一种基于无线传感器网络的建筑物安全监测系统的制作方法

本发明涉及建筑物安全监测，具体涉及一种基于无线传感器网络的建筑物安全监测系统。

背景技术：

1、在随着全球城市化进程的加速，各种大型建筑物、桥梁、隧道和其他基础设施的建设日益增多。这些复杂的结构物在其使用寿命期间，可能会因为多种原因，如地震、风荷载、材料老化、过度使用和其他外部因素，而遭受损害。为了确保这些建筑物的安全性和延长其使用寿命，进行持续和实时的结构安全监测变得至关重要。

2、传统的建筑物安全监测方法通常依赖于有线传感器系统，这些系统涉及大量的布线和复杂的数据采集和处理设备。这些传感器通常被安装在建筑物的关键部位，如支撑结构、墙壁和地基，以监测其受力情况、位移、震动等参数。虽然这些传感器可以提供高精度的数据，但其安装和维护成本昂贵，而且限制了监测覆盖范围和实时性。

3、无线传感器网络(wireless sensornetworks，wsn)的出现引入了一种更具前瞻性和经济效益的方法，用于建筑物安全监测。wsn由分布在建筑物内部或附近的无线传感器节点组成，这些节点能够自动配置、自组织和协同工作，以收集和传输各种数据类型，如温度、湿度、振动、应力和位移等。与有线系统相比，wsn无需布线，安装过程更为简单和快速；无线传感器比有线传感器更便宜，而且由于安装和维护成本的降低，整体的系统成本也更为经济；当需要增加监测点或扩大监测范围时，只需增加新的传感器节点，无需进行复杂的重新布线和配置。

4、然而，尽管wsn具有上述优点，但在建筑物安全监测应用中仍然面临一些技术挑战。首先，由于传感器节点通常由电池供电，如何有效管理能源以延长网络的寿命成为一个关键问题。其次，确保数据的实时性和准确性也是至关重要的，特别是在对建筑物的安全性进行评估时。此外，网络的稳定性、数据的安全性和传感器的校准也是需要解决的重要问题。

5、同时，数据的精确性并不仅仅涉及传感器节点的数据采集，还包括对数据的分析和解释。因此，建筑物安全监测系统需要强大的数据分析算法，能够从传感器生成的大量数据中提取有用的信息，准确评估结构的安全性，并及时发出警报或建议。

6、已有公开发明申请号为2012100425074，授权公告号为cn102607644b提供了一种能够实时在线连续监测建筑施工过程中的结构变化的系统，通过与主机连接的若干采集单元，系统能够自动采集和记录传感器单元和竖向位移测量单元的测量数据。然而该专利也存在一些不足之处。例如，该系统并没有包括数据分析算法，使监测人员能够更容易地分析和解释监测数据，从中提取有用的信息,如果监测系统依赖电源供应，那么断电或电源故障可能会导致监测中断，降低了实时性。

7、已有公开发明申请号为201910894086x，授权公告号为cn110397298b采用了一种综合的监测方法，结合了无人机和wsn能够提供更全面、多角度的建筑健康监测数据，然而，该专利也存在一些不足之处。例如，该发明依赖于无人机和wsn设备的可靠性和稳定性。如果这些设备出现故障或损坏，监测系统可能会中断，影响实时监测，且无人机的航程和续航时间可能会限制监测的范围。对于大型建筑物或广阔区域，可能需要多个无人机或频繁的充电/更换电池。

8、综上所述，开发一种基于无线传感器网络的建筑物安全监测系统，能够充分利用wsn的优势，同时克服其技术挑战，并结合数据分析算法，对于提高建筑物的安全性和延长其使用寿命具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术所指出的不足，本发明提供了一种基于无线传感器网络(wsn)的建筑物安全监测系统，旨在实现对建筑物结构的实时、高效和准确的安全监测。

