浅谈物联网技术在智慧古建监测领域中的应用

侯全兵 赵利峰 杨永兴

（建设综合勘察研究设计院有限公司，北京100000）

1 物联网技术的发展

物联网是互联网基础上的延伸和扩展的网络，通过装置在物体上的信息传感设备与互联网结合，目标是让物品本体跟网络连接，实现在人、机、物的互联互通。随着5G 物联网、新基建以及NB-IoT等信息通信技术的发展和应用，物联网进入了传感器、控制器、机器、人和物的深化融合，实现万物互联，从而方便智能化识别、定位、跟踪、监控、管理。预计到2025 年，物联网设备联网数将会达到252 亿智能联网设备能透过传感器，全面监测产品状况、运作与外在环境。

2 智慧古建筑监测的必要性

古建古迹[3]是中华五千年建筑文明的结晶，更是一个国家、一个民族文明程度有效载体，作为祖先留下的宝贵遗产，具有历史科学以及文化遗产载体价值不可再生性。文物承载灿烂文明，传承历史文化，维系民族精神，代表着这个国家的历史和底蕴，显示中华民族的渊源和风采，拥有巨大的研究价值，事关国家和民族根本利益，也关系到每个个人利益。因此为贯彻习近平总书记关于“要系统梳理传统文化资源，让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地上的遗产和书写在古籍里的文字都活起来”、“要处理好继承与创造性发展的关系，重点做好创造性转化和创新性发展”等重要论述精神，落实好“互联网+中华文明三年行动计划”等相关政策，采用“物联网+新基建+5G”技术研究体系，全方位监测、保护好古建筑文物本体，让古建筑本体有尊严的“活”起来，以史为轴，追踪溯源，迫在眉睫。

为探索古建筑的保存风险，一些古建筑的结构稳定性[4]堪忧，古建筑安全防范系统应该积极采取措施，做到防患于未然。有必要采用信息化方法对古建筑加以保护，目前绝大部分佛龛、塔寺以及古文遗址、墓葬类古建筑群[5]保存环境的监测方法还是通过半人工测量等传统监测的方法实现，所以采用物联网技术手段、提高古建筑监控整体性能，尤为重要。智慧古建物联网监测架构图如图1 所示。

3 古建筑监测感知终端[11]概述

静力水准仪通过监测相互连通的安装于被测量点储液罐液面高度与测量基点液面高度的相对变化，由高精度硅晶芯体传感器测量，适用于测量地量程小精度高的液位测量，从而反推各个储液罐安装位置相对位置沉降变化量的一种精密仪器。它采用连通器原理，在使用中多个静力水准仪的测压强腔体通过软管连接至液位器，通过压力监测过程的信号变化通过RS485 总线传输到信号采集系统，由此测出各测点的压力变化量而分析古建筑周边地表的相对沉降高度。

全温补高精度数字输出型双轴倾角传感器是一款全温补高精度双轴倾角仪，它抗外界电磁干扰能力强、承受冲击震动能力强，另外系统内置高精度24itA/D差分转换器，同时通过五阶滤波算法，抗外界电磁干扰能力强、承受冲击振动能力强，竞争优势大从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度，操作简单，不需要相对变化变的两个相对面进行安装，由此测出各测点的X，Y轴角度变化量，用来辅助监测古建筑本体具体点位的水平位移变化情况。

三轴加速度计由一片经过微机械处理的硅芯片及温度传感器组成，芯片的作用主要是用于信号调整低功率ASIC以及用于存储补偿值的微处理器。可适用于振动[7]测试，撞击测试等多个领域，产品采用数字接口，借助RS485 总线输出，功耗低，外壳材质铝合金磨砂氧化，安装采用M4 螺丝或M16*1.5 底部螺丝安装，性能稳定，防护等级IP67，主要用来测试古建筑监测点位的振动规律变化情况。

温湿度记录仪采用温湿度数字传感器探头，通过软件客户端程序可以进行产品参数的设置。温湿度自动记录存储功能，在断电或通讯线路故障等偶发情况下能够自动记录温湿度数据到本机。优化的存储记录功能使产品在存储空间记录满之后，自动擦除最早记录并记录新数据，无需客户进行擦除操作。

裂缝监测传感器用于古建筑长期定点监测并记录在高空以及不易接触结构位置上的重点裂缝变化，该仪器裂缝位移精度为±0.01mm，最小采样间隔为1 分钟，最大采样间隔为24 小时；能够连续测量并记录裂缝在监测周期内变化过程，用于长期定点监测古建筑墙体以及不易接触结构位置上的重点裂缝变化情况，连续测量并记录裂缝在一段时间内的变化过程以及古建筑周边环境温度的变化值，清晰地反映古建筑墙壁的裂缝[10]变化趋势。

