摘 要：常規(guī)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法主要使用希爾伯特黃變換HHT進(jìn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)分解，但該方式易受時(shí)頻信息線性變換作用影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)效果不佳。為此，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了支吊架安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器；開發(fā)了建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)流程；生成了建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)中心，從而實(shí)現(xiàn)了建筑機(jī)電安裝支吊架的安全監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用所設(shè)計(jì)方法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差較小，證明設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)效果較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高建筑機(jī)電安裝安全性具有較大作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；建筑；機(jī)電安裝；支吊架；安全監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集器

中圖分類號(hào)：TP39；U178 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-00-03

0 引 言

在高層建筑日漸增多的背景下，我國(guó)的建筑機(jī)電設(shè)備組成越來越復(fù)雜，安裝難度越來越高，經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的安裝安全事故[1]，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，需要研究一種有效的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法。

建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)主要包括以下幾個(gè)重要方面：其一，查看支吊架的外觀，檢查是否有明顯的變形、松動(dòng)、老化、腐蝕等情況，判斷支吊架的緊固部件是否牢固[2]；其二，獲取支吊架尺寸數(shù)據(jù)，包括各個(gè)支吊點(diǎn)的高度、距離、角度等參數(shù)；其三，利用各種類型的傳感器檢測(cè)支吊架的強(qiáng)度；其四，使用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)支吊架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移等重要參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患；其五，生成有效的安全監(jiān)測(cè)流程，及時(shí)發(fā)出告警。相關(guān)研究人員針對(duì)支吊架安全監(jiān)測(cè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了幾種常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法，包括基于紅外弧光的安全監(jiān)測(cè)方法以及考慮大數(shù)據(jù)應(yīng)用的安全監(jiān)測(cè)方法[3-4]。但大多數(shù)常規(guī)的安全監(jiān)測(cè)方法易受時(shí)頻信息線性變換作用的影響，監(jiān)測(cè)效果不佳。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的全新建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法。

1 建筑機(jī)電安裝支吊架物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)支吊架安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種按照約定協(xié)議進(jìn)行媒介交換識(shí)別的特殊技術(shù)，能快速采集監(jiān)測(cè)信息，提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了支吊架安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器主要由傳感器、電源、采集電路等組成[5]，可利用物聯(lián)網(wǎng)快速將相關(guān)命令發(fā)送至數(shù)據(jù)采集中心，并將采集后的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)中心，其組成架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，MCU數(shù)據(jù)處理模塊屬于數(shù)據(jù)采集器的核心模塊，其可以有效接收上位機(jī)命令，驅(qū)動(dòng)采集器獲取支吊架監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)[6]（包括應(yīng)力、加速度等），再利用傳輸節(jié)點(diǎn)匯總上傳至服務(wù)器中，完成參數(shù)采集任務(wù)。MCU數(shù)據(jù)處理模塊主要由傳感器接口、通信單元、轉(zhuǎn)換單元等組成，其內(nèi)含電阻式應(yīng)變片[7]，測(cè)量原理為：

（1）

式中：E代表彈性模塊；ε代表吊支架應(yīng)變。電阻變化量計(jì)算公式為：

（2）

式中：R代表應(yīng)變片的初始阻值；?R代表阻值變化量；K0代表監(jiān)測(cè)靈敏系數(shù)。由于部分支吊架形變信號(hào)難以被監(jiān)測(cè)和識(shí)別，會(huì)影響最終的監(jiān)測(cè)平衡性[8]。因此，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器利用惠斯通電橋測(cè)量原理進(jìn)行了電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。電橋靈敏度SV表達(dá)式為：

（3）

式中：U代表平衡參量；V1代表電橋供電電壓。在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集過程中，最終的結(jié)果可能受多種因素影響，造成輸出偏移問題[9-10]。為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器的綜合性能，可以使用半橋鄰邊法進(jìn)行連通補(bǔ)償，快速消除輸出誤差，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。

1.2 建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)流程

在建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)的過程中，需要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)集成處理，并判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)序關(guān)系。該過程難度較高，需要有可靠的流程支持。為此，本文設(shè)計(jì)了建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)流程。先設(shè)定一個(gè)初始的監(jiān)測(cè)信號(hào)增益值，并在此基礎(chǔ)上利用參考電阻進(jìn)行內(nèi)置運(yùn)算放大處理。輸出電壓VOUT的表達(dá)式如下：

（4）

然后，設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)頻域，重復(fù)發(fā)送監(jiān)測(cè)指令。監(jiān)測(cè)掃描過程主要包括3部分：第一部分，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模式寫入；第二部分，進(jìn)入初始化模式；第三部分，掃描和監(jiān)測(cè)頻率。待上述步驟完成后，就可以準(zhǔn)確地接收到監(jiān)測(cè)信號(hào)。

