基于WSN的高层建筑物地基沉降动态监测系统的设计与实现

摘要

随着社会的发展，城市土地资源变得越来越紧张，城市中的高层建筑物拔地而起，高层建筑物的安全问题被更多的人关注。近年来，高层建筑物在施工过程及运营阶段出现不同程度的倾斜或垮塌现象，给个人和国家带来巨大的损失。为了减少这些的损失，对高层建筑物的变形监测是必须的。其中地基沉降是建筑物变形的最重要因素之一，设计一种能够动态监测高层建筑物地基沉降数据、判断高层建筑物地基沉降趋势与变化规律、有动态预警功能的系统，对高层建筑物的施工阶段和运营阶段显得非常重要。本课题，针对上述问题设计实现了基于WSN的高层建筑物地基沉降动态监测系统。
　　系统考虑到高层建筑物在施工过程中环境复杂，不易布线、各个沉降监测点之间数据传输距离在几十米左右、数据量较大，故采用了ZigBee无线传输方式。在地基沉降监测状态下，如果位移传感器节点的直线微位移传感器检测到位移超限，位移传感器节点中的液晶显示屏上显示报警信息，同时将位移超限信息发送到路由器中转到协调器或者直接发送至协调器，协调器再将接收到的报警信息通过串口发送至上位机，上位机将数据存储到数据库表中。管理员可以通过上位机访问地基沉降的实测值和预测值，并可生成数据曲线图，查看动态预警中心等。
　　本课题设计了高层建筑物地基沉降监测点的布局及地基沉降的监测方式，设计并实现了上述基于WSN的高层建筑物地基沉降动态预警系统的下位机软硬件和上位机系统部分。对系统作了需求分析，设计了系统的总体架构。对ZigBee网路设备、串口通讯工具、上位机系统做了功能性分析，详细介绍了高层建筑物地基沉降动态监测系统的整个工作流程。系统采用了模块化设计思想，设计实现了高层建筑物地基沉降动态预警系统的硬件设备，如位移传感器节点、路由节点、协调器节点等ZigBee网络设备，接着介绍了位移传感器节点、路由节点协调器节点的软件设计与现实，同时对ZigBee传输数据格式进行了设计。最后，设计了基于B/S架构的Java Web预警系统，使用了开源框Hibernate、Struts，和数据库MySQL。在数据处理方面，使用灰色模型来预测地基沉降变化趋势。设计了Java Web远程预警界面。实现了对地基的多个沉降监测点的实时监测和预警可视化界面。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高层建筑物地基沉降监测的意义

1．2 高层建筑物监测系统的研究现状

1．3 论文安排

第2章 系统总体设计

2．1 系统需求分析

2．2 系统总体结构

2．3．1 地基沉降测量原理和传感器节点的布局

2．3．2 地基沉降无线采集系统

2．3．3 上位机系统软件

2．3 无线通信技术的选取

2．4 本章小结

第3章 高层建筑物地基沉降数据采集系统设计

3．1 数据采集于系统开发环境介绍

3．1．1 IAR集成开发环境介绍

3．1．2 ZigBee协议栈整体架构介绍

3．1．3 系统设备类型介绍

3．2 地基沉降采集子系统的硬件设计

3．2．1 CC2530模块

3．2．2 外围电路模块

3．2．3 系统硬件整体设计

3．3 地基沉降采集子系统的软件设计

3．3．1 在ZStack协议栈开发流程

3．3．2 位移传感器节点的软件设计

3．3．3 协调器节点的软件设计

3．4 ZigBee网络中的数据传输

3．4．1 数据传输格式

3．4．2 数据传输过程

3．5 本章小结

第4章 高层建筑物地基沉降监测系统上位机的开发

4．1 上位机系统开发环境介绍及相关技术介绍

4．1．1 搭建环境介绍

4．1．2 JAVA语言的特点

4．2 协调器网关中间件的设计

4．3 数据库系统设计

4．4 监测系统功能与架构设计

4．4．1 监测系统功能设计

4．4．2 监测系统架构设计

4．5 地基沉降预测方法

4．5．1 预测方法的选取

4．5．2 预测方法原理介绍

4．6 监测系统各个模块设计

4．6．1 登陆模块的设计

4．6．2 节点信息管理模块的设计

4．6．3 历史数据查询模块的设计

4．6．4 沉降监测点曲线显示模块的设计

4．6．5 沉降预测模块的设计

4．6．6 动态预警模块的设计

4．7 本章小结

第5章 系统实现及测试

5．1 高层建筑物地基沉降采集系统的实现与测试

5．2 上位机系统的实现和测试

5．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文