一种基于LORA+BIM技术的高层建筑SHM系统

摘要

本发明公开了一种基于LORA+BI M技术的高层建筑SHM系统，属于智慧建筑技术领域。包括LoRa数据采集与传输子系统、数据处理子系统、B I M可视化评估分析子系统，LoRa数据采集与传输子系统包括若干传感器、若干LoRa终端和LoRa网关，LoRa终端节点将采集到的信号经过LoRaWAN网络发送至LoRa网关，LoRa网关通过无线4G网络将所述数据发送到网络服务器，所述传感器通过串口与LoRa终端连接，若干LoRa终端对应一个LoRa网关，形成星形组网方式。本发明旨从无线数据采集、数据管理和监测信息可视化分析全流程一体化高层建筑SHM监控，对拓展LoRa技术在SHM领域的应用具有一定的意义。进行BI M二次开发建模结合结构模型分析，研究了其信息数据库存储和可视化方法，为高层建筑监测信息管理提供了思路。

说明书

技术领域

本发明涉及智慧建筑技术领域，具体为一种基于LORA+BIM技术的高层建筑SHM系统。

背景技术

近年来，随着我国经济的飞速发展，社会生产力和人民生活水平不断提高，城市化进程也不断加快。由于城市人口相对集中、市区建设用地供应紧张、人类对建筑结构的要求也日益多样化和复杂化，高层及超高层建筑能够有效利用土地资源、缓解城市用地紧张，同时也成为城市现代化的标志。据统计，我国拟建和已建超高层建筑(100m以上)接近5000幢。这些大型建筑物结构形式更加复杂，在施工建造至服役期间长达几十年甚至上百年，受到日常使用环境如环境侵烛、材料老化等的影响都不可避免地导致结构和系统的损伤累积和抗力衰减。若在风振、地震等灾害性荷载作用下结构更容易发生破坏，一旦发生灾害事故，将会造成巨大的生命与财产损失。因此，对这些大型建筑物进行结构健康监测SHM(Structural health monitoring)，及时发现结构的损伤，以及预测结构的性能变化，不仅能保证结构的正常运行，而且能保障人民的生命及财产安全，促进社会稳定，也为完善结构抗震设计方法提供理论支撑。SHM集成了传感器、通信、计算机、物联网、结构损失识别等技术，随着超高层建筑的兴起，高层结构健康监测也受到关注。

早期结构监测主要采用传统静态监测方法和有线传输技术，近年来无线传输与物联网技术得到应用。但是，传统有线传输技术安装耗时大、布线成本昂贵，对于特殊部位部署困难、覆盖范围有限，而其他传统无线通信方式(zigbee、蓝牙、WiFi、无线4G等)受复杂空间结构影响无商用网络环境下组网困难、长时间多台设备监测导致通信成本高，传输距离受限、维护困难等问题。此外，监测数据采集完成后，大多数研究并未充分利用监测数据来分析结构安全性，通常“只测不评”，未形成从采集端到用监测数据可视化评估全流程一体化的体系结构，造成数据利用率低的问题。

SHM已由传统监测方式发展为智能化监测，“互联网+”技术的运用初见端倪。目前高层建筑SHM的研究已取得了一定的成果，但存在以下几个方面的不足：

(1)大多研究单独集中在结构损伤识别、数据处理分析和传感器布置优化等方法上，对全流程一体化的健康监测系统的集成和开发研究较少；

(2)现阶段利用Zigbee、WiFi、6LoWPAN等标准的WSN来搭建SHM应用平台比较常见，而与所述无线通信技术相比，采用LoRa扩频通信技术会有更远的通信距离、更强的抗干扰性和更高的传输效能，在智慧农业、物流追踪以及智慧工业等领域得到了广泛应用，而采用LoRa标准的WSN实现SHM应用平台较为少见，目前对LoRa标准在SHM中的应用研宄正处于起步阶段；

(3)多数研究只关注监测数据获取和处理，监测信息可视化研究成果缺乏监测信息共享与交互机制，不能很好地发挥监测信息与其他项目参与方之间的协同效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LORA+BIM技术的高层建筑SHM系统，该系统提供从无线传感器数据采集、数据管理和监测信息可视化分析全流一体化SHM监控设计方案，以解决背景技术存在的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于LORA+BIM技术的高层建筑SHM系统，包括LoRa数据采集与传输子系统、数据处理子系统、BIM可视化评估分析子系统，所述LoRa数据采集与传输子系统包括若干传感器、若干LoRa终端和LoRa网关，所述LoRa终端节点将采集到的信号经过LoRaWAN网络发送至LoRa网关，LoRa网关通过无线4G网络将所述数据发送到网络服务器，所述传感器通过串口与LoRa终端连接，若干LoRa终端对应一个LoRa网关，形成星形组网方式。

所述LoRa终端包括传感器数采、主控芯片STM32F103RCT6、射频芯片SX1278、电源模块和外围电路，LoRa终端将采集的数据实时发送至LoRa网关，同时接收LoRa网关的数据，从而实现LoRa终端节点与LoRa网关之间的数据通信。

所述LoRa网关包括主控芯片STM32F103RCT6、射频芯片SX1278、4G DTU模块、电源模块、外围电路，LoRa网关接收多个LoRa终端节点发送的数据信息，并对数据进行分析，整合成为符合TCP/IP协议的信息，通过4G网络输送到监控中心网络服务器，同时给LoRa终端发送来自网络服务器的控制信息，使各LoRa终端节点有序传输。

