专利名称：一种基于无线网络的大型建筑物安全监测系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统，尤其涉及一种基于无线网络的大型建筑物安全监 测系统及实现方法。
背景技术：
随着我国经济建设规模的不断扩大，高层楼房、桥梁、大坝等大型建筑正在进行大 规模地建设。目前使用中的桥梁突然断裂、大坝的突然崩塌、高层楼房倒塌裂缝在各大媒体 时有报道，造成非常严重的后果，给人民生命财产造成重大的损失。目前，我国使用的桥梁位移、大坝位移和山体滑坡监测设备均采用GPS为传感器， 价格昂贵，传输方式有限，对于电网所不能达到的地方无法实现检测，高层楼房的检测基本 属于空白。本系统测量精度高，成本低，利用太阳能供电设备解决了边远山区监测点供电问 题，利用移动3G无线网络系统技术，进行数据的传输，不受传输线路介质的影响，便于大规 模普及应用。
发明内容
目前使用中的大型建筑物，如高层楼房、桥梁、大坝因为没有安装倒塌或者坍塌安 全检测设备，在倒塌或者坍塌之前没有监测到大型建筑物发出的预警信号，导致出现突然 倒塌或者坍塌，给人民生命财产造成重大的损失。如果在大型建筑物上安装一种安全监测 装置，就可以对大型建筑物进行实时监测，而目前使用的监测设备都是以GPS为传感器，价 格昂贵，因此有必要提供一种低成本的大型建筑物安全监测系统及实现方法，达到普遍应 用，保证大型建筑物的安全监测。同时，目前系统的传输方式有限，对于电网所不能达到的 地方无法实现检测，因此有必要提供一种基于无线网络的大型建筑物监测系统。本发明提供一种基于无线网络的大型建筑物安全监测系统，该系统包括大型建 筑物安全监测装置，所述大型建筑物安全监测装置分别设置于不同大型建筑物安全监测点 以监测对应的大型建筑物安全监测点的大型建筑物震动；大型建筑物安全监测分站，接收 大型建筑物安全监测装置数据并将数据通过无线网络传输给大型建筑物安全监测主站；控 制中心，分析、处理主站接收的数据；其特征在于该系统还进一步包括定位装置，每个大 型建筑物安全监测装置均连接有一定位装置，每个定位装置中安装位移感应器，所述定位 装置用于监测大型建筑物震动，所述分站和主站通过3G无线通信网络进行通信，可传输数 据、语音和视频信号。每个监测装置包括垂直和水平方向的传感器，安装在监测点的水平方向和垂直方 向，水平方向分为X轴和Y轴两个方向，垂直方向为Z轴，分别获得水平震动和垂直震动的 信号。当有位移发生时，传感器采集到来水平X轴、水平Y轴和垂直方向Z轴的信号，传感 器将输出的信号通过IKHz的低通滤波器，滤除参杂在信号中的高频干扰；然后将滤波后的 信号传送给放大器，放大器将输入的信号放大到1 Vpp，送到ARM板进行转换，由于采集到的 信号为模拟信号，此时，ARM上的AD转换功能，将模型信号转换成数字信号，并传送给数据处理中心，同时，安装在ARM板上的报警装置，如LED灯光报警装置和蜂鸣器声音报警装置 同时工作，产生报警功能。ARM板使用模式转换工具进行内核驱动，使ARM板支持通用串行 总线模式。为了使地面控制中心和位移监测点能够精确定位并具有同频同相的同步时钟信 号，本发明中增加了 GPS定位和授时装置。该装置利用GPS系统所制造的GPS授时系统，以 GPS卫星为时间源，组合了现代计算机技术和GPS卫星接受技术，可实现精确授时，从而实 现远距离设备的精确同步。监测装置的电源由太阳能供电设备提供，太阳能供电设备由太阳能电池板、太阳 能控制器、蓄电池等三大部分组成。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，其作用 是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或直接推动负载工作。太阳能 控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作 用。在温差较大的地方，控制器还具备温度补偿的功能。蓄电池为铅酸电池，解决了电能贮 存问题蓄电池将日照充足时系统发出的多余电能，保留在夜间或无风的阴雨天使用，解决 了发电与用电时间不一致的问题。该设备工作原理是，在白天有日照的时候，太阳能电池板 负责接收太阳光，把光能转换成电能，经过电池充放电保护芯片后送入DC-DC转换芯片给 大型建筑物安全监测设备供电，同时把用不完的电能送给蓄电池蓄电。在夜晚或阴雨天等 没有日照或日照很少时，蓄电池把存储的电能通过电池保护芯片送入DC-DC转换芯片给大 型建筑物安全监测设备供电。