一、項目概述

1.1 引言

隨著我國社會經濟的發(fā)展，高大建筑物日益增多，由于各種因素的影響，在這些工程建筑物及其設備的運營過程中，都會產生變形。這種變形在一定限度內，應認為是正常的現(xiàn)象，但如果超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時還會危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和運營期間，必須對它們進行變形觀測。為了監(jiān)視建筑物在施工的過程和使用中的安全，需在施工過程及使用過程中對其進行變形觀測；另一方面，為了進行科學研究以及為以后的地基基礎設計提供一些經驗數(shù)據(jù)，也需要對建筑物進行變形觀測。建筑物的變形監(jiān)測內容一般有沉降觀測、位移監(jiān)測和傾斜變形監(jiān)測等等，而建筑物的傾斜、裂縫等情況往往是由建筑物不均勻沉降引起的，這就要求對建筑物尤其是對高層建筑物進行沉降觀測。通過變形監(jiān)測，對所得到的變形觀測數(shù)據(jù)進行分析，從而對建筑物的運營狀態(tài)進行判斷，當發(fā)現(xiàn)不正常狀況時，需及時對其進行分析，找出原因并采取措施，以保證建筑施工及使用的安全。

2009年8月7日溫家寶總理在無錫微納傳感網工程技術研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話，“在傳感網發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術”；“在國家重大科技專項中，加快推進傳感網發(fā)展”；“盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫‘感知中國’中心”。 在這個全新學科中，我國的技術研發(fā)水平已處于世界前列。

目前，中國與德國、美國、英國等國家一起，成為國際標準制定的主導國之一。物聯(lián)網用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康等多個領域。專家預計，這一領域將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。因此結合無線傳感網絡技術，開發(fā)基于物聯(lián)網的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，極具創(chuàng)新性和實際推廣應用價值，能夠極大推動物聯(lián)網技術的發(fā)展，同時也為我國建筑質量的大幅提升提供了技術保障。

系統(tǒng)以模塊化平臺設計思想為指導，始終以低功耗為目標，利用太陽能電池板供電，充分體現(xiàn)了環(huán)保意識，另外基于分布式的物聯(lián)網技術的測量網絡也是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新之處，相信本系統(tǒng)開發(fā)完成之后，會具有非常好的實際應用前景，并可以進一步完善成熟，達到真正的實際應用。

1.2 項目背景

本基于物聯(lián)網的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，主要涉及物聯(lián)網技術、無線傳感器網絡、樓宇變形沉降監(jiān)測方法和核心無線數(shù)傳芯片CC2530的應用等背景知識，以下為詳細介紹。

1.2.1 物聯(lián)網技術背景

物聯(lián)網是在計算機互聯(lián)網的基礎上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網絡中，物品(商品)能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預。其實質是利用射頻自動識別等各種傳感技術，通過計算機互聯(lián)網實現(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)網還沒有一個完全統(tǒng)一的概念，但普遍認可的概念是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、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備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

物聯(lián)網可分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層是物聯(lián)網的皮膚和五官，識別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網絡等，主要是識別物體，采集信息與控制。

網絡層是物聯(lián)網的神經中樞，就像大腦的信息傳遞和處理。網絡層包括通信與互聯(lián)網的融合網絡、網絡管理中心、信息中心和智能處理中心等。網絡層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。

應用層是物聯(lián)網的“社會分工”，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)廣泛智能化。應用層是物聯(lián)網與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)行業(yè)智能化。

中國物聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展，應該堅持“典型應用是導向、智慧處理是重點”的方針，物聯(lián)網本身當前不可能呈現(xiàn)為一個整體形式而是以局部和行業(yè)的應用為當前的主要發(fā)展特征，物聯(lián)網的未來是對獲取的海量并冗余信息的智能處理，智慧應用是關鍵。抓住以上兩個要點，才能從當前階段和未來階段把握中國物聯(lián)網的發(fā)展機會。

1.2.2 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，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，并以自組多跳的網絡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(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。ZigBee正是這種技術的商業(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。在標準化方面，IEEE 802.15.4工作組主要負責制定物理層和 MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準。高層應用、測試和市場推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負責。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體公司組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee聯(lián)盟官方網址為www.ZigBee.org，目前聯(lián)盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新規(guī)格（ZigBee 2007/Pro）。

基于ZigBee技術的無線傳感器網絡應用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4 組織的推動下，結合其他無線技術可以實現(xiàn)無所不在的網絡。它不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域具有極高的應用價值，而且在未來其應用更將擴展到涉及人類日常生活和社會生產活動的所有領域。

無線傳感器網絡是由大量體積小、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。在無線傳感器網絡中，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)星通信或者有線網絡連接的方式傳送給最終用戶。因此，與其他傳統(tǒng)的網絡相比，無線傳感器網絡具有如下特性：

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，設備搜索時間僅需45ms。通過上述機制，普通電池就可支持Zigbee節(jié)點運轉長達6個月到2年左右。

