基于单片机技术的超高层建筑倾斜监测系统

贾俊伟 龚 威

(天津城市建设学院计算机与信息工程学院，天津 300384)

0 引言

随着产业革命及人口的增长，加剧了城市化的进程，为了在有限的城区面积中提供更多的使用面积，建筑开始向更高的空间发展.经济的不断增长及对效率的追求令现代化高层建筑越来越高在过去向上空发展被认为是代表“神”，而高塔则被认为是地标的象征，是超越日常生活的权力，高塔的垂直向上，是代表着一种精神的象征.而今像高空发展已经演变为政治与经济的综合行为，我们有许多理由相信，摩天大厦将是都市未来的基本要素，同时认为都市结构与现代高楼两者密不可分.

“高层建筑”英语称high－rise路或tall Building，最初出现的高层建筑被称为“摩天楼”(skyscraper)，德语为“凌云厦”(Wolkenkratzer)，它们以不同的意味表达，接近高空含意.“摩天楼”一词在沙利文(Louis Sullivan)于1896年的论述“高层办公大楼的艺术考虑”(The Tall office Building Artistically Considered，)一文中有所注解，他的解答很简单，“一幢很高的建筑物”，但仍有“相当大的自由度”，是“一种自豪而飞翔的东西”.早先的摩天楼其实并不高，究竟多少层以上或多高的建筑称为高层建筑，世界各国基于本国的经济条件及消防装备等具体情况，对高层建筑起始高度的定义并不一致.

1972年，国际高层会议在对高层建筑的定义上取得了较统一的认识，并把高层建筑分为4类:①9～16层(50 m以下);②17～25层(75 m以下);③26～40层(100 m以下);④40层以上(超过100 m).如近年美国著名结构工程师查尔斯·汤顿(Charles H.Thornton)认为:40层以下(500英尺或164米以下)为高层建筑(High－rise);40～100层(500～1 200英尺或164 m～393 m)为中高层建筑(Tall Building);100层以上(1 200英尺或393 m以上)为超高层建筑(Super Tall Building).

1995年，我国修订了原有的《高层民用建筑防火规范》(GBJ45－82)，新的《高规》(GB50045－95)仍然规定10层及10层以上的居住建筑及高度超过24m的公共建筑为高层建筑，但删除了原有防火规范不适用于100 m以上的高层建筑的规定，新增加了“当高层建筑高度超过250 m时，建筑设计采取的特殊防火措施，应提交国家消防主管部门组织专题研究、论证”的内容.我国第一幢超过100 m的高层建筑是1976年建造的广州白云宾馆，33层，高108 m，之后除了1983年的南京金陵饭店高109 m以外，直到1985年才有一幢真正高度意义上的超高层建筑——深圳的国贸中心大厦，50层，高160 m.目前，我们一般仍习惯于将100 m以上的高层建筑称为超高层建筑.但由于防火能力的提高，显然100 m早已不是限制我国高层建筑发展的高度界限了.

今天，超过100 m的建筑数不胜数，建筑物不论从结构还是设备施工上均无明显化.对于超高层建筑高度的界定，不能简单按新《高规》所提到的250 m为界.从高层建筑的技术构成上分析，随着建筑高度的持续增加，同时结合房屋的具体形状，其设计概念将面临严峻的考验.

超高层建筑主要受以下因素影响:风对建筑物变形及晃动的影响;地质运动;土质的松动;建筑物本身结构问题，材料受雨水等腐蚀产生变形、倾斜.当然，高层及超高层建筑物的晃动也是随之而来的一个不可避免的话题，这种晃动在某种程度上极大地影响建筑物本身的使用寿命及安全.

在某一超高层建筑上可以架设4台同样的装置，这样在这一地区的高层建筑物上都安放这样的装置，并分别进行编号.这样，不仅可以对此建筑群进行系统性分析，而且可以对这一地区的地质运动，风力风向等自然规律进行数据统计，分析出运动模型，对今后的建筑业的发展也有一个规划参考价值.

1 系统组成框图

本装置可用于检测建筑物的倾斜度，当建筑物倾斜度达到其设定值时，发出报警.同时利用液晶实时显示当前的状态，包括时间，达到某个倾角的次数，风速风向以及温湿度等信息，并存储记录下来.监控中心通过上位机实时监控超高层建筑的倾斜情况.

图1 系统组成框图

超高层建筑物倾斜检测装置还具有地震预警的效果，一旦发生大晃动(设定出类似于地震爆发的模型，数据模拟的方式)，则发出特殊的报警铃声，提醒人们及时作出防备工作，为人们争取宝贵的时间，逃离高层建筑，尽量减少人员伤亡和财产保护.

数据采集正常是半年或者是一个季度采集一次，便于统计，预测建筑物的使用年限，及时修整采取补救措施等等，提供建设性意见供参考.

于是本文创新性地引入几个影响建筑物倾斜的因素，加以检测，依据国家及国际的一些标准规范，进行早期预警，数据统计，为维护建筑物，预测使用年限提供具体的数据依据，提供参考性意见.相信像比萨斜塔这样的建筑悲剧就不会重演了.系统组成框图如图1所示.

2 硬件部分设计

HT46RU232作为微控制器，主要与传感器，液晶显示以及上位机进行通信［2］.