电路中电池保护芯片负责实时监控太阳能电池板及蓄电池的 工作电压，同时监控负载电流，在出现异常时，切断太阳能电池板、蓄电池及负载之间的通 路，保护各电路部件安全，待异常现象消失时，再恢复之间的连接。优选地大型建筑物安全监测装置还连外部数据采集装置，外部数据采集装置视频 采集器、计算机、传真和/或电话采集数据和信号后，将数据和信号通过3G无线网络传输给 数据中心。本发明通过在监测点安装水平和垂直方向的位移感应器，精确感应大型建筑物在 水平和垂直方向上的震动，并通过GPS定位和授时装置进行定位和授时，将监测到的准确 大型建筑物震动信息通过3G无线网络发送给控制中心，不受传输介质限制准确及时传输 大型建筑物震动信息，大型建筑物安全监测装置的电源由太阳能供电设备提供，不受电力 基础设施限制。大型建筑物安全监测装置还可以连接视频采集器、计算机、传真和/或电 话，可以将相关数据通过3G无线网络传输给数据中心。说明书附图
图1是基于无线网络的大型建筑物实时监测系统原理框图； 图2是太阳能供电装置原理图； 图3是位移传感器工作原理图； 图4是移动3G无线网络上网流程原理框图。
具体实施例方式下面结合说明书附图，具体说明本发明的实施方式。如图1所示的基于无线网络的大型建筑物实时监测系统原理框图，该系统包括 大型建筑物安全监测装置，所述大型建筑物安全监测装置分别设置于不同大型建筑物安全监测点以监测对应的大型建筑物安全监测点的大型建筑物震动；大型建筑物安全监测分 站，接收大型建筑物安全监测装置数据并将数据通过无线网络传输给大型建筑物安全监测 主站；控制中心，分析、处理主站接收的数据；其特征在于该系统还进一步包括定位装置， 每个大型建筑物安全监测装置均连接有一定位装置，每个定位装置中安装位移感应器，所 述定位装置用于监测大型建筑物震动，所述分站和主站通过3G无线通信网络进行通信，可 传输数据、语音和视频信号。每个大型建筑物安全监测装置还连接视频采集器、计算机、传 真和/或电话，并将相关数据和信号通过3G无线网络传输给数据中心。每个监测点连接一个GPS定位、授时系统，GPS定位、授时系统该，以GPS卫星为时 间源，组合了现代计算机技术和GPS卫星接受技术，可实现精确授时，从而实现远距离设备 的精确同步。本发明装置所采用的GPS授时系统频率可以为20ΜΗΖ、40ΜΗζ、60ΜΗζ、80ΜΗζ， 所使用的频率越高，则精度越高。如图2所示的太阳能供电装置原理图，每个监测点连接一太阳能供电设备提供， 太阳能供电设备由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池等三大部分组成。太阳能电池板是 太阳能发电系统中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中 存储起来，或直接推动负载工作。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄 电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还具备温度补偿的功 能。蓄电池为铅酸电池，解决了电能贮存问题蓄电池将日照充足时系统发出的多余电能， 保留在夜间或无风的阴雨天使用，解决了发电与用电时间不一致的问题。该设备工作原理 是，在白天有日照的时候，太阳能电池板负责接收太阳光，把光能转换成电能，经过电池充 放电保护芯片后送入DC-DC转换芯片给大型建筑物安全监测设备供电，同时把用不完的电 能送给蓄电池蓄电。在夜晚或阴雨天等没有日照或日照很少时，蓄电池把存储的电能通过 电池保护芯片送入DC-DC转换芯片给大型建筑物安全监测设备供电。电路中电池保护芯片 负责实时监控太阳能电池板及蓄电池的工作电压，同时监控负载电流，在出现异常时，切断 太阳能电池板、蓄电池及负载之间的通路，保护各电路部件安全，待异常现象消失时，再恢 复之间的连接。如图3所示的位移传感器工作原理图，每个监测点采用三个传感器，安装在监测 点的水平方向和垂直方向，水平方向分为X轴和Y轴两个方向，垂直方向为Z轴，分别获得 水平震动和垂直震动的信号。其原理图如图2所示，当有位移发生时，传感器采集到来水平 X轴、水平Y轴和垂直方向Z轴的信号，传感器将输出的信号通过IKHz的低通滤波器，滤除 参杂在信号中的高频干扰；然后将滤波后的信号传送给放大器，放大器将输入的信号放大 到1 Vpp，送到ARM板进行转换，由于采集到的信号为模拟信号，此时，ARM上的AD转换功能， 将模型信号转换成数字信号，并传送给数据处理中心，同时，安装在ARM板上的LED灯光报 警装置和蜂鸣器声音报警装置同时工作，产生报警功能。如图4所示的移动3G无线网络上网流程原理框图，其包含以下方式 (1) USB_ Mode switch 编译