2、以下是本发明的主要组成部分和功能：传感器节点：本系统采用多种传感器，如加速度计、应变计、温度传感器和湿度传感器，以监测建筑物的各种物理参数，每个传感器节点都配备了一个小型太阳能板和电池，确保在无外部电源的情况下也能持续工作，传感器节点内置微处理器，对原始数据进行初步处理和分析，从而减少需要传输的数据量；通信模块：传感器节点之间形成一个自组织的无线网络，确保数据在复杂的建筑环境中可靠地传输，通过互联网或移动网络，用户远程访问系统，实时查看监测数据和分析结果；中央处理单元：通过无线方式接收来自各传感器节点的数据，利用算法和模型，对收集的数据进行深入分析，以评估建筑物的安全状况，当检测到潜在的结构问题或超出预定阈值的参数时，系统会自动触发报警，通知相关人员；用户界面：提供直观的图形界面，显示建筑物的三维模型和各监测点的数据。用户可以查询和回放历史监测数据，以分析建筑物的长期变化趋势，允许用户自定义监测参数的阈值，以满足不同的监测需求；安全与加密：为确保数据的安全性，所有传输的数据都进行加密处理，只有经过授权的用户才能访问系统，确保数据的隐私性和完整性。

3、具体的，系统采用多种传感器，如加速度计、应变计、温度传感器和湿度传感器，以监测建筑物的各种物理参数。

4、其中，加速度计利用质点受到加速度时的惯性作用，测量物体的加速度，主要用于监测建筑物在风荷载或地震等外部力作用下的振动响应，通过分析这些数据，可以评估建筑物的动态特性和结构健康状况。

5、当材料受到外部力的作用时，会产生形变。应变计可以测量这种形变，从而得到应变值。主要用于监测建筑物的静态和动态应变，如裂缝的形成和扩展、梁和柱的弯曲等。这些数据对于评估结构的安全性和预测潜在的结构问题至关重要。

6、温度传感器利用材料的热敏特性，如电阻的温度系数，测量温度。监测建筑物内外的温度变化，这对于评估材料的老化、热膨胀和收缩等因素至关重要。

7、湿度传感器利用材料对湿度变化的敏感性，如电容的湿度系数，测量相对湿度。监测建筑物内外的湿度变化，这有助于评估结构材料的腐蚀、霉变和其他与湿度相关的问题。

8、每个传感器节点都配备了一个小型太阳能板和电池作为能源管理，小型太阳能板利用光伏效应，将太阳光转化为电能，具有自我充电能力，适合户外环境，可以有效地延长传感器节点的工作时间。而电池采用高能量密度的锂离子电池或锂聚合物电池，具有长寿命、低自放电率和高充电效率，确保传感器节点在无太阳能供电的情况下也能持续工作。

9、传感器节点内置微处理器，对原始数据进行初步处理和分析，从而减少需要传输的数据量，本发明采用低功耗、高性能的嵌入式微处理器，能周期性地从各传感器收集数据，对数据进行噪声滤波、异常值检测和基本统计分析，且在内置的闪存中存储一定量的数据，以备后续查询或在通信中断时的数据备份。

10、具体的，通信模块中，传感器节点在部署后会自动搜索附近的其他节点，并与之建立连接，形成一个多跳的无线网络，根据网络的实时状况，自动选择最佳的数据传输路径，当某个节点失效或通信中断时，网络会自动重新组织，确保数据的连续性和完整性，所有传输的数据都进行加密处理，防止被窃取或篡改。通过互联网或移动网络，经过授权的用户能远程访问系统，实时查看监测数据和分析结果，并接收来自远程用户的命令，并转发到传感器网络，如修改参数、请求特定数据等。

11、具体的，中央处理单元将采用高频率的无线通信技术，如wi-fi、lora或zigbee，来接收传感器节点发送的数据，确保大量的传感器节点数据能够实时传输，在复杂的建筑环境中数据传输的稳定性，同时所有传输的数据都进行加密处理，防止数据被窃取或篡改。并使用高速ram或ssd作为缓存，暂存接收到的数据，确保数据的连续性和完整性，为后续的数据分析提供支持。

12、利用数据分析算法和模型，如机器学习、时间序列分析和频域分析，对收集的数据进行深入分析，以此监测建筑物的长期变化趋势，如结构沉降、裂缝扩展等；实时检测数据中的异常值，如突然的振动、温度或湿度的急剧变化等；结合建筑物的设计参数和实时监测数据，评估其结构健康状况。并采用关系型或时序型数据库，如mysql、postgresql或influxdb，长期存储收集的数据和分析结果，支持高效的数据查询和回放。