(1)CPU.盛群单片机HT46RU232，是8位高性能精简指令单片机，专门为需要A/D转换产品而设计，例如传感器信号输入.HT46RU232是低功耗、低成本、高性能的八位单片机，最多可有40个双向输入/输出口，方便多个外围芯片与其通信.内置晶体和RC振荡电路，和为系统提供时钟.一个8位和2个16位可编程定时/计数器，4096*16程序存储器ROM，192*8数据存储器RAM［3］;

(2)风速、风向检测.符合气象标准的大风车，速度传感器(可以使用光栅传感器，霍尔元件等);符合气象标准的风向标，利用A/D转换得出纵向和横向的值，分析出坐标风向指示;

图2 WQ 36－10输出曲线图

(3)倾角检测.高精度倾角传感器WQ 36－10(2个，分别为横向和纵向)，精度达到0.01°.该传感器采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无电接触点的测量倾斜角度.具有体积小、灵敏度高、精度高、寿命长、抗振动、耐环境污染(耐水，油和各种恶劣环境)，特别适合用于运动频繁场合的水平姿态角度的测控和平面定位等工作场合.本传感器正向垂直安装，标签的指示箭头垂直指向地心时，为输出电中点，电压值为1/2 Vin(如5 V时2.5 V).可以在外部压环紧固前，转动

传感器，微调起始角度位置，然后再将压环上紧.传感器按逆时针方向转动，输出电压增大，输出信号约0.5 V～4.5 V.WQ 36－10输出曲线图如图2所示.角度传感器的工作电压为直流5 V，与单片机连接时须通过DC/DC电压转换;

(4)温度、湿度检测.温度传感器DS 18 B 20和湿度传感器.DSl 820数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度.特性:独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信多点(multidrop)能力使分布式温度检测应用得以简化，不需要外部元件;可用数据线供电;不需备份电源;测量范围从－55℃ ～+125℃，增量值为0.5℃.以9位数字值方式读出温度;在1s(典型值)内把温度变换为数字;用户可定义的非易失性的温度告警设置;告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件(温度告警情况);

(5)数据采集.通过上位机存储采集数据，便于管理、统计，绘制建筑物的晃动曲线图与受力曲线，根据当地实情(风力，温度，湿度，风向，雨水情况等)，提出参考性意见.这种数据约半年或者一个季度采集一次，由微型打印机输出固定标准式数据形式，便于携带和管理.同时，消除存储器以前的记录，让出足够的空间存储以后的数据.上位机有大量的存储空间，存储设定值倾角的次数统计量以及时间(注:一般设定值不显示1°的情况，同时也不进行存储，微小的晃动属于国家标准的，也是为了减少数据的存储量，防止出现数据量过大，无法存储有用信息的情况发生);

(6)显示输出.大液晶显示240*128(包括当前的温湿度，横纵向倾角，达到设定值如2°，3°，4°，5°的次数，风向风速，装置编号等信息)［4］;

(7)报警设置.①超过某倾角(例如国家标准中建筑物最大承受倾角JGJ 3－2002工程建设标准－工程建设行业标准－建筑工程，高层建筑混凝土结构技术规程)3次报警，有可能由于风力晃动，温湿度影响建筑物的结构提出撤离提示;②瞬间晃动大于一定倾角(类似于地震前的震荡波)，即使出现一次也需报警，提出地震预警.当然也可能出现人为作用(无意间碰到或者撞到)，提醒维护人员前去查看，检修.

3 系统软件部分设计

本系统软件部分主要采用.NET开发平台，采用C语言设计［5］，软件设计主要包括系统初始化、触发蜂鸣器设计以及读入串口信息设计.计算机程序界面如图3所示;装置正常运行流程如图4所示;人工采集数据流程如图5所示.

装置正常运行时:装置处于运行状态，不断检测当前风速，风向，温湿度，倾斜角度(横向，纵向)，这些量都是进过A/D转换得到的.时钟正常运行，并记录存储下当前到达某一设定倾角值的次数.一旦某一时刻超出建筑物的最大承受倾斜角度，或者是达到某一设定倾斜角超过一定次数，则发出报警提示，并记录存储当前时间及倾角值等一系列状态.

图3 计算机程序界面

图4 装置正常运行流程

图5 人工采集数据流程

4 结论

本文引入了几个影响建筑物倾斜的因素，加以检测，并达到监控中心的实时监测.依据国家及国际的相关标准规范，例如GB50009－2001(2006年版)工程建设标准－工程建设国家标准，JGJ8－2007工程建设标准－工程建设行业标准－建筑工程，建筑结构荷载规范(GB50009－2001)等，对建筑物进行早期预警，数据统计，预测使用年限提供具体的数据依据.

当然，这种检测装置不仅可以应用在建筑物上，还可以装置在电视塔、无线电发射基站上等，应用前景十分广阔.

［1］李学海.PIC单片机实用教程基础篇［M］.北京:北京航空航大学出版社，2002:46－51.

［2］沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003:65－87.

［3］张 鹏，石 鑫，应 俊.HOLTEK HT46系列单片机C语言实例教程［M］.北京:北京邮电大学出版社，2010:33－45.

［4］樊俊霞，李新娥.基于单片机的热敏阻温度计的设计［J］.科技信息，2011(18):84.

［5］石利情，姚永涛.关于高层建筑沉降及倾斜监测［J］.科技创新导报，2012(18):30－31.