工具:USB_ Mode switc-1. 0. 2. tar. bz2 禾口 libusb-0. 1. 12. tar. gz 首先，编译libusb-0. 1. 12. tar. gz,解压并进入libusb-0. 1. 12目录，建立子目录 install用于存放最后生存的库文件与头文件。配置并生成Make file文件
./configure —build=i686_linux —host=arm_linux —prefix=/ libusb-0. 1. 12/install
修改install路径 make
make install
完成后会在install目录下生成的lib库和include的头文件库和头文件拷贝到交叉 编译器的lib和include目录下。然后交叉编译USB _ mode switch 修改Make file文件
修改STRIP和CC选项为 STRIP = arm-χχχ-Ιinux-strip CC = arm-χχχ-Ιinux-gcc
Make以后生成的可执行文件USB _ mode switch和相关的库文件，将该文件下载 到ARM开发板中，在ARM板的终端上或者在PC机的串口终端下运行再执行USB _ mode switch - W，转换成功。转换后不在dev下自动创建响应的medom节点和找不到gprs驱动，则需要重新进 行内核的编译和下载到arm板。在驱动编译的时候“在内核源码包中找到USB的3G驱动文件driver/usb/ serial/option, c 在其中加入 3G 卡片的 HUATOI_VEND0R_ID 0xl2Dl 和 HUATOI_PR0DUCT_ E1750 0x1446。然后修改Kconf ig将option编译成模块。”这步，可以用华为的huawei_ product_el436 0x1436 改为 huawei_product_el436 Oxldal 艮口可。在内核中添加usb-modem-support选项，选中*,编译进内核当中，在usb-support 下，然后重新编译内核并下载到ARM板子。转换完成测试
cdc__acm1--13.1:ttyACMO:USBACMdevicecdc__acm1--13.3:ttyACMl:USBACMdevicecdc__acm1--13.5:ttyACM2:USBACMdevice
(2)编译安装
在编译配置内核Linux2. 6. 32时，加载对PPP的支持，配置编译内核在-> Device Drivers -> Network device support -> PPP (point-to-point protocol) 中，选中所 有PPP选项，退出保存配置，执行make zlmage，将zlmage下载到开发板上重启系统。解压进入源码目录，执行configure。完成后，执行make，这里要进行交叉编译， 旨胃 CC 为 arm gcc,为 make CC=arm-linux-gcc
编译完成后，进入PPPd目录，将生成的PPPd可执行文件拷贝到mini2440文件系统的 /usr/sbin下，运行pppd，如果出现乱码，则Pppd工作正常。(3) PPP 脚本
脚本拨号的方案主要有3个脚本，ppp-on、ppp-on-dialer和ppp-off，ppp-on脚本主 要用于初始化参数和启动PPPd, ppp-on-dialer主要用于AT测试串口和联通到移动网络的 脚本，而ppp-off则为断开连接的脚本，三个脚本的源码 ΡΡΡ-0Ν:#！/bin/sh
TELEPH0NE=*99_1#
#ACC0UNT=13417591635
ACC0UNT=foo
#PASSW0RD=33881155
PASSWORD=""
L0CAL_IP=0. 0. 0. O
#L0CAL_IP=10. 91. 106. 94
REM0TE_IP=0. 0. 0. O
#REMOTE_IP=192. 200. 1. 21
NETMASK=255. 255. 255. 255
export TELEPHONE ACCOUNT PASSWORD
DIALER_SCRIPT=/root/Desktop/pppsh/ppp-on-dialer
exec /usr/sbin/pppd debug modem nocrtscts /dev/ttyACMO 460800 \