13、其中，机器学习是一种数据驱动的方法，通过训练模型来自动学习数据的模式和规律，然后用这些模型对新数据进行分类、回归或异常检测。在建筑物安全监测中，机器学习算法可以用于以下方面：异常检测：使用无监督学习算法，如基于聚类的方法或自编码器，来检测传感器数据中的异常值，例如突发的振动或温度异常；趋势分析：利用时间序列预测模型，如arima(自回归集成滑动平均模型)或prophet，来预测建筑物参数的未来趋势，如结构沉降或温度变化；分类：使用监督学习算法，如决策树或随机森林，来对建筑物的健康状态进行分类，例如正常、需要维修或需要进一步监测。

14、时间序列分析是一种专门用于处理按时间顺序排列的数据点的统计方法。它包括分析数据的周期性、趋势、季节性和噪声等成分。在建筑物安全监测中，时间序列分析可以用于以下方面：趋势分析：使用移动平均或指数平滑等技术来捕捉建筑物参数的长期趋势，以便检测结构沉降或其他潜在问题；周期性分析：通过傅立叶变换或自相关函数，分析数据是否存在明显的周期性，如季节性振动；异常检测：通过统计方法，识别异常点或异常模式，从而警示可能的问题。

15、频域分析是一种将信号分解为不同频率成分的方法。它通常涉及傅立叶变换或小波分析等技术。在建筑物安全监测中，频域分析可以用于以下方面：振动分析：通过傅立叶变换，将振动信号分解为不同频率的成分，以识别可能的结构振动模式，例如地震引起的振动；共振检测：通过频域分析，确定建筑物是否处于共振状态，从而识别结构可能的危险情况；频谱分析：分析传感器数据的频谱，以确定频率域上的异常或异常峰值，指示潜在问题。

16、本系统允许用户根据建筑物的特性和使用环境，自定义各种监测参数的阈值。当检测到潜在的结构问题或超出预定阈值的参数时，系统会自动触发报警，支持声音、灯光、短信、邮件等多种报警方式，并根据问题的严重性，通知不同级别的人员，如一般问题通知维护人员，重大问题通知管理层，同时记录所有的通知事件，确保问题得到及时处理。

17、具体的，用户界面提供直观的图形界面，如利用现代的图形渲染技术，展示建筑物的三维模型，用户可以自由旋转、缩放和平移模型，查看建筑物的各个部分，各个监测点的位置都会显示相应的实时数据，如温度、湿度、振动等，并根据数据的大小和重要性，使用不同的颜色和图标，使用户能够快速识别潜在的问题区域。也提供多种图表类型，如曲线图、柱状图、饼图和热力图，根据收到的实时数据自动更新，用户可以选择多个监测点或时间段，对数据进行对比分析。

18、本系统提供一个简洁的查询界面，用户可以输入查询条件，如时间范围、监测点和参数类型，根据用户的查询条件，从数据库中检索相应的历史数据，并在界面上进行展示，支持将查询结果导出为常见的文件格式，如csv、excel和pdf，以供进一步分析和分享。

19、具体的，为确保数据的安全性，所有传输的数据都进行加密处理，具体可以分为传输层加密和端到端加密。使用加密算法对数据进行加密，确保数据在传输过程中的安全性，使用如tls/ssl，这是一种广泛使用的安全协议，用于在互联网上保护数据传输的安全性，它不仅可以加密数据，还可以验证服务器和客户端的身份；使用如diffie-hellman或ecdhe算法，确保密钥的安全交换，使得即使通信被监听，攻击者也无法解密数据。数据在源端被加密，并在目标端被解密，确保数据在整个传输和存储过程中的安全性，使用对称加密如aes和blowfish，使用相同的密钥进行加密和解密，适用于大量数据的加密，使用非对称加密如rsa和ecc，使用一对公钥和私钥，公钥用于加密，私钥用于解密，适用于密钥和敏感信息的加密。

20、同时进行访问控制，确保只有合法的用户才能访问系统。最基本的身份验证方法，用户需要输入预先设置的用户名和密码，还需要提供其他的身份验证信息，如短信验证码、指纹或面部识别。根据用户的角色，为其分配不同的访问权限，如管理员、维护人员和普通用户，每种角色都有其特定的权限和限制，系统管理员可以为每种角色配置其可以访问的资源和操作，如查看数据、修改参数和管理用户。并对敏感数据进行脱敏和匿名化处理，确保用户的隐私不被泄露，如将具体的位置信息替换为大致的区域，将具体的数值替换为范围，或使用唯一的id替代用户的真实姓名和联系信息。