CN105137505A - 一种基于物联网的古建筑监测预警*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的古建筑监测预警***，包括用于监测古建筑环境的无线传感器网络、云端数据服务器、实时监控平台；所述无线传感器网络包括网关节点、部署在古建筑各处的若干个传感节点，传感节点包括传感器模块、接口电路、第一控制器模块、第一无线通信模块；所述的网关节点包括第二无线通信模块、第二控制器模块、网络通信模块。紧密配合协作形成了从信息采集、传输、融合、显示等嵌套式、连贯的处理流程，有效提高了监测古建筑相关环境因素数据在时间上的连续性和空间分布的高效性，同时大大降低了人力物力的成本，能够应对突发的灾害而做出及时的预警，能够对监测数据进行智能分析和判断。

Description

一种基于物联网的古建筑监测预警***

技术领域

本发明涉及物联网技术与古迹保护技术领域，特别是一种基于物联网的古建筑监测预警***。

背景技术

中国古代建筑作为世界的三大建筑体系之一，有着最长久的历史、最广泛的分布区域以及异常鲜明的风格体系，是中国历史文化中重要和宝贵的组成部分。中国拥有数量庞大的古建筑，其中有很多已经被列入了世界文化遗产。然而，随着岁月的侵蚀、各种自然灾害以及近年来日益严重的环境污染问题的影响，古建筑的腐蚀及损坏已经成为一个不可忽视的问题。

目前，古建筑的损坏大致可以归结为形变、霉变、裂缝、坍塌、虫害、风化、脱落等。引起这些损坏的原因比较复杂，是多种环境因素综合作用的结果，例如古建筑建筑材料组成和性质（木质或砖石材料）、温度、湿度、浮尘、可溶性盐、微生物、光照、风向、风速、震动和各种大气污染物，包括含硫、含氮、含酸的气体和气溶胶状态污染物中的光化学烟雾，都可能会对古建筑造成较大的影响。特别是常年处于室外环境中的古建筑更易受到环境污染的影响。类似的例子如全国重点文物保护单位——北京国子监街孔庙内的“进士题名碑林”中的石碑表面近年来由于大气污染和酸雨出现了严重的腐蚀脱落现象。大钟寺的钟刻、故宫的汉白玉栏杆和石刻，以及卢沟桥的石狮等，也都存在不同程度的腐蚀或脱落现象。相反，在空气质量好的地区，古建筑被损害的机会则大大降低，例如福建省东山岛上的关帝庙里极富闽南地方艺术特色的彩瓷剪贴雕，色彩至今鲜艳夺目，很大程度就得益于东山岛上无大型工业，汽车等交通工具也相对较少，空气质量佳，大气污染物少，从而减少了庙壁上色彩被氧化的机会。由此可见，古建筑的周边环境是一种随时间动态变化的复杂状态。

因此，在古建筑的监测体系中，如果反应其实际状态的各种监测数据得不到有效集成和长期分析，就很难总结出古建筑的损坏规律，更谈不上有效地为古建筑的预测性保护制定“量身定做”的决策性依据了。反之，在得到相关数据的基础上，有效的分析，根据其本身材质、所属客观环境所制定得保护方案，也是古建筑保护手段中科学性、标准性的体现。

古建筑由于其自身的特殊性，其所处环境与本体往往需要保持原真性，由于古建筑属于不可移动物质文化遗产，所以其所在客观环境大多不可更变，而其本体则在很多时候连钉子都不允许钉，更何况打眼开槽布管了，所以采用异地保护及有线布线的方法是不可行的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于物联网的古建筑监测预警***，本发明有效提高了监测古建筑相关环境因素数据在时间上的连续性和空间分布的高效性，同时大大降低了人力物力的成本，能够应对突发的灾害而做出及时的预警。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于物联网的古建筑监测预警***，包括用于监测古建筑环境的无线传感器网络、云端数据服务器、报警器、实时监控平台；其中，

所述无线传感器网络包括网关节点、部署在古建筑各处的若干个传感节点，传感节点包括传感器模块、接口电路、第一控制器模块、第一无线通信模块；所述网关节点包括第二无线通信模块、第二控制器模块、网络通信模块；

