【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及物联网无线通信及传感器，主要涉及无线传感网络在面向建筑监测时，对低功耗无线位移传感器的信号获取、数据采集及协同计算，尤其涉及基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法和装置。
技术介绍
1、随着物联网无线通信、传感器及边缘计算等相关技术的发展，对各类建筑对象进行在线数据采集监测，具有极为重要的价值。
2、面向建筑监测的无线传感网络包括若干无线协同基站和分布式低功耗无线传感器节点。通过在建筑物内部（包括构件表面、内部及连接间隙）预埋分布式低功耗传感器节点阵列，对目标建筑整体及局部区域的传感状态变量进行实时数据采集；所述传感状态变量包括可观测的结构形态变量及对与内部相关物理变量。
3、建筑安全监测面向目标建筑整体及局部区域的位移、变形、损伤及老化等方面，对相关状态变量进行数据采集及监测评估；其中，建筑位移监测是监测评估各类建筑变形的基础；通过对分布式离散目标点位移的数据采集，可以对目标区域的位移分布进行拟合计算，从而对主体结构的整体轮廓变形及局部变形进行监测评估。所述目标点为构件表面区域有代表性的可观测点，应优先被设置在主体结构及关键构件上。
4、用于建筑监测的位移传感器可以被划分为观测式位移传感器（远点位移传感器）和接近式近点位移传感器；所述观测式位移传感器用于对被测目标点相对于远距离观测点（参考点）的位移检测；所述近点位移传感器用于对目标点相对于近距离物体的相对位移检测。显然，至少对建筑主体结构上的部分关键目标点用观测式位移位移传感器（位移监测设备）进行位移监测；在此基础上可再
5、现有市场上观测式位移传感器主要基于激光、红外、无线射频、超声等物理信号传输方式。在未设置无线传感网络之前，建筑构件表面缺乏预埋传感器节点。现有观测式位移传感器大多以反射式测距为主，包括基于光线时间飞行、三角回差、相移、干涉、光谱共焦等方法的激光或红外位移传感器。通过对指定观测方向测量观测点到目标点的距离，可计算反射点的位置坐标。
6、现有观测式位移传感器技术，主要通过检测激光或红外（包括红外激光）的反射距离而计算反射点的位置坐标；这种反射式测距方法虽然距离检测精度高、单次检测便利性好及通用性强等诸多优点；但对于建筑表面区域的分布式目标点位移的在线跟踪监测，仍存在以下技术缺陷：
7、1)目标点位移跟踪问题：考虑局部位移及变形，目标构件表面的反射点并非原来的真目标点，难以对真目标点进行跟踪监测；反射法的测距精度并不代表目标点位移测量精度（即便对于垂直入射方向的离面位移）。即便观测目标区域的刚体构件，仍需要多向、多点距离检测才能计算目标点位移。
8、2)小角度方向观测问题：由于需要测量反射光，正视角观测方向有利于高精度测距；但若需要测量目标点的表面切向位移（如垂直立面的侧向位移及沉降位移），则须另外设置小角度观测方向。如最常用的三角回差法位移传感器测量表面切向位移时，常需要在反射点位置安装反射镜。
9、3)目标表面性质的影响：反射式测距会受到被测物体表面性质、形状及环境因素的影响；尤其在小角度测量切向位移时，若不安装反射镜可能无法测量或精度大幅度下降。虽然可以安装反射镜测量个别目标点位移；但同一反射镜只能支持特定方向的位移测量，而安装数量较多的反射镜阵列，不仅会失去反射式测距的便利性优势，还会带来安装维护成本及外观环境的问题。
10、4)观测点区域的设置问题：考虑到对观测设备的供电及维护的便利性，观测点区域不能太多，设置少量（如2~3个）观测点区域就能支持对大面积、大视角的目标区域范围内的分布式目标点的三维位移进行高精度在线监测；但由于反射式测距需在特定观测方向测量特定位移方向，不利于减少观测点区域数量的设置。
11、在单点观测式位移检测技术的基础上，通过光学图像检测（如主动红外激光扫描、被动热红外成像检测设备），可快速对目标建筑表面的分布式距离及位置坐标进行检测，尤其对视场区域的相对位移的测量，发现局部鼓胀、裂痕等表面损伤具有较好的监测效果。但由于设备单机成本高、单点位移测量绝对精度不高、对视窗目标点缺乏选择性、复杂的图像处理算法等问题，光学图像检测更适合于在短距离、正视角对目标区域相对位移及损伤的监测；而非对分布式关键目标点的长期在线跟踪监测。