投入式液位变送器用于古建筑周边地下水位监测。它采用高精度扩散硅传感器精工封装而成。利用先进的电路线性和温度补偿技术，使其线性更加，温漂系数更低，抗干扰更强，测量精准，稳定性好，可直接投入水、油等液体中长期进行工程作业。仪器特点结构紧凑、坚固、重量轻、便于安装、使用方便、免维护；零点量程可以在外部连续调节，迁移范围宽。

风速风向一体计传感器用于古建筑周边环境的风速、风向。它集风速传感和风向传感器为一体，实现同时监测风速和风向，本身主要的作用是监测古建筑周边环境气象要素中的风速和风向等环境监测参数；风速计采用三风杯风速传感器结构，性能佳；风向传感器是一种以风向箭头为主的转动探测传感器，通过感知古建筑周边的风向参数信息，并将其传递给同轴码盘并输出对应风向相关数值的传感器设备。

4 古建筑监测通讯网络概述

图1 智慧古建物联网监测架构图

图2 古建筑监测信息平台流程图

以古建筑[2]为传感器组网中心，通过在监测点位布设相应的传感器来对古建筑进行相关的监测，基于MODBUS 协议规则之下，采用无线传输或者有线RS485 串口总线传输将物理信号转换成数字模拟信号，RS-485 实质上是一个电气接口规范，它规定平衡驱动器合接收器的电特性，多采用两线制接线方式，接线方式为总线式拓扑结构，即在同一条RS-485 总线上最多可以挂接32 个感知终端。借助物联网发射终端，下行通讯报文通过无线4G网络传输至服务器端，最终将古建筑监测报文数据通过按协议规则将其解析处认为可读取的监测数据至MySql 数据库，在通过古建筑监测平台调用数据库数据将利用三维图像可视化以及二维图表分析技术将其加载到监测中心平台前端，通过实时数据分析古建筑全方位监测参数的实时变化情况，达到古建筑全方位监测保护的效果。

MODBUS 协议是工业物联网领域常用通讯协议，是一个Master/Slave 架构的协议，定义了一种数据传输的规范。包括RTU、ASCII、TCP。MODBUS最多能支持255 个子设备的接入。MODBUS数据传输协议模型主要由标志符、地址码，数据位，数据校验位四部分组成。标志符用来标识感知终端的一个符号位，功能码决定这一帧数据用于输入数据，输出数据，读取控制量的唯一识别码，每个感知终端都有地址码，服务器端在访问感知终端的时候依靠地址码识别，第三是数据位，主要用来解析传感器监测数据，第四是差错校验位，对发送数据校验，防止通信过程中电磁干扰从而导致古建筑监测数据出错。

DTU 是一款工业级物联网无线数传终端，支持标准RS232、RS485 以及RS422 接口，可定制TTL 电平。设备为用户提供TCP/UDP 透明无线远距离数据传输功能，可帮助用户快速接入高速互联网，实现安全可靠的数据传输，广泛应用于智慧电力、油田监控、智慧水利智能交通等物联网应用。支持联通、电信、移动运营商无线网络，把古建筑监测项目现场的感知终端设备的监测数据透明传输到客户的服务器端的数据中心，实现对客户端设备的监测数据采集、古建筑监测数据传输、感知终端设备控制等功能。

5 古建筑监测监控中心安全要求

古建筑监测平台[9]最终目标是建设自动化监测、数据实时解译、传输、古建筑大数据综合分析平台。其监测内容主要有古建筑环境监测、古建筑本体监测、古建筑位移监测、古建筑结构稳定性监测、古建筑监测指标体系设立五部分组成。古建筑监测监控中心主要分为古建筑监测信息采集子平台，古建筑信息处理子平台、古建筑监测预警等三大子平台组成。总体古建筑监测信息监测平台流程图如图2 所示。其中数据安全保密指数据监测[1]的数据内容是否符合国家的法律法规，是否经相关主管和保密部门的审核。平台未来对外共享的各类数据，均需经过相关的安全审核和脱密处理。其古建勘察监测数据都应有相关安全访问机制，针对不同权限的用户只能访问相应权限范围内的古建筑相关的监测数据内容。安全保密除了常见的网络安全、软件安全、操作系统安全等方面的需求外，古建筑监测平台将全方面的记录每个用户操作日志，监控中心管理员可以通过日志对系统运行情况进行跟踪，在系统出现故障的时候可以根据日志信息快速对问题进行排查。

为保障古建筑监测[6]平台系统安全稳定运行，采取如下措施：a.本地局域网与外网隔离、广域网边界处部署防火墙；b.在本地局域网中部署网络入侵检测系统、网络监控系统；c.在古建筑监测数据库服务器上部署数据库运行监控[8]系统。

6 结论

本论文主要阐述了物联网技术在智慧古建监测领域中应用，源于物联网在智慧古建勘察中的重大作用，对平台的稳定运行进行概要性描述，本论文主要阐述无线自动化网络传输方式，对感知终端、通讯网络、监控中心、安全监测与评估等内容，对古建筑进行全方位保护，从而节省了大量古建筑勘察监测人工成本，实现了智慧古建物联网无线自动化勘察综合效益最大化。