一種基于智能終端的建筑工程監測數據無線采集系統及方法與流程

本發明涉及建筑工程監測領域，尤其一種基于智能終端的建筑工程監測數據無線采集系統及方法。

背景技術：

近年來隨著社會的發展和技術的進步，人們對在建工程或既有建筑物的健康安全越來越關注，通過設置一定的傳感器獲取建筑物施工過程及建成后運營的相關參數，來對建筑工程各階段的狀況進行評估，成為一種發展趨勢。如獲取反映結構安全的物理量：加速度值的變化、變形位移、角度傾斜、混凝土水化熱溫度等，以評估建筑工程結構或施工過程的安全狀態；如獲取反映使用功能的物理化學量：振動頻率、溫度濕度、環境噪聲以及pm2.5、co2、甲醛等空氣質量等參數，來評估建筑物的使用性能等。

目前獲取上述參數大都采用有線設備來完成監測，即便采用基于無線通訊的系統，也在采樣精度、采樣點數量和采樣頻率方面常受到設備性能和系統方案的限制，影響實際應用的普及。同時，因傳統的有線監測系統因需要布置大量的信號傳輸線，會導致監測的成本高、難管理，且常常會影響現場其他工作的開展或受到其他工作的干擾，不便于長期監測，對既有建筑的監測還影響美觀，難以滿足日益發展的實際應用需求。（1）其他基于無線通訊的監測系統通常都采用數據處理單元后置的方式，即數據處理單元放在數據無線接收模塊之后，在有較多高頻數據需要傳輸的時候，往往難以實現穩定傳輸，（2）并且在無線連接中斷的情況下，無法繼續采集數據，造成數據丟失或遺漏采集，制約了常規無線采集監測系統在這些應用領域的普及。（3）如獲取建筑結構測點特征周期的應用中，通常需要200hz以上的加速度采樣頻率，若增加專用緩存設備，又會大幅提升監測成本，特別是長期監測不能周轉設備的項目，影響了相關技術應用的普及。

隨著近年來智能終端設備如手機、平板電腦的普及與發展，單機成本越來越低，功能越來越強大，智能終端自身攜帶的傳感器也越來越豐富，已經具備替代部分傳統傳感器——放大器采集系統的功能，特別是其強大的數據處理、存儲能力和網絡連接能力，為更新現有采集設備和系統，將數據處理單元前置到無線傳輸前端的采集點提供了技術和成本基礎。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于智能終端的建筑工程監測數據無線采集系統及方法，適用于長期或短期監測，旨在解決當前工程應用中監測設備安裝布置不便、成本高、監測精度低、易因斷網斷電導致監測數據丟失或遺漏等問題，滿足工程應用的實用需求。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于智能終端的建筑工程監測數據無線采集系統，包括：

數據采集單元：包括智能終端，所述的智能終端內置傳感器模塊或者與外部傳感器模塊連接，所述的智能終端還包括與傳感器模塊連接的處理器、以及與處理器連接的無線傳輸模塊；用于采集在建工程或既有建筑物的參數數據；

項目數據服務器：與數據采集單元無線連接，用于獲取數據采集單元采集到的參數數據；

監控分析客戶端：與項目數據服務器有線/無線連接，用于查看項目數據服務器的數據。

進一步地，所述的項目數據服務器設置為多個，每個項目數據服務器分別與至少一個數據采集單元無線連接。

進一步地，所述的系統還包括一個中心數據服務器，所述的中心數據服務器通過互聯網與各個項目數據服務器連接；所述的中心數據服務器與監控分析客戶端有線/無線連接。

如上所述的系統的方法，包括數據采集與上傳步驟、數據匯總步驟和監控分析步驟；

所述的數據采集與上傳步驟包括以下子步驟：

s101：智能終端通過內置傳感器模塊/外部傳感器模塊以一定采集頻率采集參數；

s102：智能終端處理器將采集到的參數附加采集時候的時間形成帶時序的特征參數；

s103：智能終端處理器對特征參數進行預處理，形成快報數據包和完整數據包；所述的完整數據包為每隔第一固定周期時間內壓縮前一周期記錄的數據包，所述的快報數據包為每隔第二固定周期形成的單個時間點的數據包；

s104：智能終端檢測是否聯網以及數據項目服務器端口服務是否運行：若聯網并且正常運行，則向數據項目服務器及時上傳快報數據包和定時上傳完整數據包；若不正常運行，則將快報數據包丟棄，等待正常運行后再將完整數據包進行上傳；