12、相比于反射式测距技术来说，对射式位移传感器可以克服上述部分技术缺陷，但仍需解决以下问题∶1)在建筑物表面安装传感器节点（发射器或接收器）的低成本安装问题；2)超低功耗问题：需采取无源节点或超低功耗有源节点（一次性超长电池续航），则可大大有利于解决安装维护及防水问题（全非封闭结构）；3)多个位移方向的测量计算问题：通过多向映射转换，精确计算任意坐标系的三维位移矢量，包括建筑表面切向位移及离面位移；4)长期跟踪监测的位移量程问题：当目标点发生较大位移导致位移量程不够时，应能够快速调节对射方向使发射器与接收器对准。
13、在上述各种反射式或对射式测距方法中，需考虑选择激光还是红外（包括红外激光）传输方式。其中，激光位移传感器在远距离检测精度相对更高。但由于远距离激光发射器需要提前预热，无法实现瞬态启动的低功耗机制；若采用对射式，只能将低功耗无线激光接收器预埋于目标建筑构件的表面，其技术复杂度及综合成本相对较高，适合对关键目标点位移进行跟踪监测。
14、而红外发射器、接收器均具有低成本、小体积、低功耗、可瞬态启动（无预热或短暂预热）的优点。在一定的观测距离范围，选择分布式红外发射器预埋于目标区域，而安装在观测点红外接收器可对准目标区域多个红外发射点，非常有利于低成本的大规模节点阵列预埋。但尤其需要考虑解决环境背景红外辐射的干扰问题。
15、因此，在考虑面向建筑监测数据采集系统需求的背景下，基于无线传感网络预埋低功耗无线位移传感器节点，对建筑构件表面目标点位移变量及三维位移矢量，进行长期持续性追踪监测，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于，如何使红外对射式位移传感器获得瞬态激励唤醒，具有瞬态启动的超低功耗，如何使红外接收器对准目标区域，对目标点红外发射器发射的红外脉冲信号进行耦合采集，解决环境背景红外辐射的干扰问题；如何计算红外入射信号的强度峰值及视窗位移变量，并通过多向映射转换计算三维位移矢量，获得对位移变量的高精度数据采集，对目标点位移进行持续跟踪监测。
2、为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法和装置。
3、第一方面，本专利技术公开了一种基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，所述无线传感网络中低功耗无线传感器节点被若干协同基站无线覆盖；红外对射式位移传感器包括设置于建筑构件表面目标点的红外发射器和安装在观测点的红外接收器，所述协同基站通过采集所述红外接收器上传的视窗位移变量，对所述建筑构件表面的目标点位移进行跟踪监测，所述方法包括以下步骤：所述红外发射器和红本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述无线传感网络中低功耗无线传感器节点被若干协同基站无线覆盖；红外对射式位移传感器包括设置于建筑构件表面目标点的红外发射器和安装在观测点的红外接收器，所述协同基站通过采集所述红外接收器上传的视窗位移变量，对所述建筑构件表面目标点位移进行跟踪监测，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外接收器以窄视角对准接收所述红外发射器发射的红外脉冲信号；所述红外接收器对通过所述接收视窗接收的红外入射信号进行光学过滤，并通过光学聚焦调节对接收视角范围进行调节，以对准接收所述红外发射器单点或多点所在区域。
3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外发射器以预埋或表面安装方式被设置于所述建筑构件表面上，所述红外发射器通过在所述建筑构件表面上的微孔红外发射窗发射所述红外脉冲信号；
4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述协同基站基于对所述视窗
5.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，由至少两个不同观测接收方向的红外接收器对准接收同一目标区域相同或不同的目标点，所述协同基站根据采集获得的不同对射方向的视窗位移变量，通过映射转换分别获得不同方向的入射面位移，再将所述入射面位移以多向映射转换合成为指定坐标系的三维位移矢量；所述入射面位移即目标点位移矢量在入射面的投影矢量。
6.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外发射器和红外接收器为低功耗无线传感器节点，所述红外发射器在被无线激励唤醒后，根据接收到所述协同基站发送的无线同步群读信号，发射所述红外脉冲信号；所述红外接收器根据接收到的所述同步群读信号启动对所述视窗位移变量的信号采集。
