本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)無線通信及傳感器，主要涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)在面向建筑監(jiān)測時，對低功耗無線位移傳感器的信號獲取、數(shù)據(jù)采集及協(xié)同計算，尤其涉及基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的紅外對射式建筑位移監(jiān)測方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)無線通信、傳感器及邊緣計算等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對各類建筑對象進(jìn)行在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，具有極為重要的價值。

2、面向建筑監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括若干無線協(xié)同基站和分布式低功耗無線傳感器節(jié)點。通過在建筑物內(nèi)部（包括構(gòu)件表面、內(nèi)部及連接間隙）預(yù)埋分布式低功耗傳感器節(jié)點陣列，對目標(biāo)建筑整體及局部區(qū)域的傳感狀態(tài)變量進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集；所述傳感狀態(tài)變量包括可觀測的結(jié)構(gòu)形態(tài)變量及對與內(nèi)部相關(guān)物理變量。

3、建筑安全監(jiān)測面向目標(biāo)建筑整體及局部區(qū)域的位移、變形、損傷及老化等方面，對相關(guān)狀態(tài)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測評估；其中，建筑位移監(jiān)測是監(jiān)測評估各類建筑變形的基礎(chǔ)；通過對分布式離散目標(biāo)點位移的數(shù)據(jù)采集，可以對目標(biāo)區(qū)域的位移分布進(jìn)行擬合計算，從而對主體結(jié)構(gòu)的整體輪廓變形及局部變形進(jìn)行監(jiān)測評估。所述目標(biāo)點為構(gòu)件表面區(qū)域有代表性的可觀測點，應(yīng)優(yōu)先被設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件上。

4、用于建筑監(jiān)測的位移傳感器可以被劃分為觀測式位移傳感器（遠(yuǎn)點位移傳感器）和接近式近點位移傳感器；所述觀測式位移傳感器用于對被測目標(biāo)點相對于遠(yuǎn)距離觀測點（參考點）的位移檢測；所述近點位移傳感器用于對目標(biāo)點相對于近距離物體的相對位移檢測。顯然，至少對建筑主體結(jié)構(gòu)上的部分關(guān)鍵目標(biāo)點用觀測式位移位移傳感器（位移監(jiān)測設(shè)備）進(jìn)行位移監(jiān)測；在此基礎(chǔ)上可再使用近點位移傳感器對相鄰構(gòu)件之間連接間隙進(jìn)行相對位移監(jiān)測。

5、現(xiàn)有市場上觀測式位移傳感器主要基于激光、紅外、無線射頻、超聲等物理信號傳輸方式。在未設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)之前，建筑構(gòu)件表面缺乏預(yù)埋傳感器節(jié)點?，F(xiàn)有觀測式位移傳感器大多以反射式測距為主，包括基于光線時間飛行、三角回差、相移、干涉、光譜共焦等方法的激光或紅外位移傳感器。通過對指定觀測方向測量觀測點到目標(biāo)點的距離，可計算反射點的位置坐標(biāo)。

6、現(xiàn)有觀測式位移傳感器技術(shù)，主要通過檢測激光或紅外（包括紅外激光）的反射距離而計算反射點的位置坐標(biāo)；這種反射式測距方法雖然距離檢測精度高、單次檢測便利性好及通用性強等諸多優(yōu)點；但對于建筑表面區(qū)域的分布式目標(biāo)點位移的在線跟蹤監(jiān)測，仍存在以下技術(shù)缺陷：

7、1)目標(biāo)點位移跟蹤問題：考慮局部位移及變形，目標(biāo)構(gòu)件表面的反射點并非原來的真目標(biāo)點，難以對真目標(biāo)點進(jìn)行跟蹤監(jiān)測；反射法的測距精度并不代表目標(biāo)點位移測量精度（即便對于垂直入射方向的離面位移）。即便觀測目標(biāo)區(qū)域的剛體構(gòu)件，仍需要多向、多點距離檢測才能計算目標(biāo)點位移。

8、2)小角度方向觀測問題：由于需要測量反射光，正視角觀測方向有利于高精度測距；但若需要測量目標(biāo)點的表面切向位移（如垂直立面的側(cè)向位移及沉降位移），則須另外設(shè)置小角度觀測方向。如最常用的三角回差法位移傳感器測量表面切向位移時，常需要在反射點位置安裝反射鏡。

9、3)目標(biāo)表面性質(zhì)的影響：反射式測距會受到被測物體表面性質(zhì)、形狀及環(huán)境因素的影響；尤其在小角度測量切向位移時，若不安裝反射鏡可能無法測量或精度大幅度下降。雖然可以安裝反射鏡測量個別目標(biāo)點位移；但同一反射鏡只能支持特定方向的位移測量，而安裝數(shù)量較多的反射鏡陣列，不僅會失去反射式測距的便利性優(yōu)勢，還會帶來安裝維護(hù)成本及外觀環(huán)境的問題。

