基于GNSS的建筑物沉降监测系统设计*

李 哲 候建军 王箫扬

（1.西安邮电大学电子工程学院 西安 710121）（2.延安大学物理与电子信息学院 延安 716000）

1 引言

随着社会、经济的进步发展，土地资源变得越来越紧张，多数山地城市和沿海城市为缓解土地紧张而开展填海造地和削山造城工程，由于地质环境复杂，面临着严重的地质灾害问题，尤其是地面沉降灾害。由地面沉降引起的不均匀沉降等问题将会对基础设施、工民建筑等直接产生影响，带来重大安全隐患［1］。因此对于一些重要建筑物，或者潜在缺陷地基上的建筑物，必须对它们进行沉降监测。

长时间以来，该项工作都依靠于传统的测量手段［2］。如基于全站仪、水准仪的水准测量技术。此类监测方法精度高、技术成熟，但受天气条件、监测环境的影响大，测站间需要通视，数据需事后处理，不能进行全天候实时监测。而目前采用GNSS静态相对定位技术进行建筑物沉降监测，数据多为事后处理，费事费力，自动化程度不高。GNSS动态相对定位技术测量精度不足，并不适用于建筑物沉降监测。

为实现对建筑物沉降进行实时监测，弥补现有测量手段无法进行全天候实时监测的情况。本文提出一种基于GNSS的建筑物沉降监测系统，能够对建筑物沉降进行实时和远程监测，为建筑物安全和管理提供决策支持。

2 系统总体设计和工作原理

基于GNSS的建筑物沉降监测系统主要由数据采集终端、监控中心、报警系统和云平台组成。系统架构如图1所示。

系统采用GNSS静态相对定位技术，在基准点和各个监测点分别布置数据采集终端，对GNSS导航卫星进行连续不间断观测。并将数据进行本地存储和传输至监控中心。

监控中心对每个观测时段的原始数据进行分析和处理；并将监测结果进行本地可视化显示和推送至云端。用户可主动访问云平台进行远程查看监测结果，平台也可在沉降量超出安全范围时进行报警信息推送。

图1 系统整体架构图

3 系统硬件设计

3.1 数据采集终端

数据采集终端集成了以LEA-6T模块为主的GNSS原始信号接收机、STM32F103微处理器、SD卡存储器、GPRS无线网络传输模块以及辅助电源模块。其中，GPRS无线网络模块与LEA-6T通过UART串口与STM32通信，SD卡与STM32处理器通过SPI总线方式通信。考虑到户外GPRS网络可能存在不稳定性的特点，处理器暂时将GNSS原始数据存储在SD卡内。采用定时发送的方式，将SD卡中观测时段内的数据统一发送至监控中心。数据采集终端硬件架构如图2所示。

图2 数据采集终端硬件架构图

3.1.1 主控制器

数据采集终端选用STM32F103ZE为主控制器，此款芯片是基于Cortex-M3内核的32位微控制器，主频72MHz。片上集成UART、I2C、SPI、DMA等多种常用外设接口［3］，完全满足数据采集终端的设计及后续扩展要求。

3.1.2 GNSS接收机

系统选用Ublox公司生产的LEA-6T型GNSS接收机。该型接收机是目前使用较为广泛的低成本、高精度GNSS接收机，具有载波相位、多普勒信号、测距码等卫星原始观测量输出［4］。可使用Ublox公司配套的U-Center软件对接收机输出数据类型进行配置。LEA-6T支持NMEA 0183协议、RTCM协议、UBX协议格式的数据输出。接收机与处理器之间通过UART串口进行通信。

3.1.3 GPRS无线通信模块

GPRS无线通信模块选用希姆通（SIMCOM）公司设计的SIM800A无线网络传输模块。该模块硬件接口丰富，包含UART串口、I2C接口、SPI接口、USB接口等常用接口。且内嵌TCP/IP协议，可以通过AT指令集配置为服务器或者客户端模式。模块采用低功耗设计，低功耗模式下，耗电电流仅为1.0mA。可以低功耗实现无线数据、语音、短信等内容传输［5］。

3.2 报警系统

报警系统放置在监控室，通过以太网与OneNet云平台连接。当监测点坐标沉降量超出安全范围后，OneNet云平台向报警系统推送报警信息，报警系统发出声光警报，引起管理人员注意。同时通过显示屏显示报警信息，以及通过GPRS模块发送短信报警信息。

报警系统选用STM32为主控制器，同时集成GPRS通信模块、TFT显示屏、LED警报灯、蜂鸣器以及辅助电源模块。其中通过GPIO口控制LED警报灯和蜂鸣器，GPRS模块与STM32采用UART串口通信方式，STM32通过FSMC总线模方式与TFT显示屏通信。报警系统硬件架构如图3所示。

图3 报警系统硬件架构图

3.3 云平台

云平台选用OneNet平台。OneNet平台是中国移动开发的面向物联网行业应用、解决方案提供的开放云平台。平台提供MQTT、HTTP、EDP等多种硬件设备接入协议，监控中心首先与OneNet服务器建立TCP连接，然后通过设备ID和API-Key与对应设备建立连接，按照指定格式将监测结果打包，发送至服务器。服务器接收到数据后进行存储和显示。