传感器模块，用来采集环境参数，输出环境参数信号至接口电路；

接口电路，用来放大环境参数信号，并将放大后的环境参数信号转换成数字信号至第一控制器模块；

第一控制器模块，用来对接收的数字信号进行处理，输出处理后的第一数据至无线通信模块；

第一无线通信模块，用来将处理后的第一数据输出至第二无线通信模块；

第二无线通信模块，用来将接收的第一数据输出至第二控制器模块；

第二控制器模块，用来对接收的第一数据进行处理，输出第二数据至网络通信模块；

网络通信模块，用来将收到的第二数据输出至云端数据服务器；

云端数据服务器，用来对接收到的第二数据进行融合处理，输出融合处理后的数据至实时监控平台；当融合处理后的数据超过预设的报警阈值时，输出报警信号至报警器；

实时监控平台，用来将接收的融合处理后的数据进行实时更新和显示。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述实时监控平台包括PC端监控***和移动终端监控***，其中，PC端监控***用来查询古建筑所处环境的参数信息；移动终端监控***用来实时查看监测信息。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述无线传感器网络为星型或者网状网络。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述环境参数为温度、湿度、PM2.5浓度、光照强度、震动、风速、含硫和含氮气体浓度、二氧化碳浓度。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述传感器模块为温度传感器、湿度传感器、PM2.5浓度传感器、光照强度传感器、震动传感器、风速传感器、测量含硫和含氮气体浓度传感器、测量二氧化碳浓度传感器。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述第一控制器模块为Atmel公司的AVR单片机Atmega328。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块均为TI公司的CC2530芯片。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述第二控制器模块为ARM10处理器。

作为本发明所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***进一步优化方案，所述网络通信模块为WiFi或者4G网络扩展板。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明通过无线传感器网络实现各节点之间的通信，无需布线，结构简单，安装维护简便；

（2）本发明采用的是低成本高性能的解决方案，性价比高；

（3）本发明以古建筑的结构及材料性质等方面作为出发点进行设计，设计合理，实时性好，用户可以通过多种方式实现对古建筑周围环境的相关参数的监测；

（4）本发明采用模块化设计的思想，可扩展性强，并且可按照用户的实际需求进行模块化订制；

（5）本发明实现了控制中心和位于古建筑的管理工作人员的实时交互，提高了效率，同时操作简单。

附图说明

图1为基于物联网的古建筑环境监测无线传感器网络的传感节点的结构图。

图2为基于物联网的古建筑监测预警***原理图。

图3为基于物联网的古建筑环境监测无线传感器网络的网状网络拓扑图。

图4为基于物联网的古建筑监测预警***的采集和传送数据的流程图。

图5为监控中心对古建筑的环境进行实时监控的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明中设计的***包括用于监测古建筑环境的无线传感器网络、云端数据服务器、实时监控平台；其中，

所述无线传感器网络包括网关节点、部署在古建筑各处的若干个传感节点，传感节点包括传感器模块、接口电路、第一控制器模块、第一无线通信模块；所述网关节点包括第二无线通信模块、第二控制器模块、网络通信模块；

传感器模块，用来采集环境参数，输出环境参数信号至接口电路；

接口电路，用来放大环境参数信号，并将放大后的环境参数信号转换成数字信号至第一控制器模块；

第一控制器模块，用来对接收的数字信号进行处理，输出处理后的第一数据至无线通信模块；；

第一无线通信模块，用来将处理后的第一数据输出至第二无线通信模块；

第二无线通信模块，用来将接收的第一数据输出至第二控制器模块；第二控制器模块，用来对接收的第一数据进行处理，输出第二数据至网络通信模块；

网络通信模块，用来将收到的第二数据输出至云端数据服务器；

云端数据服务器，用来对接收到的第二数据进行融合处理，输出融合处理后的数据至实时监控平台；

实时监控平台，用来将接收的融合处理后的数据进行实时更新和显示。

所述实时监控平台包括PC端监控***和移动终端监控***，其中，PC端监控***用来查询古建筑所处环境的参数信息；移动终端监控***用来实时查看监测信息。

所述无线传感器网络为星型或者网状网络。

所述环境参数为温度、湿度、PM2.5浓度、光照强度、震动、风速、含硫和含氮气体浓度、二氧化碳浓度。

所述传感器模块为温度传感器、湿度传感器、PM2.5浓度传感器、光照强度传感器、震动传感器、风速传感器、测量含硫和含氮气体浓度传感器、测量二氧化碳浓度传感器。

所述第一控制器模块为Atmel公司的AVR单片机Atmega328。

所述第一无线通信模块、第二无线通信模块均为TI公司的CC2530芯片，通过采用IEEE802.15.4标准的Zigbee技术，可以在节点之间形成自组织网络（例如网状网络、星型网络和树状网络）。无线通信模块一方面通过串口与控制器模块相连，接收控制器模块传来的已处理过的数据，另一方面将数据通过自组织网络选择合适的路径上传至网关节点。