所述的數據匯總步驟包括以下子步驟：

項目數據服務器接收來自各個智能終端的快報數據包和完整數據包，并對完整數據包進行解壓縮，形成完整時序的參數；

所述的監控分析步驟包括以下子步驟：

監控分析客戶端連接項目數據服務器，查看所選項目數據服務器的指定智能終端上傳的快報數據或者指定時段的完整數據，并進行進一步分析處理。

進一步地，所述的方法還包括數據采集單元設置步驟，包括以下子步驟：

s301：根據實際需求，設置傳感器的采集參數；當傳感器為外部傳感器時，所述的設置傳感器采集參數包括調試傳感器的輸出方式；

s302：智能終端運行程序，完成與傳感器的連接；

s303：通過智能終端指定數據項目服務器，并向指定的數據項目服務器發送注冊數據；

s304：數據項目服務器接收到注冊數據后，給對應傳感器分配固定編碼。

進一步地，快報數據包上傳時采用同步傳輸的方式，完整數據包上傳采用多線程異步傳輸的方式。

進一步地，在多線程異步傳輸完整數據包的過程中，包括一個標記子步驟：智能終端處理器對已經完成上傳的文件標記為已上傳，對未完整上傳的文件標記為未上傳。

進一步地，所述的方法還包括一個斷網續傳步驟：在斷網恢復或者數據項目服務器端口服務運行后，智能終端處理器將文件標記為未上傳的文件進行重傳操作。

進一步地，所述的方法還包括一個數據清理步驟：在設定周期內，智能終端處理器將標記為已上傳的文件進行刪除。

進一步地，所述的方法還包括一個時間同步步驟，包括以下子步驟：

每隔一段時間，項目數據服務器向各智能終端發送同步時間；

智能終端根據所述同步時間修改本地時間。

本發明的有益效果是：

（1）本發明通過智能終端實現對在建工程或既有建筑物的數據采集、處理、無線傳輸和短時存儲，將數據處理單元前置到無線傳輸前端的采集點提供了技術和成本基礎，使得無論是長期監測或者短期監測，都能滿足需求；同時，由于智能終端自帶的傳感器模塊、處理器、無線傳輸模塊和電源模塊，解決當前工程應用中監測設備安裝布置不便、成本高（需要額外生產專用采集設備）、監測精度低、易因斷電斷網導致監測數據丟失或遺漏等問題，以滿足工程應用的實用需求。

（2）本發明采用帶時序測點數據包的方案，通過快報數據包的同步傳輸和完整數據包的異步傳輸，兼顧了現場及時數據的展示和完整數據的還原；同時，數據包還支持斷網獨立運行，網絡恢復后自動續傳未發送的完整數據包，并同步發送快報數據包；并且完整數據包的每一采集數據均帶有時序參數，而不是采用一個包一個時間戳的方式，能夠最大限度的還原監測現場的樣本，為提高數據分析的結果精度提供了保障。

附圖說明

圖1為本發明系統結構框圖；

圖2為本發明數據采集與上傳步驟示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案：

如圖1所示，一種基于智能終端的建筑工程監測數據無線采集系統，包括：

數據采集單元：包括智能終端，所述的智能終端內置傳感器模塊或者與外部傳感器模塊連接，所述的智能終端還包括與傳感器模塊連接的處理器、以及與處理器連接的無線傳輸模塊；用于采集在建工程或既有建筑物的參數數據；還可以用于數據的預處理和短期存儲（通過智能終端自帶的處理器和存儲器實現）；

項目數據服務器：與數據采集單元無線連接，用于獲取數據采集單元采集到的參數數據；

監控分析客戶端：與項目數據服務器有線/無線連接，用于查看項目數據服務器的數據。

其中，對于智能終端（智能手機、平板電腦），其自身結構可以替代部分傳統傳感器——放大器采集系統的功能，特別是其強大的數據處理（處理器）、存儲能力（存儲器）和網絡連接能力（無線傳輸）。智能終端首先通過自帶的傳感器或者外部的傳感器獲取參數數據，并通過自身的處理器對數據進行預處理，并通過自身的無線傳輸模塊將數據發送至項目數據服務器。對于內置的傳感器模塊，為普通智能終端通常自帶的，比如包括加速度傳感器、位移傳感器、角度傾斜傳感器等。而對于外置的傳感器模塊，為普通智能終端非自帶的，比如溫度傳感器、濕度傳感器、環境噪聲傳感器、pm2.5傳感器、二氧化碳濃度傳感器、甲醛濃度傳感器等；而對于其連接方式，根據所選傳感器種類而定，采用通用協議交換數據，如串口（rs232,485）、藍牙、usb、tcp/ip、udp等通信協議連接。