7.如权利要求1至6任一项所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外接收器对所述目标点位移进行分期跟踪监测，并上传本期和/或不同分期的视窗位移变量；
8.如权利要求1至6任一项所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外接收器在保持接收姿态方向不变的前提下，对已调节对准的红外发射器的目标点进行定点跟踪监测；根据当前一次采集得到的峰值坐标相对于本期初始坐标的偏移量，计算本期的坐标位移，并通过映射转换计算入射面位移。
9.如权利要求1至6任一项所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，当需要选择对新的目标点进行跟踪监测时，所述协同基站通过引用对所述目标点最近一次调节对准的接收姿态方向参数，对所述红外接收器的接收姿态方向参数进行回归调节对准；
10.如权利要求1至6任一项所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，当所述目标点超出所述视窗响应区域时，所述协同基站通过无线控制所述红外接收器调节增大接收视角范围，使得当前被扫描覆盖的目标点进入所述视窗响应区域；
11.一种基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测装置，所述装置为红外对射式位移传感器，其特征在于，所述红外对射式位移传感器包括设置于建筑构件表面目标点的红外发射器和安装在观测点的红外接收器，所述红外接收器接收红外发射器对射发送的红外脉冲信号，并将采集的视窗位移变量上传给无线协同基站，所述红外接收器由以下模块构成：
12.如权利要求11所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测装置，其特征在于，所述耦合采集模块将进入所述接收视窗的红外入射信号转换为二维强度分布，具体由以下单元构成：
...【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述无线传感网络中低功耗无线传感器节点被若干协同基站无线覆盖；红外对射式位移传感器包括设置于建筑构件表面目标点的红外发射器和安装在观测点的红外接收器，所述协同基站通过采集所述红外接收器上传的视窗位移变量，对所述建筑构件表面目标点位移进行跟踪监测，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外接收器以窄视角对准接收所述红外发射器发射的红外脉冲信号；所述红外接收器对通过所述接收视窗接收的红外入射信号进行光学过滤，并通过光学聚焦调节对接收视角范围进行调节，以对准接收所述红外发射器单点或多点所在区域。
3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外发射器以预埋或表面安装方式被设置于所述建筑构件表面上，所述红外发射器通过在所述建筑构件表面上的微孔红外发射窗发射所述红外脉冲信号；
4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述协同基站基于对所述视窗位移变量的采集数据，根据红外接收的窗口入射角通过多向映射转换将所述红外接收器采集上传的视窗位移映射转换为入射面位移，再根据所述入射面位移映射转换为给定坐标系的目标点的位移矢量。
5.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，由至少两个不同观测接收方向的红外接收器对准接收同一目标区域相同或不同的目标点，所述协同基站根据采集获得的不同对射方向的视窗位移变量，通过映射转换分别获得不同方向的入射面位移，再将所述入射面位移以多向映射转换合成为指定坐标系的三维位移矢量；所述入射面位移即目标点位移矢量在入射面的投影矢量。
6.如权利要求1所述的基于无线传感网络的红外对射式建筑位移监测方法，其特征在于，所述红外发射器和红外接收器为低功耗无线传感器节点，所述红...
【专利技术属性】
技术研发人员：张淼，徐力，马天军，戴春赟，范辉煜，吴俊杰，郭俊，钱德志，
申请(专利权)人：泉州信息工程学院，
类型：发明
国别省市：
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