在監(jiān)測(cè)過程中，需要使用無線通信方式接收和發(fā)送監(jiān)測(cè)命令，再將其按照有效形式傳輸?shù)街骺乇O(jiān)測(cè)中心。本文根據(jù)主要的監(jiān)測(cè)步驟編寫了A/D嵌入式程序，設(shè)計(jì)了支吊架安全監(jiān)測(cè)流程，如圖2所示。

支吊架安全監(jiān)測(cè)程序主要利用Visual C++與MATLAB混合編寫，通過人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化。該監(jiān)測(cè)流程能顯著縮短監(jiān)測(cè)周期，快速準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)參數(shù)，從而在最大程度上確保監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全性。

1.3 建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)中心

支吊架安全監(jiān)測(cè)過程中需要完成多種復(fù)雜的監(jiān)測(cè)任務(wù)并及時(shí)進(jìn)行告警，因此監(jiān)測(cè)任務(wù)的復(fù)雜度較高。本文采用輪詢法訪問監(jiān)測(cè)程序，搭建了建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)中心，以實(shí)現(xiàn)多核并行處理。建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)中心如圖3所示。

由圖3可知，建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)中心主要包括集中任務(wù)與用戶任務(wù)，集中任務(wù)主要是進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，用戶任務(wù)則是為應(yīng)用程序提供服務(wù)信息。監(jiān)測(cè)時(shí)需要根據(jù)CPU的占用狀態(tài)確定鏈路的切換狀態(tài)，定期修改任務(wù)指令。部分監(jiān)測(cè)臨界代碼程序可能受其他應(yīng)用的干擾存在啟用異常的問題。因此，本文使用SR進(jìn)行臨界段定義，通過OSStartHighRdy（ ）、OSCtxSw（ ）、OSIntCtxSw（ ）和 OSTickISR（ ）等函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)時(shí)執(zhí)行調(diào)度任務(wù)，以提高支吊架安全監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果，本文配置了可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將本文方法與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]提出的常規(guī)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)要求，本文選取IAR7.1作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)工具，配置了仿真監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其主要由計(jì)算機(jī)、線性電源、調(diào)試工具、支吊架模型組成，同時(shí)使用PCB電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，通過RS 485實(shí)現(xiàn)通信。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置完畢后，需要將實(shí)驗(yàn)硬件程序輸入到實(shí)驗(yàn)單片機(jī)中，進(jìn)行多應(yīng)變傳感測(cè)試和數(shù)據(jù)采集。本文使用應(yīng)變模擬法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定處理，剔除異常實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而降低實(shí)驗(yàn)誤差。

本實(shí)驗(yàn)主要使用MCU數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器模塊獲取支吊架的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)示意圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完畢后，需要配置實(shí)驗(yàn)服務(wù)器。本文選取Windows Server作為實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，并建立TCP連接，再利用HeidiSQL數(shù)據(jù)可視化軟件輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取有效的實(shí)驗(yàn)參量，最終輸出準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

完成上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備后，可以進(jìn)行建筑機(jī)電安裝支吊架監(jiān)測(cè)，即預(yù)設(shè)不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在配置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下分別使用本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法、文獻(xiàn)[3]的基于紅外弧光的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法，以及文獻(xiàn)[4]的考慮大數(shù)據(jù)應(yīng)用的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將3種方法的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可知，利用本文方法在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的支吊架微應(yīng)變值與實(shí)際支吊架微應(yīng)變值相差較小，而采用文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值相差較大。表明本文設(shè)計(jì)的支吊架安全監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果較好，具有較高的準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。支吊架是支撐和固定管道與設(shè)備的重要部件，其安全性影響到整個(gè)建筑機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。支吊架在使用過程中會(huì)受到溫度變化、載荷變化等各種因素的影響。如果支吊架出現(xiàn)故障或失效，可能會(huì)導(dǎo)致管道和設(shè)備失去支撐，引發(fā)安全事故。通過安全監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)支吊架的異常情況，并及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和更換。支吊架的組成較復(fù)雜，因而監(jiān)測(cè)難度較高，常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果較差，不符合目前的監(jiān)測(cè)要求。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)電安裝支吊架安全監(jiān)測(cè)方法具有很好的監(jiān)測(cè)效果，可靠性較高，有一定的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)榻档徒ㄖC(jī)電安裝風(fēng)險(xiǎn)作出一定的貢獻(xiàn)。

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