所述第二控制器模块为ARM10处理器。

所述网络通信模块为WiFi或者4G网络扩展板；以便适应不同的网络环境。该模块负责完成网络层的功能，将从控制器模块收到的数据上传至互联网上的云端数据服务器进行融合处理。

所述的云端数据服务器采用SaaS构架，具体包括：Web服务器、隔离层、服务层、数据库。所述的Web服务器与所述的隔离层相连；所述的隔离层与所述的服务层相连；所述的服务层与所述的数据库相连。

所述的Web服务器包括人机交互Web渲染模块和人机交互Web服务模块。其主要功能是提供网上信息浏览服务以及根据不同租户提供个性化服务。

所述的隔离层包括网络安全保障模块和负载均衡器。隔离层目的是确保隔离有害的攻击，保证在可信网络内部信息不外泄的前提下完成网络之间数据的安全通信。

所述的服务层包括安全服务模块、租户编号的核心模块和元数据服务模块。其中安全服务模块提供用户登录的安全、数据传输的安全和数据存储的安全。租户编号的核心模块可以被元数据服务模块所调用，根据不同的租户编号通过与集中式用户账户数据库中的数据进行比对来实现对数据的调用。元数据服务模块则是通过核心模块以及用户自定义数据来访问共享数据库。

所述的数据库包括集中式租户账户数据库、共享数据库和集中式租户元数据数据库。其中，集中式租户账户数据库用来存放注册租户的基本信息。共享数据库根据租户编号来存放业务数据。集中式租户元数据数据库存储实体的详细信息。

所述的实时监控平台对云端数据服务器上传的数据进行实时更新和显示，并支持用户的自定义设置。具体包括PC端监控***和移动终端监控***。

所述的PC端监控***是通过VC或者Labview等软件在PC端设计编写的图形用户界面。用户可以通过PC端监控界面详细查询古建筑所处环境的各种详细参数信息，并且支持用户设置报警阈值、下载数据等功能。

所述的移动终端监控***是在Andriod***下利用JAVA语言编写的软件。用户可以利用手机等智能终端设备通过软件方便及时地查看相关的监测信息。

本发明的实现步骤如下：

步骤1）搭建基于物联网的古建筑环境监测网络：通过电路设计将终端的传感节点与相关的传感器进行连接。在古建筑的不同区域和位置部署若干个传感节点，其中的每个传感节点都拥有唯一的ID号用于识别。同时布置一个网关节点承担网络建立和数据汇聚的功能。

步骤2）搭建云端数据服务器：租户请求通过Web服务器的解析后，利用网络安全保障模块过滤掉一些攻击，当访问量过大时采用各种分配算法把网络请求分散到服务器集群中的可用服务器上去。当租户请求的信息流到达基于租户编号的核心模块，此模块将租户的用户名及密码和集中式租户账户数据库中的信息进行比对。元数据服务模块利用对比结果以及用户自定义的数据来访问共享数据库中的业务数据，此后通过元数据驱动访问集中式租户元数据数据库得到租户需要的存储实体的详细信息。

步骤3）搭建PC端的监控***：管理员和用户可以通过PC端的监控***来监测上传到云端数据服务器的各项数据，并可通过设置阈值来启动PC端监控软件的报警功能。

步骤4）搭建基于Andriod平台移动终端的实时监控***：利用JAVA语言开发一套基于Andriod平台的古建筑环境监控软件，在每位用户的手机上进行安装。用户可通过该软件进行实时的监测和控制。

步骤5）基于物联网的古建筑环境监测网络的实现：网关节点首先建立星型或者网状网络，每个传感节点在完成组网后通过相连的检测环境参数的传感器按照指定的时间间隔采集信号，随后将信号通过放大、模数变换等处理后得到原始数据，接着按照预先定义的帧格式重新组帧后将数据按照路由指定的路径发送给网关节点。

步骤6）实时监测***的实现：网关节点通过WIFI连接上网络将数据上传至云端数据服务器，用户便可通过PC端监控***利用电脑查看监控信息，或者利用移动终端监控***通过手机或者平板电脑进行方便快捷的查看。一旦古建筑所处的环境的参数出现异常情况，用户还可通过电脑或手机收到实时的警报。

