基于物联网的工程建设监测与安全监控系统

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 9.49MB 56 页 15积分

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基于物联网的工程建设监测与安全

监控系统

摘要

在重大建筑项目的施工和运营过程中，建筑施工安全的控制则成为一项紧迫必要

的系统工程。为掌握建筑结构温度参数，通常在结构表面布置温度传感器，采集相关数

据，以掌握结构物实时的温度信息。为对施工建筑物每层楼内的人员位置的监控，则需

采用室内无线定位技术来获得施工人员的具体地理位置信息。本文提出使用 RFID 和

WSN 技术协同作用来监测建筑结构实时的温度信息，动态采集建筑结构相应的位置节

点参数；采用基于 WiFi 和蓝牙 4.0 相融合的室内定位技术对施工人员的具体地理位置

信息实时监控，使信号传输具有实时性、准确性、完整性，实现远程无线监测建筑结构

的数据以及相应的位置信息。这样技术人员可以方便地远程监控建筑现场状态的变化，

指导现场人员的安全可靠施工。

在本文中，主要做了以下工作：

首先，介绍了工程建设普遍所使用的监控技术，并对各种监控技术进行了分析，

针对施工过程结构状态的监测方法和设备的一些问题，提出 RFID 和WSN 相融合的技

术来远程无线监控建筑结构的实时状态。

其次，概述了各类常用的室内无线定位技术，并对它们的性能精度、稳定性和实时

性进行了评价。研究了 WLAN 环境下室内无线定位原理，对基于位置指纹定位法的室

内无线定位技术进行了分析。针对其采样信号误差较大和稳定性差的问题，提出了基于

WiFi 和蓝牙 4.0 相融合的室内定位技术。

最后，针对 WiFi 和蓝牙 4.0 相融合的室内定位技术，使用卡尔曼滤波器的理论模

型将两种传感器进行特征级的多模融合，来提高定位精度和鲁棒性。并对该系统从

WiFi 和BLE4.0 传感器基站 AP、服务器端、客户端三部分进行总体架构设计与实现。系

统进行了综合测试，绝大多数功能可以达到预期效果,在面对用户请求的情况下能较快

给予用户响应。

关键词：建筑结构检测无线局域网低功耗蓝牙 4.0 定位系统位置指纹

ABSTRACT

In the process of major projects construction and operation,the reliability and safety of

control in the construction field becomes a system engineering of urgent and inevitable

trend.To master the temperature parameters of the building structure, usually the temperature

sensors is disposed in the surface of the structure, collecting relevant data, in order to grasp

the structure temperature information in real time. To monitor the staff position in each layer

of construction building, it must be through indoor wireless location technology to obtain the

specific location information of builders.This paper presents in Internet of things by using

RFID and WSN technology synergy to monitoring the temperature of building structure in

real-time, dynamic acquisition any specific structure node’s location parameters, monitoring

the specific geographic position information of builders in real-time through indoor

positioning technology of WLAN and BLE 4.0 combined,make signal transmission real-time,

accuracy, integrity,make it possible to monitor building structure data and corresponding

location information remotely and wirelessly.In this way technicians in remote field can

conveniently monitor the building state changes, guide the field builders to work safely and

reliablely.

The main works of this paper are:

Firstly, introduce the widely used monitoring technology in the engineering construction,

analyze the various monitoring techniques, because of some problems of construction

monitoring methods and equipments, RFID and WSN coordinated technology is proposed to

monitor the building structure remotely and wirelessly .

Secondly, overview the various types of commonly used indoor wireless location

technology, and evaluate their performance accuracy, stability and real-time.Introduce the

principle of WLAN based positioning technology and analyze the Fingerprint Positioning

method.According to the sampling signal of errors and poor stability problem, put forward the

indoor positioning technology of WLAN and BLE4.0.

Finally, according to the indoor positioning technology of WLAN and BLE4.0,through

the Calman filter theoretical model make two kinds of sensor multiode fusion with feature

level, in order to improve the position accuracy and robustness. And the system overall

architecture will be designed and implemented from three part of the WiFi and BLE4.0

sensors AP station, server, client.The system is tested comprehensively, most of the function

can achieve the expected effect, and the user experience can be quickly responsed.