10、4)觀測點區(qū)域的設(shè)置問題：考慮到對觀測設(shè)備的供電及維護(hù)的便利性，觀測點區(qū)域不能太多，設(shè)置少量（如2~3個）觀測點區(qū)域就能支持對大面積、大視角的目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)的分布式目標(biāo)點的三維位移進(jìn)行高精度在線監(jiān)測；但由于反射式測距需在特定觀測方向測量特定位移方向，不利于減少觀測點區(qū)域數(shù)量的設(shè)置。

11、在單點觀測式位移檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過光學(xué)圖像檢測（如主動紅外激光掃描、被動熱紅外成像檢測設(shè)備），可快速對目標(biāo)建筑表面的分布式距離及位置坐標(biāo)進(jìn)行檢測，尤其對視場區(qū)域的相對位移的測量，發(fā)現(xiàn)局部鼓脹、裂痕等表面損傷具有較好的監(jiān)測效果。但由于設(shè)備單機(jī)成本高、單點位移測量絕對精度不高、對視窗目標(biāo)點缺乏選擇性、復(fù)雜的圖像處理算法等問題，光學(xué)圖像檢測更適合于在短距離、正視角對目標(biāo)區(qū)域相對位移及損傷的監(jiān)測；而非對分布式關(guān)鍵目標(biāo)點的長期在線跟蹤監(jiān)測。

12、相比于反射式測距技術(shù)來說，對射式位移傳感器可以克服上述部分技術(shù)缺陷，但仍需解決以下問題∶1)在建筑物表面安裝傳感器節(jié)點（發(fā)射器或接收器）的低成本安裝問題；2)超低功耗問題：需采取無源節(jié)點或超低功耗有源節(jié)點（一次性超長電池續(xù)航），則可大大有利于解決安裝維護(hù)及防水問題（全非封閉結(jié)構(gòu)）；3)多個位移方向的測量計算問題：通過多向映射轉(zhuǎn)換，精確計算任意坐標(biāo)系的三維位移矢量，包括建筑表面切向位移及離面位移；4)長期跟蹤監(jiān)測的位移量程問題：當(dāng)目標(biāo)點發(fā)生較大位移導(dǎo)致位移量程不夠時，應(yīng)能夠快速調(diào)節(jié)對射方向使發(fā)射器與接收器對準(zhǔn)。

13、在上述各種反射式或?qū)ι涫綔y距方法中，需考慮選擇激光還是紅外（包括紅外激光）傳輸方式。其中，激光位移傳感器在遠(yuǎn)距離檢測精度相對更高。但由于遠(yuǎn)距離激光發(fā)射器需要提前預(yù)熱，無法實現(xiàn)瞬態(tài)啟動的低功耗機(jī)制；若采用對射式，只能將低功耗無線激光接收器預(yù)埋于目標(biāo)建筑構(gòu)件的表面，其技術(shù)復(fù)雜度及綜合成本相對較高，適合對關(guān)鍵目標(biāo)點位移進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

14、而紅外發(fā)射器、接收器均具有低成本、小體積、低功耗、可瞬態(tài)啟動（無預(yù)熱或短暫預(yù)熱）的優(yōu)點。在一定的觀測距離范圍，選擇分布式紅外發(fā)射器預(yù)埋于目標(biāo)區(qū)域，而安裝在觀測點紅外接收器可對準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域多個紅外發(fā)射點，非常有利于低成本的大規(guī)模節(jié)點陣列預(yù)埋。但尤其需要考慮解決環(huán)境背景紅外輻射的干擾問題。

15、因此，在考慮面向建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求的背景下，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)預(yù)埋低功耗無線位移傳感器節(jié)點，對建筑構(gòu)件表面目標(biāo)點位移變量及三維位移矢量，進(jìn)行長期持續(xù)性追蹤監(jiān)測，成為亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，如何使紅外對射式位移傳感器獲得瞬態(tài)激勵喚醒，具有瞬態(tài)啟動的超低功耗，如何使紅外接收器對準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域，對目標(biāo)點紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外脈沖信號進(jìn)行耦合采集，解決環(huán)境背景紅外輻射的干擾問題；如何計算紅外入射信號的強度峰值及視窗位移變量，并通過多向映射轉(zhuǎn)換計算三維位移矢量，獲得對位移變量的高精度數(shù)據(jù)采集，對目標(biāo)點位移進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)測。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的紅外對射式建筑位移監(jiān)測方法和裝置。

