APP 開發(fā)采用Android Studio 平臺(tái)，包含的功能模塊如圖3 所示。用戶管理包括注冊(cè)登錄模塊和權(quán)限管理模塊，只有滿足權(quán)限要求并登錄之后才能進(jìn)入監(jiān)控界面。健康監(jiān)測(cè)功能包括數(shù)據(jù)顯示和智能預(yù)警模塊；數(shù)據(jù)顯示是對(duì)采集到的建筑物環(huán)境信息和自身傾斜、裂縫信息等進(jìn)行顯示，并對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警，以保證建筑物安全。

圖3 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)手機(jī)端APP 程序功能模塊

3 系統(tǒng)測(cè)試

將山西建筑物健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過WiFi 模塊上傳至OneNET 云平臺(tái)，在手機(jī)端可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前各項(xiàng)安全指標(biāo)，并與安全閾值相比較，對(duì)異常情況進(jìn)行提示，結(jié)果如圖4 所示。點(diǎn)擊歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按鈕可以查看最近一周的監(jiān)測(cè)信息，便于發(fā)現(xiàn)極端情況，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)果

圖5 古建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于山西古建筑保護(hù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的古建筑健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)建筑物安全指標(biāo)。下一步計(jì)劃將深度學(xué)習(xí)和圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)性能。