如图1所示，包括用于监测古建筑环境的无线传感器网络、云端数据服务器、实时监控平台；其中，所述无线传感器网络包括网关节点、部署在古建筑各处的若干个传感节点，传感节点包括传感器模块、接口电路、第一控制器模块、第一无线通信模块；所述网关节点包括第二无线通信模块、第二控制器模块、网络通信模块；

基于物联网的古建筑环境监测无线传感器网络的工作过程如下：如图2所示将网关节点和传感节点部署在古建筑的各处监测点后，首先网关节点建立并组网成功，接着传感节点加入网络，形成星型网络或是网状网络，其中每个传感节点都会有一个唯一的ID号。初始化组网完成以后，分布在古建筑各处的传感节点通过相关的传感器采集温度、湿度、PM2.5浓度、光照强度、震动、风速、含硫和含氮气体浓度、二氧化碳浓度等环境参数数据，并按照设定的采样频率（初始采样频率设为每隔5秒采样一次）将实时的采样数据进行A/D变换后，将自己的ID号和各种环境参数数据按照预定的帧格式进行组帧后发送给网关节点。如果监测的古建筑的面积不大，网关节点和传感节点可以在一跳的范围内进行通信，则采用星型网络的拓扑结构，否则将采用如图3所示的网状网络进行通信，此时有一部分传感节点将要同时承担路由节点的功能。路由节点首先判断下一跳是否为网关节点，若是则将数据传送给网关节点，否则按照路由协议的规则将数据转发至下一跳的路由节点，经过多次转发后将数据传送至网关节点。网关节点接收到数据后将发给传感节点一个反馈确认的响应信号告知其已收到数据。基于物联网的古建筑环境监测无线传感器网络的整个工作流程如图4所示。

如图5所示，当接收到网关节点发送来的古建筑的各项环境数据后，云端数据服务器将数据存储在数据库中，并运行各种应用程序和管理软件从数据库中提取采集的数据进行处理，按照节点的ID号对古建筑的环境参数进行汇总分析。同时为了满足用户的个性化需求，云端数据服务器还将可以接受用户的需求定制。正常状态下，监控中心的工作人员可以设定云端数据服务器自动检测监测数据是否出现异常，如果有异常情况，就立即发出预警并报告工作人员及时处理。工作人员还可以选择使用实时监控平台使用PC或者智能移动终端对古建筑的环境数据进行实时监测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，包括用于监测古建筑环境的无线传感器网络、云端数据服务器、报警器、实时监控平台；其中，

所述无线传感器网络包括网关节点、部署在古建筑各处的若干个传感节点，传感节点包括传感器模块、接口电路、第一控制器模块、第一无线通信模块；所述网关节点包括第二无线通信模块、第二控制器模块、网络通信模块；

传感器模块，用来采集环境参数，输出环境参数信号至接口电路；

接口电路，用来放大环境参数信号，并将放大后的环境参数信号转换成数字信号至第一控制器模块；

第一控制器模块，用来对接收的数字信号进行处理，输出处理后的第一数据至无线通信模块；

第一无线通信模块，用来将处理后的第一数据输出至第二无线通信模块；

第二无线通信模块，用来将接收的第一数据输出至第二控制器模块；

第二控制器模块，用来对接收的第一数据进行处理，输出第二数据至网络通信模块；

网络通信模块，用来将收到的第二数据输出至云端数据服务器；

云端数据服务器，用来对接收到的第二数据进行融合处理，输出融合处理后的数据至实时监控平台；当融合处理后的数据超过预设的报警阈值时，输出报警信号至报警器；

实时监控平台，用来将接收的融合处理后的数据进行实时更新和显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述实时监控平台包括PC端监控***和移动终端监控***，其中，PC端监控***用来查询古建筑所处环境的参数信息；移动终端监控***用来实时查看监测信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述无线传感器网络为星型或者网状网络。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述环境参数为温度、湿度、PM2.5浓度、光照强度、震动、风速、含硫和含氮气体浓度、二氧化碳浓度。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述传感器模块为温度传感器、湿度传感器、PM2.5浓度传感器、光照强度传感器、震动传感器、风速传感器、测量含硫和含氮气体浓度传感器、测量二氧化碳浓度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述第一控制器模块为Atmel公司的AVR单片机Atmega328。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块均为TI公司的CC2530芯片。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述第二控制器模块为ARM10处理器。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的古建筑监测预警***，其特征在于，所述网络通信模块为WiFi或者4G网络扩展板。