asyncmap 2800000 kdebug 7 persist $L0CAL_IP:$REM0TE_IP \
noipdefault netmask $NETMASK defaultroute connect $DIALER_SCRIPT
#exec /usr/sbin/pppd connect $DIALER_SCRIPT
PPP-ON-DIALER:
#！/bin/sh
exec chat ~v\
TIMEOUT 3\
ABORT’\nBUSY\r'\
ABORT’\nN0 ANSWER\r'\
ABORT’\nRINGING\r\n\r\nRINGING\r' \
，，\rAT\
，0K-+++\c-0K' ATHO\
TIMEOUT 30\
OK ATDT*9 肿\
CONNECT ，，
#login:—login: $ACC0UNT\
#password: $PASSW0RD
#sername foo PPP-OFF:
#！/bin/sh
######################################################################
if [= ”” ] ； then
DEVICE=ppp0
else
DEVICE=$1fi
###################################################################### #
if [ -r /var/run/$DEVICE. pid ]； then
kill -INT "cat /var/run/$DEVICE. pid~ if [!"$ "= "0" ]； then
rm -f /var/run/$DEVICE. pid echo "ERROR: Removed stale exit 1
fi
#
#Success. Let pppd clean up its own junk.
echo "PPP link to $DEVICE terminated." exit 0
fi
#
echo "ERROR: PPP link is not active on $DEVICE" exit 1
(4) PPPD拨号参数
配置完成PPP脚本，要接入外网，还需要配置Linux操作系统的PPPD拨号参数，接入广 域网的DNS，还要包括PAP和CHAP的握手协议。
PPPD拨号参数配置文件在options里 defaultroute noipdefault user foo usepeerdns lock
配置DNS文件在resolv. conf文件中 nameserver 211.136.192.6 nameserver 211.139.163.6 PAP握手协议
#client server #"13417591635" #"13417591635" #"13417591635"
foo氺"“氺
CHAP握手协议
#client server secret #〃13417591635〃 〃ppp0〃 "None'
secret
"pppO" "None"
*〃None〃
*"33881155'
IP addresses
IP addresses#"13417591635" * "None" #"13417591635" * "33881155" #13417591635 * 33881155 *
IOO 氺 氺
以上的文件全部配置好之后，交叉编译chat，在pppd目录下并下载到arm中的bin目录。/etc/ppp 目录下 options pap-secrets resolv. conf chap-secrets /etc目录下resolv. conf和上面那个一样的
/root/Desktop/pppsh 目录下 ppp-on ppp-off ppp-on-dialer CP过以后，就直接在ppp-on的文件里运行·/ppp-on即可拨号上网。修改在mini2440的系统下的/etc/init. d/rcS脚本为自启动脚本，修改后的文件 如下
#! /bin/sh
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/usr/local/bin:
runlevel=S
prevlevel=N
umask 022
export PATH runlevel prevlevel #
#Trap CTRL-C &c only in this shell so we can interrupt subprocesses.