更優地，在本實施例中，所述的智能終端通過充電裝置與市電連接。由于智能終端自帶電源模塊，在市電斷電的情況下，也可以通過智能終端自帶的電源模塊進行續航；在恢復供電的情況下，通過充電裝置給智能終端的電源模塊充電即可。

更優地，在本實施例中，同一個在建工程或既有建筑物的多個參數數據（比如角度傾斜、混凝土水化熱溫度、建筑物內部pm2.5）發送至同一個項目數據服務器；而不同在建工程或既有建筑物的多個參數數據則發送給對應的不同項目數據服務器，即根據在建工程或既有建筑物確定項目數據服務器的數量。

監控分析客戶端通過有線（pc機）或者無線（智能手機、平板電腦）的方式，獲取對應項目的數據/或者對應數據采集單元的數據。

更優地，為了使得監控分析客戶端獲取項目數據更加方便以及對整個系統的數據監控更加有利，在本實施例中，所述的系統還包括一個中心數據服務器，所述的中心數據服務器通過互聯網與各個項目數據服務器連接，即中心數據服務器將各個項目數據服務器的數據進行匯總并保存；同時，所述的中心數據服務器與監控分析客戶端有線/無線連接，監控分析客戶端在連接到中心數據服務器后，通過選擇項目后，即可查看對應項目的數據。

基于上述系統的實現，本實施例還提供了一種所述的系統的方法，包括數據采集單元設置步驟、數據采集與上傳步驟、數據匯總步驟和監控分析步驟；

所述的數據采集單元設置步驟，主要用于智能終端與傳感器的設置，以mpu6050/mpu9250傳感器采集三軸加速度獲取建筑結構測點特征周期的應用為例，mpu6050/mpu9250為通用的整合性6/9軸運動處理組件的集成電路芯片式傳感器，用戶可程序方式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g，按16位采集可實現加速度為0.000061g的分辨率，可實現200hz的采集頻率，非常適合于建筑工程振動測試的應用；mpu6050支持i2c的通訊方式，mpu9250支持spi/i2c兩種通訊方式，為與智能終端通過串口方式連接提供了便利，本實施例選擇串口為數據連接方式；所述的數據采集單元設置步驟包括以下子步驟：

s301：根據線路及參數，將mpu6050/mpu9250傳感器輸出方式，通過對傳感器發送內定指令調試為串口輸出，波特率為57600、200hz的采集頻率、三軸加速度感測范圍為±2g；

s302：智能采集終端運行程序實現usb串口采集，波特率為57600，完成智能終端與傳感器的連接；

s303：通過智能終端指定數據項目服務器，并向指定的數據項目服務器發送注冊數據；

s304：數據項目服務器接收到注冊數據后，給對應傳感器分配固定編碼。

其中，步驟s302和步驟s303可以通過手機app或者微信小程序等方式實現。

如圖2所示，所述的數據采集與上傳步驟主要用于智能終端將采集到的數據進行預處理和上傳，包括以下子步驟：

s101：智能終端通過內置傳感器模塊/外部傳感器模塊以一定采集頻率采集參數；

s102：智能終端處理器將采集到的參數附加采集時候的時間形成帶時序的特征參數；

s103：智能終端處理器對特征參數進行預處理，形成快報數據包和完整數據包；所述的完整數據包為每一第一固定周期時間內壓縮前一周期記錄的數據包，所述的快報數據包為每隔一第二固定周期形成的單個時間點的數據包；

s104：智能終端檢測是否聯網以及數據項目服務器端口服務是否運行：若聯網并且正常運行，則向數據項目服務器及時上傳快報數據包和定時上傳完整數據包；若不正常運行，則將快報數據包丟棄，等待正常運行后再將完整數據包進行上傳。

