基于物联网技术的山西古建筑健康智能监测系统

2023-09-21范文婷李佳琦赵志超

物联网技术 2023年9期

范文婷，李佳琦，赵志超

（太原科技大学计算机科学与技术学院，山西太原 030024）

0 引言

中国古建筑是中国历史文化重要的见证者，是光彩夺目、风格鲜明的文化瑰宝，是研究包括传统文化史、社会发展史、科学技术史和建筑史等各门历史科学的实物例证[1-3]。其中作为文物大省的山西，所拥有的古建筑数量占据了全国古建筑类文物的七成以上[4]。但由于千百年来岁月的侵蚀，加之当前自然环境的不断恶化，大量古建筑的现状不容乐观，亟需有效保护。近年来，物联网技术不断发展并在各行各业中得到广泛应用，侯绚昕[5]提出了基于物联网技术的建筑物监测预警系统，实现了对城镇老旧建筑的安全预警。李滨[6]研究了物联网技术在高层建筑消防监督管理中的应用。但针对古建筑的安全状态监测还处于初级阶段，充分利用物联网新技术对古建筑进行健康监测和预警保护具有重要研究价值。

本文以山西古建筑为研究对象，运用物联网技术，探讨一种能够远程监控、智能化、持续稳定监测古建筑健康状态的解决方案。

1 山西古建筑健康概况及监测要素

山西古建筑以木材结构为主[7]，木材易腐易燃，且容易受自然因素影响发生变形、裂缝坍塌等。基于以上影响因素，确定山西古建筑健康监测包含两方面安全要素。

（1）环境安全

环境安全监测要素包含环境的温湿度、烟雾浓度、震动。高温环境和较大的温差变化会加速木结构老化，高湿环境会引起木结构的腐朽加剧，破坏木结构古建筑的稳定性。烟雾浓度监测能够预警古建筑火灾隐患。

（2）建筑物自身安全

建筑物自身安全监测要素包含木结构建筑含水率、倾角、裂缝等。含水率反映建筑物的潮湿程度，含水率过大会引起木结构收缩和膨胀以及霉菌的增加，进而使得建筑物发生变质和强度损失。古建筑的倾角、裂缝反映建筑物发生下沉、倾斜、坍塌的概率。

2 基于物联网技术的山西古建筑健康监测系统

2.1 系统总体设计

山西古建筑健康监测系统通过各类传感器实现对建筑物自身和周围环境的监测，以STM32 微处理器为核心，对传感器数据进行处理，通过WiFi 模块将实时监测数据上传至OneNET 云平台，终端系统可以实时查看监测数据并对异常情况进行预警。系统总体结构如图1 所示。

图1 古建筑健康监测系统总体结构

2.2 硬件设计

2.2.1 传感器模块

山西古建筑物健康监测系统所监测的数据主要分为环境信息和建筑物信息两大类。环境信息包括温湿度、烟雾浓度、震动信息；建筑物信息包括木结构建筑含水率、倾斜程度以及裂缝信息等。所采用的传感器见表1 所列。

表1 古建筑健康监测系统传感器规格

2.2.2 STM32 微控制器

山西古建筑物健康监测系统选择ST 公司生产的基于Cortex-M3 内核的32 位微控制器STM32F103ZET6[8]，其具有高性能、低功耗、低成本、数据处理能力强的优势，能够对各传感器采集的数据进行集中处理并上传到云端。

2.2.3 无线通信模块

采用ESP8266 作为山西古建筑物健康监测系统的WiFi通信模块，通过该模块可将各传感器监测到的数据上传到云平台，进行古建筑物健康监测和预警。

2.2.4 OneNET 云平台

OneNET 是一款高效、稳定、安全的移动互联网应用开发平台，可实现各种传感器和硬件通信设备的快速接入，支持多种网络协议通信，能够提供丰富的API 和应用模板以支持对山西古建筑物健康状态的实时监测[9]。

2.3 软件设计

根据图1 所示系统总体结构，可知山西古建筑健康监测系统的软件包括系统主程序、传感器数据采集程序、ESP8266与OneNET 云平台通信程序以及用户端手机APP 程序。

2.3.1 系统主程序

系统主程序选择Keil uVision5 作为开发平台，主程序流程如图2 所示。系统上电后，首先对STM32 开发板和各功能模块进行初始化，包含开发板各引脚初始化、标志位和定时器设置等，并对ESP8266 进行传输配置，开启通信服务。其次读取温湿度、烟雾、震动、含水率、倾斜等数值，经过处理通过ESP8266WiFi 模块上传到云平台，同时手机访问云平台可以在APP 端实时显示监测数据。

图2 古建筑健康监测系统程序流程

2.3.2 ESP8266 与OneNET 云平台通信程序

系统基于MQTT 协议实现WiFi 模块与OneNET 云平台之间的数据通信，MQTT 协议是基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议，可实时查看和获取建筑物健康监测数据。系统在接入云平台时需配置IP 地址、端口号、产品ID、设备ID、网络协议等，并发送AT 指令设置工作模式、串口波特率等，进而接入云平台[10]。

2.3.3 用户端手机APP 软件

手机APP 开发采用Android Studio 平台，包含的功能模块如图3 所示。用户管理包括注册登录模块和权限管理模块，只有满足权限要求并登录之后才能进入监控界面。健康监测功能包括数据显示和智能预警模块；数据显示是对采集到的建筑物环境信息和自身倾斜、裂缝信息等进行显示，并对异常情况进行预警，以保证建筑物安全。