#
trap 〃" INT QUIT TSTP
/bin/hostname FriendlyARM
/bin/mount _n _t proc none /proc
/bin/mount _n _t sysfs none /sys
/bin/mount _n _t usbfs none /proc/bus/usb
/bin/mount _t ramfs none /dev
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
/sbin/mdev _s
/bin/hotplug
# mounting file system specified in /etc/fstab mkdir -p /dev/pts mkdir -p /dev/shm
/bin/mount -n -t devpts none /dev/pts _o mode=0622
/bin/mount -n -t tmpfs tmpfs /dev/shm
/bin/mount _n _t ramfs none /tmp
/bin/mount _n _t ramfs none /var
mkdir -p /var/empty
mkdir -p /var/logmkdir -ρ /var/lock mkdir -ρ /var/run mkdir -ρ /var/tmp /sbin/hwclock -s syslogd
/etc/rc.d/init. d/netd start echo 〃
echo "Starting networking... 〃 sleep 1
/etc/rc. d/init. d/httpd start echo 〃
echo "Starting web server...〃 sleep 1
/etc/rc. d/init. d/leds start echo 〃
echo "Starting Ieds service.. echo 〃 sleep 1
/sbin/ifconfig Io 127.0.0.1 /etc/init. d/ifconfig-ethO #This is added sleep 1
/sbin/ifconfig Io down sleep 1
echo 〃ifconfig Io down…〃 > /dev/ttyl sleep 1
/sbin/ifconfig ethO down sleep 1
echo 〃ifconfig ethO down···〃 > /dev/ttyl sleep 1
rm -rf /etc/resolv. conf sleep 1
echo ,,rm -rf /etc/resolv. conf. .. ,, > /dev/ttyl sleep 1
cp /etc/ppp/resolv. conf /etc/ sleep 1
echo cp /etc/ppp/resolv. conf /etc/...〃 > /dev/ttyl sleep 1
/etl28/usb—modeswitch -W
“> /dev/ttyl
>/dev/ttyl
“> /dev/ttyl
>/dev/ttyl
“> /dev/ttyl “> /dev/ttylsleep 1
echo 〃/etl28/usb—modeswitch -W…〃 > /dev/ttyl sleep 5 /pppsh/ppp-on sleep 1
echo "/pppsh/ppp-on. . ." > /dev/ttyl sleep 5
echo "start 3G network, if no seccess，please start it in order…〃 > /dev/ttyl sleep 1 #added end /bin/qtopia &
echo 〃〃 > /dev/ttyl
echo ^Starting Qtopiaj please waiting. . . "> /dev/ttyl 本发明通过在监测点安装水平和垂直方向的位移感应器，精确感应大型建筑物在水平 和垂直方向上的震动，并通过GPS定位和授时装置进行定位和授时，将监测到的准确大型 建筑物震动信息通过3G无线网络发送给控制中心，不受传输介质限制准确及时传输大型 建筑物震动信息，大型建筑物安全监测装置的电源由太阳能供电设备提供，不受电力基础 设施限制。大型建筑物安全监测装置还可以连接视频采集器、计算机、传真和/或电话，可 以将相关数据通过3G无线网络传输给数据中心。 本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