具體地，在本實施例中，當采用mpu6050/mpu9250傳感器檢測加速度實時數據時，特征參數為時間編碼+x軸加速度值+y軸加速度值+z軸加速度值。

其中，數據采集的頻率如上所述為200hz，對于完整數據包，在本實施例中，可以采用每五分鐘壓縮一次上一個5分鐘周期的以200hz采集頻率采集到的數據流，形成壓縮的完整數據包；而快報數據包，為降低采集頻率后（如10hz）得到的數據。快報數據包為完整數據包的簡略版，以減少實時數據傳輸量；而完整數據包的每一采集數據均帶有時序參數，而不是采用一個包一個時間戳的方式，能夠最大限度的還原監測現場的樣本，為提高數據分析的結果精度提供了保障。

另外，由于完整數據包和完整數據包本身大小的特性，快報數據包上傳時采用同步傳輸的方式，而完整數據包上傳采用多線程異步傳輸的方式；并且在多線程異步傳輸完整數據包的過程中，還包括一個標記子步驟：智能終端處理器對已經完成上傳的文件標記為已上傳，對未完整上傳的文件標記為未上傳。這一子步驟主要有兩個作用：（1）使得在數據上傳時，由于斷網或者項目數據服務器出現問題無法上傳的時候，能夠快速獲取未上傳的部分，在網絡恢復時，將標記為未上傳的部分進行上傳即可；（2）由于智能終端自身的存儲量是有限的，采用該子步驟可以使得智能終端可以定期對已經上傳的并且保存時間較長的數據進行清理，以時間編碼和文件標記作為其清理依據。

所述的數據匯總步驟主要用于將項目中所有的數據采集單元的數據進行匯總，包括以下子步驟：

項目數據服務器接收來自各個智能終端的快報數據包和完整數據包，并對完整數據包進行解壓縮，形成完整時序的參數。

所述的監控分析步驟主要用于通過監控分析客戶端獲取所選項目的數據，包括以下子步驟：

監控分析客戶端連接項目數據服務器，通過圖形或數據表的形式查看所選項目數據服務器的指定智能終端上傳的快報數據或者指定時段的完整數據，并進行進一步分析處理（比如通過采集數據的波峰或波谷點對應的時間編碼數據之差計算出建筑結構測點的特征周期）。

更優地，在本實施例中，為了避免各智能終端的時間僅為本地時間，使得后期查看數據不準確，所述的方法還包括一個時間同步步驟，包括以下子步驟：

每隔一段時間（12h），項目數據服務器向各智能終端發送同步時間；

智能終端根據所述同步時間修改本地時間。

更優地，在本實施例中，用戶還可以通過智能終端以圖形或數據表的形式預覽采集的動態數據，用于檢查核實采集狀態。

更優地，在本實施例中，在初始化狀態，項目數據服務器建立并運行基于tcp/ip協議的指定端口的數據存取服務。

更優地，在本實施例中，在中心數據服務器存在的情況下，所述的數據匯總步驟還包括：

項目數據服務器將來自各智能終端的快報數據包和完整數據包匯總緩存后發送至中心數據服務器，中心數據服務器完整數據包進行解壓縮，形成完整時序的參數；

所述的監控分析步驟還包括：

監控分析客戶端連接中心數據服務器，查看所選項目的指定智能終端上傳的快報數據或者指定時段的完整數據，并進行進一步分析處理。

采用此方式，用戶只需要通過監控分析客戶端連接中心數據服務器，選擇對應項目并選擇需要查看的傳感器即可。

更優地，在本實施例中，所述的方法還包括一個還包括一個受控步驟：

智能終端接收來自項目數據服務器發送的控制指令，對智能終端本身或者外部設備進行控制。

其中，控制指令可以是項目數據服務器發出的，比如當pm2.5傳感器檢測到超標時，此時項目數據服務器也會對該數據進行判斷，其會向智能終端發出控制過濾器開啟的指令，智能終端接收到后操控外部過濾器進行開啟；控制指令也可以是監控分析客戶端發出的，比如某智能終端自帶的角度傾斜傳感器，已經在最開始注冊過，但是未使用，而監控分析客戶端的用戶想要查看該項數據，則通過監控分析客戶端向項目數據服務器發出開啟指令，項目數據服務器再向智能終端發出傳感器開啟指令，智能終端接收到后打開角度傾斜傳感器。