2.自組織網絡 在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器的位置不能預先精確設定，節(jié)點間的相互鄰居關系預先也不知道。例如，通過飛機播撒大量傳感器節(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，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網絡系統(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)控精度而補充到網絡中，所以在傳感器網絡中的節(jié)點個數(shù)就會動態(tài)地增加或者減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。

3.高可擴充性 在沒有協(xié)調器的情況下，一個無線傳感器網絡最多可容納255個網絡節(jié)點。若是有協(xié)調器的加入，無線傳感器網絡最多可擴充到65535個Zigbee節(jié)點，再加上各個網絡協(xié)調器相互連接，則可使整個無線傳感器網絡節(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。它應該在基坑開挖之前開始進行，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儀進行測量。

水平位移觀測的任務是測定建筑物在平面位置上隨時間變化的移動量。當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，布設各種形式的控制網進行水平位移觀測，當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線，定期地測量觀測標志偏離基線的距離，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：基準線法、角度前方交會法、角度后方交會法。

隨著科學技術的進步和發(fā)展，監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法和監(jiān)測技術日新月異，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：

1.傳統(tǒng)測量方法

在地面沉降變形監(jiān)測中，使用最為普及的是傳統(tǒng)測量方法。該方法是在需要進行監(jiān)測的區(qū)域，按照一定的原則，布設一定數(shù)量的監(jiān)測點，定期或不定期地進行點位三維坐標測量。其中，地面點的平面位置觀測，采用測角、量距的方法進行;高程觀測，采用水準測量的方法進行。這種觀測，一般操作簡單，精度高，但成本高，費時費力。

2.全站儀測量

地面沉降變形監(jiān)測，主要測量監(jiān)測點的點位變化情況，而全站儀是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，具有簡單的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通訊等功能，因此，地面沉降觀測多采用全站儀進行。但這種觀測方法，由于多種因素的綜合影響，其監(jiān)測精度需要分析研究。

3.GPS測量

采用GPS和GIS技術進行地面沉降變形監(jiān)測，不僅可以監(jiān)測地面沉降的現(xiàn)狀，還可以在圖上實現(xiàn)成果可視化，是沉降監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一。GPS測量主要以相對定位為主，它可以提供高精度的三維點位坐標，使測量精度控制在較高的范圍內，是沉降變形監(jiān)測的理想方法。其缺點在于監(jiān)測成本較高。

4.數(shù)字攝影測量

數(shù)字攝影測量的發(fā)展起源于攝影測量自動化的實踐，即利用攝像技術，實現(xiàn)真正的自動化測圖。與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別在于，數(shù)字攝影測量處理的原始信息，不僅可以是像片，更主要的是數(shù)字影像或數(shù)字化影像，它最終是以計算機視覺代替人眼的立體觀測。其實質是通過獲取的數(shù)字影像，利用計算機軟件，生成數(shù)字地面模型(DTM)與正射影像圖。它可與其他測量方法結合，實現(xiàn)地面沉降變形的監(jiān)測。

5.星載合成孔徑雷達干涉監(jiān)測技術

空間對地觀測技術的發(fā)展為地面沉降變形監(jiān)測提供了全新的方法。利用空間遙感技術測繪地面沉降，是當前監(jiān)測技術發(fā)展的新方向。這種技術具有連續(xù)空間覆蓋、高度自動化和高精度監(jiān)測地面沉降變形的能力。它是利用不同時間測得的衛(wèi)星合成孔徑雷達地面圖像相重疊而形成的微分干涉圖像，圖像中一個相干顏色條紋循環(huán)代表一定數(shù)量的地面變形變量，并通過對比地面變形實測值來確認，再利用計算機處理形成地面變形等值線圖。與其它監(jiān)測方法不同的是，它不再是對有限數(shù)目的離散點進行監(jiān)測。在理論條件下，其監(jiān)測的地面變形精度為5～1Omm。

與其他幾種方法相比較，GPS定位技術具有觀測不受氣候條件限制、測站間無需保持通視、可同時測定點的三維位移及自動化程度高等優(yōu)點外，利用GPS和計算機技術、數(shù)據(jù)通訊技術及數(shù)據(jù)處理與分析技術進行集成，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預報的自動化，達到遠程在線網絡實時監(jiān)控的目的。因而它為小范圍、短距離、高精度的工程建筑物的變形監(jiān)測提供了一種新的有效手段，目前正在被廣泛推廣應用。

1.2.4 CC2530無線芯片概述

CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。CC2530提供了101dB的鏈路質量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設集——包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO，以及更多可擴展功能口。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI的一個標準兼容或專有的網絡協(xié)議棧（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2530可以用于的應用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領域。根據(jù)芯片內置內存的不同容量，CC2530擁有三種不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，編號后綴分別代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的閃存。

比起第一代CC2430，CC2530提供了改進的RF性能，多達256KB的閃存以支持更大的應用，強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，IR一代電路，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的系統(tǒng)內可編程閃存；