Keywords: building structure detecting, WLAN, BLE4.0, positioning

system, location fingerprint

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论................................................................................................................................1

1.1 研究背景与意义............................................................................................................1

1.2 国内外研究现状............................................................................................................2

1.3 主要研究工作及结构安排............................................................................................3

第二章 RFID 和WSN 相协同的工程监控技术.......................................................................5
3  RFID 总数据采集单元结构.........................................................................................8
4  系统软件设计...............................................................................................................9
4.1  主机应用软件.....................................................................................................9
4.2  现场控制中心控制流程...................................................................................10
4.3  采集单元控制流程...........................................................................................11
第三章 室内无线定位相关技术介绍......................................................................................13
1 室内无线定位技术概述..............................................................................................13
2 常用的室内无线定位技术..........................................................................................14
2.1  ZigBee 定位技术..............................................................................................14
2.2  RFID 定位技术.................................................................................................14
2.3  低功耗蓝牙（BLE4.0）定位技术..................................................................15
2.4  UWB 定位技术.................................................................................................15
2.5  WLAN 定位技术..............................................................................................15
3.2  定位的稳定性指标...........................................................................................16
3.3  定位的实时性指标...........................................................................................17
第四章  WLAN 环境下室内无线定位技术介绍....................................................................18
1 基于 WLAN 的室内无线定位原理............................................................................18
2 基于 WLAN 的室内无线定位方法............................................................................20
2.1 几何法................................................................................................................20
2.2 近似法................................................................................................................21
2.3 位置指纹法........................................................................................................21
第五章 基于 WiFi 和BLE4.0 相融合的室内定位技术研究..................................................24
1  室内无线定位技术蓝牙 4.0 背景介绍......................................................................24
3  BLE 网络拓扑结构....................................................................................................25
4  BLE 协议栈介绍........................................................................................................26
5  在室内定位中利用位置指纹技术的相关理论.........................................................32
6  位置指纹法的定位过程.............................................................................................33
第六章 基于 WiFi 和BLE4.0 相融合的定位系统总体设计..................................................38
1  服务器端模块设计.....................................................................................................38
1.1  服务器定位模块...............................................................................................38
1.2  服务器端管理模块设计...................................................................................39
1.3  服务器数据库的设计.......................................................................................41
2  客户端模块设计.........................................................................................................43
3  传感器基站 AP 模块设计..........................................................................................44
第七章 基于 WiFi 和BLE4.0 相融合的室内定位系统的实现与测试..................................47
1  客户端显示模块实现.................................................................................................47
2  服务器端定位模块实现与测试.................................................................................48
2.1  定位数据消息格式...........................................................................................48
2.2  定位结果预测...................................................................................................49
3  WiFi 和蓝牙 4.0 相融合的基站模块实现.................................................................49
第八章  结论与展望.................................................................................................................55
2  展望.............................................................................................................................55

参考文献...................................................................................................................................57