3、第一方面，本發(fā)明公開了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的紅外對射式建筑位移監(jiān)測方法，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)中低功耗無線傳感器節(jié)點被若干協(xié)同基站無線覆蓋；紅外對射式位移傳感器包括設(shè)置于建筑構(gòu)件表面目標(biāo)點的紅外發(fā)射器和安裝在觀測點的紅外接收器，所述協(xié)同基站通過采集所述紅外接收器上傳的視窗位移變量，對所述建筑構(gòu)件表面的目標(biāo)點位移進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，所述方法包括以下步驟：所述紅外發(fā)射器和紅外接收器被激勵喚醒后，所述紅外接收器通過其接收視窗接收所述紅外發(fā)射器對射發(fā)送的紅外脈沖信號；所述紅外接收器在同步采樣周期通過光電耦合陣列對紅外入射信號進(jìn)行耦合采集，獲得與視窗響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的強度分布；所述紅外接收器基于所述強度分布通過二維峰值擬合計算得到與所述紅外入射信號的強度峰值點對應(yīng)的視窗位移變量；所述紅外接收器無線應(yīng)答發(fā)送所述視窗位移變量給所述協(xié)同基站，所述協(xié)同基站根據(jù)對所述視窗位移變量的數(shù)據(jù)采集，對所述目標(biāo)點位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算及跟蹤監(jiān)測。

4、可選地，所述紅外接收器以窄視角對準(zhǔn)接收所述紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外脈沖信號；所述紅外接收器對通過所述接收視窗接收的紅外入射信號進(jìn)行光學(xué)過濾，并通過光學(xué)聚焦調(diào)節(jié)對接收視角范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，以對準(zhǔn)接收所述紅外發(fā)射器單點或多點所在區(qū)域。

5、可選地，所述紅外發(fā)射器以預(yù)埋或表面安裝方式被設(shè)置于所述建筑構(gòu)件表面上，所述紅外發(fā)射器通過在構(gòu)件表面上的微孔紅外發(fā)射窗發(fā)射所述紅外脈沖信號；所述紅外脈沖信號為所述紅外發(fā)射器在窄帶紅外頻段發(fā)射的一種高頻脈沖調(diào)制信號，使得所述紅外接收器通過對所述光電耦合陣列的耦合采集信號進(jìn)行高頻帶通濾波，以剔除其中對背景紅外輻射的耦合采集信號。

6、可選地，所述協(xié)同基站基于對所述視窗位移變量的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)紅外接收的窗口入射角通過多向映射轉(zhuǎn)換將所述紅外接收器采集上傳的視窗位移映射轉(zhuǎn)換為入射面位移，再根據(jù)所述入射面位移映射轉(zhuǎn)換為給定坐標(biāo)系的目標(biāo)點的位移矢量。

7、可選地，由至少兩個不同觀測接收方向的紅外接收器對準(zhǔn)接收同一目標(biāo)區(qū)域相同或不同的目標(biāo)點，所述協(xié)同基站根據(jù)采集獲得的不同對射方向的視窗位移變量，通過映射轉(zhuǎn)換分別獲得不同方向的入射面位移，再將所述入射面位移以多向映射轉(zhuǎn)換合成為指定坐標(biāo)系的三維位移矢量；所述入射面位移即目標(biāo)點位移矢量在入射面的投影矢量。

8、可選地，所述紅外發(fā)射器和紅外接收器為低功耗無線傳感器節(jié)點，所述紅外發(fā)射器在被無線激勵喚醒后，根據(jù)接收到所述協(xié)同基站發(fā)送的無線同步群讀信號，發(fā)射所述紅外脈沖信號；所述紅外接收器根據(jù)接收到的所述同步群讀信號啟動對所述視窗位移變量的信號采集。

9、可選地，所述紅外接收器對所述目標(biāo)點位移進(jìn)行分期跟蹤監(jiān)測，并上傳本期和/或不同分期的視窗位移變量；在啟動新的一期定點跟蹤監(jiān)測之前，所述紅外接收器通過對接收姿態(tài)方向參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)對準(zhǔn)，使得經(jīng)過所述調(diào)節(jié)對準(zhǔn)后所述峰值坐標(biāo)對應(yīng)的本期初始坐標(biāo)對準(zhǔn)進(jìn)入所述視窗響應(yīng)區(qū)域的初始坐標(biāo)范圍。

10、可選地，所述紅外接收器在保持接收姿態(tài)方向不變的前提下，對已調(diào)節(jié)對準(zhǔn)的紅外發(fā)射器的目標(biāo)點進(jìn)行定點跟蹤監(jiān)測；根據(jù)當(dāng)前一次采集得到的峰值坐標(biāo)相對于本期初始坐標(biāo)的偏移量，計算本期的坐標(biāo)位移，并通過多向映射轉(zhuǎn)換計算入射面位移。