★8-KB RAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；

★集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機；

★極高的接收靈敏度和抗干擾性能；

★可編程的輸出功率高達4.5dBm；

★只需一個晶振，即可滿足網狀網絡系統(tǒng)的需要；

★在供電模式1時僅24mA的流耗4μs就能喚醒系統(tǒng)；在睡眠定時器運行時僅1μA的流耗；在供電模式3時僅0.4μA的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；

★硬件支持CSMA/CA功能；

★較寬的電壓范圍（2.0～3.6V）；

★支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI和強大的5通道DMA；

★具有捕獲功能的32KHz睡眠定時器；

★具有電視監(jiān)視器和溫度傳感器；

★具有8路可配置分辨率的12位ADC；

★集成了AES安全協(xié)處理器；

★帶有2個支持多種串行通信協(xié)議的強大USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC

★定時器，1個16位定時器和1個8位定時器；

★強大和靈活的開發(fā)工具。

另外，CC2530集成了增強工業(yè)標準8051內核MCU核心。該核心使用標準8051指令集。每個指令周期中的一個時鐘周期與標準8051每個指令周期中的12個時鐘周期相對應，并且取消了無用的總線狀態(tài)，因此其指令執(zhí)行速度比標準8051快。由于指令周期在可能的情況下包含了取指令操作所需的時間，故絕大多數(shù)單字節(jié)指令在一個時鐘周期內完成。除了速度改進之外，增強的8051內核也包含了下列增強的架構：第二數(shù)據(jù)指針和擴展了18個中斷源。

該8051內核的目標代碼與工業(yè)標準8051微控制器目標代碼兼容。但是，由于與標準8051 使用不同的指令定時，現(xiàn)有的帶有定時循環(huán)的代碼可能需要修改。此外，由于外接設備單元比如定時器的串行端口不同于它們在其他的8051內核，包含有使用外接設備單元特殊功能寄存器SFR的指令代碼將不能正常運行。

Flash預取默認是不使能的，提高了CPU高達33%的性能。這是以功耗稍有增加為代價的，但是因為它更快，所以在大多數(shù)情況下提高了能源消耗?？梢栽贔CTL寄存器中使能Flash預取。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點、嵌入式網關、上位機控制程序等三大部分組成。

信息采集節(jié)點包括位移傳感器或光柵尺、加速度傳感器、超聲波測距傳感器或者激光測距儀等傳感器件來采集樓宇的變形沉降信息，通過CC2530無線傳輸模塊將這些信息轉發(fā)到嵌入式網關，視功能需要也可以添加GPS模塊，結合各種傳感器實現(xiàn)樓宇變形沉降的精準監(jiān)測。每個樓宇可設置多個基準點，每個基準點配置一個信息采集模塊，多方位采集樓宇群各處的變形沉降信息。信息采集節(jié)點可以采用電池供電，系統(tǒng)的低功耗特性滿足工作時間也可以長達半年，視后期完善程度可以采用太陽能電池板供電，可以充分體現(xiàn)環(huán)保意識，當然前期調試為了方便采用220V電源降壓供電模式。

嵌入式網關主控制板采用Cypress公司提供的PSoC 3可編程混合信號微控制器開發(fā)板CY8CKIT030（是否應為CY8CKIT003），嵌入式網關匯總各信息采集節(jié)點上報的數(shù)據(jù)信息，然后經過串口通信上報到上位機，視功能需要也可以添加GPRS遠程無線傳輸模塊。嵌入式網關主控制板具備各種外設接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時顯示和用戶手動控制，并可擴展外接各種需要的功能模塊。嵌入式網關模塊可采用電池供電，或者太陽能電池板供電，或者220V常用電源降壓供電。

上位機控制程序配備后臺數(shù)據(jù)庫，存儲一定時間內的各樓宇的變形沉降信息，經程序分析處理后繪制成人性化的曲線展現(xiàn)給用戶，當然用戶也可發(fā)送命令隨時查看樓宇某時間的變形沉降情況。上位機控制程序可通過計算機的串口對直連的嵌入式網關模塊進行控制。

除以上主要功能外，信息采集節(jié)點和嵌入式網關模塊，均采用優(yōu)化的電路設計和先進的控制策略設計，均配置有電源穩(wěn)壓電路、電流電壓保護電路、光耦隔離、信號放大等模塊，以保證系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性?？紤]到環(huán)保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時間上報各自的數(shù)據(jù)信息，其他時間工作在睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗，需要傳輸數(shù)據(jù)時喚醒各自的CPU進入工作模式。各功能模塊可方便組合實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展的整個基于物聯(lián)網的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構如圖1，系統(tǒng)網絡拓撲結構如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

圖2系統(tǒng)網絡拓撲結構圖

2.2 性能要求

系統(tǒng)整體性能要求實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展等基本要求，方便以后進一步完善開發(fā)，并憑借各種優(yōu)越特性以利于實際的市場推廣應用。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

嵌入式網關控制模塊硬件結構如圖3，信息采集節(jié)點模塊硬件結構如圖4所示。

圖3 嵌入式網關控制節(jié)點硬件結構圖