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

近二十年来，随着我国社会经济的不断发展，超高层建筑在我国得到迅速发

展、高度不断增加,超高层建筑的可靠性控制涉及到目标的确立与分解、施工过程监

测、楼内施工人员安全情况以及施工可靠性评价等，其中施工过程楼内人员的位

置安全监测是关键环节，只有准确、快速获得施工过程中楼内人员的位置信息，

才能及时采取针对性技术措施，化解施工人员的潜在风险，达到可靠性控制。因

此，工程技术人员一直重视重大工程施工过程监测，以及施工人员安全的监控。

图 1-1 超高层建筑过程示意图

在重大工程的建造过程和运营过程中如图 1-1 所示，为掌握建筑结构性能状

态，在必要的建筑物结构内部或表面布置安全参数检测传感器来采集数据。如水

利工程的大坝在施工过程中就布置了大量的安全参数监测例如温度、应力、倾斜、

加速度等传感器以保证施工过程中的安全；超高建筑结构复杂、施工周期长、施工

过程中力系转换较多，在超高层建筑施工过程中，及时地、准确地掌握结构的状

态数据是可靠性控制的基础。只有真实的可靠的结构状态数据及时地反馈，才能

保证其施工过程的安全。

在超高层建筑的楼面内，为能够及时掌握施工人员所处的位置信息，防止在

施工过程中因员工无意识地走进危险区域而造成生命危险，提出了一种楼内人员

定位技术，实现对楼面施工人员位置的精确定位，并且能做到现场监控无死角，

特别是对进出口的监视、特殊作业工种定位的重点安全监控，一旦发现安全隐患

和安全事故，定位系统第一时间能够预警和报警；对存在问题进行动态跟踪、整

改及消项一个闭环管理。

此次我的毕业课题是基于物联网的工程建设监测与安全监控系统的设计，运用

物联网、WSN、RFID、WLAN 和蓝牙 4.0 环境下的室内无线定位等技术手段，设计

与实现一种基于物联网的施工监测与安全监控系统。

对于建筑施工安全监控市场对室内定位应用的特殊需求，出现了各种各样的室

内无线定位技术。常见的室内无线定位技术有：RFID 定位法、超宽带定位法、

Zigbee 定位法、超声波定位技术、红外定位法、BLE4.0 定位法和 WLAN 定位法等。

目前人们对复杂室内环境下的作业人员、宝贵资产、移动物体如集装箱的定位需求

上海理工大学硕士学位论文

越来越明显，人们也逐渐开始重视基于位置的室内定位服务。然而在复杂的室内

施工环境下精确的室内位置定位可以让监控人员及时了解现场环境信息动态以达

到安全高效率的施工。为增加室内无线定位技术的实用性，关于怎么提高室内定

位精度保证楼面内施工活动的安全将是本文对建筑施工安全监控领域的研究重点。

1.2 国内外研究现状

基于物联网的工程建设监测与安全监控系统主要由自组网络主动式RFID 传

感器监控和室内无线定位两部分组成。一方面在一些重大建设工程中使用这种自

组网络主动式RFID 传感器监控技术，结合混凝土成熟度评估系统，实时监测混

凝土施工质量，消除施工风险隐患[1]。另一方面重点研究基于 WiFi 和BLE4.0 环境

下的室内定位技术，其利用RSS 信号进行定位，能够充分利用现有的无线局域网

基站和蓝牙基站，以纯软件的方式即可实现定位服务。RSS 信号可以通过带有

WiFi 和蓝牙接口的笔记本电脑、PDA、智能手机的网卡中获取，以非常低的成本即

可实现对施工人员所处位置提供所需精度的定位服务。

根据目前掌握的国内外情况，基于 RFID 和WSN 在物联网下的协同定位与

监控技术的研究已经引起了国内外研究机构和高效的广泛关注。用于楼内或室内

的定位技术有很多，例如 RFID 定位法、超宽带定位法、Zigbee 定位法、超声波定位

技术、红外定位法、BLE4.0 定位法和 WLAN 定位法等。下面总结了近年来基于

UWB、红外线、WLAN、Zigbee、低功耗蓝牙等定位技术在无线定位领域所取得的

一些重要成果。

Ubisense 定位系统是一种基于 UWB 的室内定位系统，它由剑桥大学的研究

人员共同开发。由于UWB 无线窄带脉冲具有较强的穿透能力，它能不受视线传播

的约束，可以在复杂的室内环境下进行大范围安装、部署。Ubisense 系统充分发挥

出了 UWB 超宽带无线载波通信技术的优点使系统响应时间降低到毫秒级，能满

足对定位实时性要求较高的场合。但是超宽带技术自身的技术理论应用到实际系

统还有很多稳定性能问题，而且普通的民用领域因此类设备的成本较高无法大范

围推广使用。

Active Badge 系统采用的是扩散红外技术，应用时每个目标需要佩戴一个特

制的红外线标记器。红外线标记器每 15 秒钟发出一个定位请求标识号，然后固定

在建筑物内的红外接收传感器将接收到这些数据后传送到后台服务器，在服务器

中根据近似法估计目标的位置。Active Badge 系统的缺点是发射的红外光很容易与

荧光灯和太阳光发生混淆，受影响较大；红外线穿透力差，通信只有数米的有效

距离，使得基站的覆盖范围比较小。

Horus 定位系统是一种基于 RSSI 的WLAN 室内定位系统,由马里兰大学研究

人员设计，该系统分为两个阶段：离线采样阶段和在线定位阶段，在每个已知参

考点采集多个周围基站 AP 发出的 RSS 信号样本，并把这些 RSS 信号样本和已知

参考点的位置坐标存入数据库中，在线定位阶段则利用模式识别 RSSI 的方法在

数据库中匹配出最优的位置坐标。Horus 定位系统成本较低，且能达到较高的定位

精度，但它的缺点是在离线阶段需要在很多参考点采集信息，工作量较大。

近年来，国内也出现了很多室内人员定位的研究成果。

针对室内外无缝定位的应用需求和关键技术问题，中山大学田辉等人想出

充分利用城市环境下多种泛在无线信号，研发出一种泛在无线信号辅助无缝定位

的新方法，该定位方法在大多数无缝定位服务应用中已有对应定位系统的试用原

型。

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摘要：

基于物联网的工程建设监测与安全监控系统摘要在重大建筑项目的施工和运营过程中，建筑施工安全的控制则成为一项紧迫必要的系统工程。为掌握建筑结构温度参数，通常在结构表面布置温度传感器，采集相关数据，以掌握结构物实时的温度信息。为对施工建筑物每层楼内的人员位置的监控，则需采用室内无线定位技术来获得施工人员的具体地理位置信息。本文提出使用RFID和WSN技术协同作用来监测建筑结构实时的温度信息，动态采集建筑结构相应的位置节点参数；采用基于WiFi和蓝牙4.0相融合的室内定位技术对施工人员的具体地理位置信息实时监控，使信号传输具有实时性、准确性、完整性，实现远程无线监测建筑结构的数据以及相应的位置信息。这...

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