無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
資料介紹
物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThings”。在這個網(wǎng)絡(luò)中,物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”,而無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用射頻自動識別等各種傳感技術(shù),通過計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。
目前業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個完全統(tǒng)一的概念,但普遍認(rèn)可的概念是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器、環(huán)境傳感器、圖像感知器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
物聯(lián)網(wǎng)可分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官,識別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等,主要是識別物體,采集信息與控制。
網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞,就像大腦的信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理,類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。
應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”,與行業(yè)需求結(jié)合,實現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合,與行業(yè)需求結(jié)合,實現(xiàn)行業(yè)智能化。
中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,應(yīng)該堅持“典型應(yīng)用是導(dǎo)向、智慧處理是重點”的方針,物聯(lián)網(wǎng)本身當(dāng)前不可能呈現(xiàn)為一個整體形式而是以局部和行業(yè)的應(yīng)用為當(dāng)前的主要發(fā)展特征,物聯(lián)網(wǎng)的未來是對獲取的海量并冗余信息的智能處理,智慧應(yīng)用是關(guān)鍵。抓住以上兩個要點,才能從當(dāng)前階段和未來階段把握中國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)會。
1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks,WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù),能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集,這些信息通過無線方式被發(fā)送,并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端,從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通。
2000年12月,電氣和電子工程師協(xié)會(instituteofelectricalandelectronicsengineers,IEEE)成立了IEEE802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名,這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式,蜜蜂通過ZigBee形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。在標(biāo)準(zhǔn)化方面,IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議,其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月,由英國Inversys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成,如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee聯(lián)盟官方網(wǎng)址為www.ZigBee.org,目前聯(lián)盟正式推出了ZigBee1.2版的最新規(guī)格(ZigBee2007/Pro)。
基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4組織的推動下,結(jié)合其他無線技術(shù)可以實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值,而且在未來其應(yīng)用更將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低,具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點組成的,傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。
除此之外,根據(jù)具體應(yīng)用的需要,可能還會有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動單元等。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,大量傳感器節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中,各個傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳送給用戶,數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站,然后再通過基站以衛(wèi)星通信或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。因此,與其他傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特性:
1.低功耗Zigbee傳輸速率低,傳輸數(shù)據(jù)量少,信號的收發(fā)時間短。在非工作狀態(tài)下,節(jié)點處于睡眠模式。而由睡眠模式啟動至工作模式,設(shè)備搜索時間僅需45ms。通過上述機(jī)制,普通電池就可支持Zigbee節(jié)點運轉(zhuǎn)長達(dá)6個月到2年左右。
2.自組織網(wǎng)絡(luò)在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器的位置不能預(yù)先精確設(shè)定,節(jié)點間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。例如,通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達(dá)或者危險的區(qū)域。因此就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力,能夠自動進(jìn)行配置和管理,通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
在傳感器使用過程中,部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效,也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)控精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中,所以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就會動態(tài)地增加或者減少,從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。
3.高可擴(kuò)充性在沒有協(xié)調(diào)器的情況下,一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。若是有協(xié)調(diào)器的加入,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可擴(kuò)充到65535個Zigbee節(jié)點,再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相互連接,則可使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目變得十分可觀。此外,Zigbee協(xié)議提供了數(shù)據(jù)完整性錯誤檢查,并采用了通用的AES-128加密算法,從而又具備了高保密性。
1.2.3樓宇變形沉降監(jiān)測方法概述
建筑物垂直位移觀測是測定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它應(yīng)該在基坑開挖之前開始進(jìn)行,而貫穿于整個施工過程中,并繼續(xù)到建成后若干年,直至沉陷現(xiàn)象基本停止。垂直位移的觀測方法主要是采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。
水平位移觀測的任務(wù)是測定建筑物在平面位置上隨時間變化的移動量。當(dāng)要測定某大型建筑物的水平位移時,可以根據(jù)建筑物的形狀和大小,布設(shè)各種形式的控制網(wǎng)進(jìn)行水平位移觀測,當(dāng)要測定建筑物在某一特定方向上的位移量時,這時可以在垂直于待測定的方向上建立一條基準(zhǔn)線,定期地測量觀測標(biāo)志偏離基線的距離,就可以了解建筑物的水平位移情況。水平位移觀測一般有以下幾種方法:基準(zhǔn)線法、角度前方交會法、角度后方交會法。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法和監(jiān)測技術(shù)日新月異,給樓宇沉降變形監(jiān)測帶來了嶄新的研究課題。就目前的監(jiān)測方法,可分為下列幾類:
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