4 系统软件设计

系统软件由嵌入式软件设计和上位机软件两部分组成。嵌入式软件设计包括报警系统程序设计和数据采集终端程序设计，上位机程序主要为监控中心程序设计，主要包括设备管理、数据处理、监测结果可视化显示、云端接入等部分组成。

4.1 数据采集终端软件设计

数据采集终端程序流程图［6］如图4所示。STM32单片机上电后，首先通过UART串口、SPI总线对SD卡、SIM800A、LEA-6T等外设进行初始化，然后通过二进制命令对LEA-6T进行配置，包括接收机串口波特率、数据输出类型和采样频率配置；使用AT指令将GPRS模块配置为客户端模式，与上位机建立TCP连接［7］。然后单片机开始采集数据，并将数据暂存在SD卡中，采用定时器中断的方式将SD卡中的原始数据发送至监控中心。

4.2 监控中心软件设计

监控中心为整个系统的核心中枢，软件采用C#语言在Visual Studio 2017下开发。通过建立TCP服务器的方式与各个监测终端连接。兼具着测终端设备管理、数据处理、监测结果实时显示及云平台推送等功能。设备管理部分包括对终端设备运行情况的监测，设备远程配置；数据处理包括各个测点位置信息结算、并通过曲线图实时显示，监测结果云平台推送等。监控中心软件框图如图5所示。

图4 数据采集终端软件流程图

图5 监控中心软件框图

4.3 报警系统软件设计

报警系统采用STM32为主控制器，上电之初，首先完成TFT显示屏、GPRS模块初始化；然后通过AT指令集将GPRS模块配置为服务器模式，等待接收云平台报警信息推送。云平台采用触发器的方式，当某监测点沉降量超出安全范围之后，采用HTTP POST的方式将监测点信息推送至报警系统，报警系统发出声光警报，以及向预设电话号码发送短信的方式完成报警。报警系统软件流程图如图6所示。

图6 报警系统软件流程图

5 数据处理算法

相对定位技术（又称差分定位）是GNSS定位技术中精度较高的一种，广泛用于各种变形测量。它的工作原理是将两台GNSS接收机分别固定在基线两端，同步观测4颗或4颗以上卫星，两个接收机之间进行差分解算，以确定两点之间的相对位置［8］。

差分解算方法包括单差法、双差法和三差法，本系统采用双差法进行解算。即假设两台接收机Ti（i=1，2）分别固定在基线两个端点上，在t时刻分别对卫星j和卫星k进行观测［9］，可得四个载波相位观测量：

在监测站之间和卫星之间分别求差可得站间单差和星间单差［10］分别为

在站间单差的基础上进行星间求差，可得站星双差［11］观测方程为

考虑到电离层误差Viono(t)、对流层误差Vtrop(t)、接收机钟差δti(t)和卫星钟差δtj(t)的影响［12］、观测站 Ti观测卫星 j的载波相位观测方程［13］可以表示为

式中f为卫星载波频率、c为光速、为整周未知数、为接收机Ti和卫星j之间的距离［14］。

将式（4）带入式（3）可得：

可以看出，接收机钟差和卫星钟差已被消除、这是双差法的最大优点［15］。而在测量基线较短的情况下，卫星信号到达接收机所经过的传播路径是相似的，接收机间的电离层延迟、对流层延迟具有相关性，可以相互抵消［16］。因此式（6）可以简化为

由式（6）可以看出，只要解算出整周模糊度Njk(t0)，即可得到两监测站间的相对位置。

6 实验数据与分析

使用LEA-6T型接收机搭建系统原型，在室外空旷场地进行两组静态基线解算实验。其中每组实验分为两个观测时段，每个观测时段约40min。基线长度约3.10m，数据采样率为1Hz。

实验一在基线两端固定两台接收机，其中一台为观测站，一台为基准站。两个观测时段实验条件相同，基线解算结果如图7和图8所示。

图7 实验一观测时段1解算结果

图8 实验一观测时段2解算结果

由图7和图8可看出，利用本系统进行建筑物沉降监测，当基线长度为3m左右时，两个监测时段测试误差分别为东西方向（E-W）为2.6mm，南北方向（N-S）为5.3mm，垂直方向（U-D）为3.3mm。

实验二在基线两端固定两台接收机，其中一台为观测站，一台为基准站。第2观测时段，将接收机天线人为升高8mm，基线解算结果如图9和图10所示。

图9 实验二观测时段1解算结果

图10 实验二观测时段2解算结果

由图9和图10可看出，两个观测时段实际误差为东西方向（E-W）为0.6mm，南北方向（N-S）为1.4mm，垂直方向（U-D）实际在升高8mm的情况下，监测结果为7mm，误差为1mm。

实验结果表明，静态相对定位技术适用于建筑物沉降监测，其中超短基线处理精度可以达到毫米级，能够满足建筑物沉降监测的需要。

7 结语

本文提出一种基于GNSS技术的建筑物沉降监测系统，给出了系统的整体设计方案；在对双差法进行理论阐述的同时，通过搭建系统原型，进行了静态基线解算实验。由实验结果表明，本文提出的建筑物沉降监测系统及其数据处理方法，其中超短基线解算精度能够达到毫米级。同传统测量方法相比，具有实时性好，自动化程度高的特点，能够满足建筑物沉降监测的需要，并且可以推广到滑坡监测、地面沉降监测、水库大坝监测等多种变形监测领域。