一种基于无线网络的大型建筑物安全监测系统，其特征在于该系统包括大型建筑物安全监测装置，所述大型建筑物安全监测装置分别设置于不同大型建筑物安全监测点以监测对应的大型建筑物安全监测点的建筑物震动；大型建筑物安全监测分站，接收大型建筑物安全监测装置数据并将数据通过3G无线网络传输给大型建筑物安全监测主站；控制中心，分析、处理大型建筑物安全监测主站接收的数据；定位装置，每个大型建筑物安全监测装置均连接有定位装置，所述定位装置中安装位移感应器，所述定位装置用于监测大型建筑物震动，所述分站和主站通过3G无线通信网络进行通信；ARM板，所述ARM板安装于大型建筑物安全监测装置中；卫星定位与授时装置，所述卫星定位与授时装置安装于大型建筑物安全监测装置中；所述大型建筑物安全监测装置还包括位移感应器，所述位移感应器安装在定位装置的水平和垂直方向，分别获得水平和垂直方向的震动。
2.如权利要求1所述的大型建筑物安全监测系统，其特征在于所述大型建筑物安全监 测系统还包括报警装置，所述报警装置连接所述ARM板。
3.如权利要求1所述的大型建筑物安全监测系统，其特征在于所述大型建筑物安全监 测装置连接有包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池组的太阳能供电装置。
4.如权利要求1所述的大型建筑物安全监测系统，其特征在于所述大型建筑物安全监 测系统还包括外部数据采集装置，所述外部数据采集装置连接大型建筑物安全监测装置， 所述外部数据采集装置包括视频采集器、计算机、传真和/或电话。
5.如权利要求1所述的大型建筑物安全监测系统的实现方法，其特征在于所述位移感 应器感应大型建筑物震动，并将震动数据传输给所述分站，同时将卫星定位与授时数据传 输给分站，分站通过3G无线通信网络将数据传输给主站，主站接收数据后存储数据并将数 据传递给控制中心。
6.如权利要求5所述的大型建筑物安全监测系统的实现方法，其实现步骤为所述位 移感应器接收水平和垂直方向的大型建筑物震动，当有位移发生时，传感器采集到来水平X 轴、水平Y轴和垂直方向Z轴的信号，传感器将输出的信号通过IKHz的低通滤波器，然后将 滤波后的信号传送给放大器，放大器将输入的信号放大到lVpp，ARM板将采集到的模拟信 号转换为数字信号，并传送给数据处理中心。
7.如权利要求5所述的大型建筑物安全监测系统的实现方法，其特征在于在监测到位 移感应器的位移后，安装在ARM板上的报警装置同时工作。
8.如权利要求5所述的大型建筑物安全监测系统的实现方法，其特征在于在有日照 的时候，太阳能电池板接收太阳光，把光能转换成电能，经过电池充放电保护芯片后送入 DC-DC转换芯片给大型建筑物安全监测装置供电，把剩余电能传送给蓄电池蓄电；在没有 日照或日照很少时，蓄电池把存储的电能通过电池保护芯片送入DC-DC转换芯片给大型建 筑物安全监测设备供电。
9.如权利要求5所述的大型建筑物安全监测系统的实现方法，其特征在于外部数据采 集装置视频采集器、计算机、传真和/或电话采集数据和信号后，将数据和信号通过3G无线 网络传输给数据中心。
全文摘要
本发明公开一种基于无线网络的大型建筑物安全监测系统，其特征在于该系统包括大型建筑物安全监测装置，所述大型建筑物安全监测装置分别设置于不同大型建筑物安全监测点以监测对应的大型建筑物安全监测点的建筑物震动；本发明通过在监测点安装水平和垂直方向的位移感应器，精确感应大型建筑物在水平和垂直方向上的震动，并通过GPS定位和授时装置进行定位和授时，将监测到的准确大型建筑物震动信息通过3G无线网络发送给控制中心，不受传输介质限制准确及时传输大型建筑物震动信息，大型建筑物安全监测装置的电源由太阳能供电设备提供，不受电力基础设施限制。
文档编号G08C17/02GK101995586SQ20101027028
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者倪国超, 吴伟林, 朱辉, 潘宁波, 王维军, 陈淼林 申请人:成都林海电子有限责任公司