所述数据处理子系统包括数据的预处理和数据的存储和数据的显示，所述数据的预处理包括将监控终端的反馈信息按照需求进行分类；所述数据的存储包括将处理后的数据信息存入对应的数据库；所述数据的显示包括提供数据向外发送的服务和接口。

所述BIM可视化评估分析子系统包括利用有限元软件建立计算模型；利用BIM技术结合结构计算模型，根据对重要节点设定阈值预警；运用C#语言进行程序模块命令流编写。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明基于LoRa标准的无线传输技术在实际应用中扩展性好，可以支持大量的节点接入，具有较高的通信速率，适合应用SHM领域中。同时利用BIM技术从数据库提取监测信息可视化分析，降低数据理解难度，可提高建筑结构状态评估和设施管理的效率。因此，本发明旨在设计研发从无线数据采集、数据管理和监测信息可视化分析全流程一体化高层建筑SHM监控设计方案，对拓展LoRa技术在SHM领域的应用具有一定的意义。同时，进行BIM二次开发建模结合结构模型分析，研究了其信息数据库存储和可视化方法，为高层建筑监测信息管理提供了思路；

2.本发明通过建立一套完善的SHM用来评估高层建筑的结构状态，及时发现结构的损伤，预测结构的性能变化，不仅能保证结构的正常运行，而且预防事故发生，能保障人民的生命及财产安全，促进社会稳定，同时，可为区域内抗震设计提供观测资料；

3.本发明基于LoRa技术的无线传输网络架构，在SHM系统中作为新型的数据传输方式具有广阔的应用前景。同时，具有以下技术特点，可达到有效利用资源。1)LoRa网关覆盖范围广，空旷地域高达15km以上，整体覆盖范围超过传统蜂窝网络，无需考虑复杂建筑结构下的GPRS/CDMA、3G、4G网络覆盖问题，可适用于偏远恶劣监测环境。无需网络布线节约资源，安装部署方便可以在几个小时内将建筑物联网；2)LoRa协议栈简单，射频芯片价格低廉，建筑内无需安装流量计费的SIM/USIM卡，系统通信成本低。3)通过无线天线在全球免费频段运行通信，可自行选择(410-525MHz)内工作频段，使用数据更加安全，整体维护相对简单；

4.本发明监测信息数据库的集成、监测信息可视化表达以及BIM模型与有限元模型信息交互，可降低数据理解难度，提高建筑结构状态评估和设施管理的效率；

5.本发明对当前高层建筑结构健康信息化应用研究具有重要意义，同时该发明的研究成果可拓展至桥梁、大坝等结构健康监测项目中，具有更广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的LoRa终端结构示意图；

图3为本发明的LoRa网关结构示意图。

图中所示：传感器1；LoRa终端2；LoRa网关3。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例及附图对本发明进行进一步详细说明。

实施例

一种基于LORA+BIM技术的高层建筑SHM系统，如图1，包括LoRa数据采集与传输子系统、数据处理子系统、BIM可视化评估分析子系统，所述LoRa数据采集与传输子系统包括若干传感器1、若干LoRa终端2和LoRa网关3，所述LoRa终端2节点将采集到的信号经过LoRaWAN网络发送至LoRa网关3，LoRa网关3通过无线4G网络将所述数据发送到网络服务器，供系统其它模块存储调用，所述传感器通过串口与LoRa终端连接，若干LoRa终端对应一个LoRa网关，形成星形组网方式。

如图2，所述LoRa终端2包括传感器数采、主控芯片STM32F103RCT6、射频芯片SX1278、电源模块和外围电路，LoRa终端将采集的数据实时发送至LoRa网关，同时接收LoRa网关的数据，从而实现LoRa终端节点与LoRa网关之间的数据通信。

如图3，所述LoRa网关3包括主控芯片STM32F103RCT6、射频芯片SX1278、4G DTU模块、电源模块、外围电路，LoRa网关接收多个LoRa终端节点发送的数据信息，并对数据进行分析，整合成为符合TCP/IP协议的信息，通过4G网络输送到监控中心网络服务器，同时给LoRa终端发送来自网络服务器的控制信息，使各LoRa终端节点有序传输。

所述数据管理子系统完成对数据的管理，包括：对数据的预处理，将监控终端的反馈信息按照需求进行分类；对数据的存储，将处理后的数据信息存入对应的数据库；对数据的显示，提供数据向外发送的服务和接口。系统以Visual Studio作为开发软件，选用关系型数据库(例MySQL、SQLServer等)作为后台数据库管理系统存储监测信息，利用JDBC技术完成对惯性数据库的对接和访问。

所述BIM可视化评估分析子系统包括：

1)利用有限元软件Midas或PKPM对楼宇建立计算模型，并求解出结构的应力应变最不利位置和最不利构件，结构的固有频率，以及振型情况；

2)利用BIM技术，结合结构计算模型，根据对重要节点设定阈值预警。确定合适的阈值是结构单元进行安全状态评估的关键，主要利用BIM模型与有限元模型的接口程序，将结构的重要阈值导入BIM模型。并基于已经布设的加速度传感器，通过反演结构的模态和主频来判断结构的损伤程度(通过结构自振频率的衰减程度来确定结构刚度的退化程度)，进行结构健康状态判别；

3)运用C#语言进行程序模块命令流编写，通过应用程序开发接口(Revit API)，拓展和应用Revit软件的功能。实现传感器位置查询、监测数据查询、监测曲线显示、实时自动预警和后台管理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。