11、可選地，當(dāng)需要選擇對新的目標(biāo)點進(jìn)行跟蹤監(jiān)測時，所述協(xié)同基站通過引用對所述目標(biāo)點最近一次調(diào)節(jié)對準(zhǔn)的接收姿態(tài)方向參數(shù)，對所述紅外接收器的接收姿態(tài)方向參數(shù)進(jìn)行回歸調(diào)節(jié)對準(zhǔn)；若在對所述目標(biāo)點最近一次調(diào)節(jié)對準(zhǔn)之后發(fā)生了新的坐標(biāo)位移，則通過引用基于所述坐標(biāo)位移對所述接收姿態(tài)方向參數(shù)獲得的修正值，對所述紅外接收器的接收姿態(tài)方向參數(shù)進(jìn)行回歸調(diào)節(jié)對準(zhǔn)。

12、可選地，當(dāng)所述目標(biāo)點超出所述視窗響應(yīng)區(qū)域時，所述協(xié)同基站通過無線控制所述紅外接收器調(diào)節(jié)增大接收視角范圍，使得當(dāng)前被掃描覆蓋的目標(biāo)點進(jìn)入所述視窗響應(yīng)區(qū)域；當(dāng)所述協(xié)同基站通過無線控制所述紅外接收器調(diào)節(jié)所述接收視角范圍，使得當(dāng)前采集的峰值坐標(biāo)對準(zhǔn)進(jìn)入所述視窗響應(yīng)區(qū)域的初始坐標(biāo)范圍后，再調(diào)節(jié)縮小所述接收視角范圍并進(jìn)行必要的姿態(tài)糾偏，以提升所述紅外接收器對接收方向角度的光學(xué)分辨精度。

13、第二方面，本發(fā)明還公開了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的紅外對射式建筑位移監(jiān)測裝置，所述裝置為紅外對射式位移傳感器，其特征在于，所述紅外對射式位移傳感器包括設(shè)置于建筑構(gòu)件表面目標(biāo)點的紅外發(fā)射器和安裝在觀測點的紅外接收器，所述紅外接收器接收紅外發(fā)射器對射發(fā)送的紅外脈沖信號，并將采集的視窗位移變量上傳給無線協(xié)同基站，所述紅外接收器由以下模塊構(gòu)成：喚醒接收模塊：用于被激勵喚醒后通過其接收視窗接收所述紅外發(fā)射器對射發(fā)送的紅外脈沖信號；耦合采集模塊：用于在同步采樣周期通過光電耦合陣列對紅外入射信號進(jìn)行耦合采集，獲得與視窗響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的強度分布；位移計算模塊：用于基于所述強度分布通過二維峰值擬合計算得到與所述紅外入射信號的強度峰值點對應(yīng)的視窗位移變量；應(yīng)答發(fā)送模塊：用于無線應(yīng)答發(fā)送所述視窗位移變量給所述協(xié)同基站，所述協(xié)同基站根據(jù)對所述視窗位移變量的數(shù)據(jù)采集，對所述目標(biāo)點位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算及跟蹤監(jiān)測。

14、可選地，所述耦合采集模塊將進(jìn)入所述接收視窗的紅外入射信號轉(zhuǎn)換為二維強度分布，具體由以下單元構(gòu)成：光電耦合陣列：用于將經(jīng)過光學(xué)處理的所述紅外入射信號轉(zhuǎn)換為光電耦合信號；掃描選擇單元：通過發(fā)送掃描選擇信號對所述光電耦合陣列中的光電轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行掃描選擇；濾波采樣單元：對所述光電耦合信號按所述紅外入射信號的脈沖頻率進(jìn)行高頻帶通濾波，剔除所述光電耦合信號中包含的對紅外背景輻射的采集信號；分布采集單元：對濾波后的采樣信號進(jìn)行a/d采集，獲得與所述光電耦合陣列對應(yīng)的二維強度分布。

15、從上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可知，本發(fā)明基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，低功耗無線紅外對射式位移傳感器在被激勵喚醒后的瞬態(tài)時隙進(jìn)行信號發(fā)送及接收采集，具有瞬態(tài)無線啟動的超低功耗機(jī)制；紅外接收器對準(zhǔn)接收目標(biāo)點紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外脈沖信號，對目標(biāo)點位移進(jìn)行定點跟蹤監(jiān)測；紅外接收器通過光電耦合陣列對紅外入射信號進(jìn)行耦合采集，獲得與視窗響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的強度分布，通過二維峰值擬合計算得到強度峰值點對應(yīng)的視窗位移變量，獲得高精度位移變量數(shù)據(jù)采集；基于對視窗位移變量采集數(shù)據(jù)對目標(biāo)點位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算及跟蹤監(jiān)測，解決了小角度方向觀測、高精度位移變量采集及多個位移方向的測量計算問題。

16、因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明紅外對射式位移傳感器通過紅外接收器以窄視角對準(zhǔn)接收紅外發(fā)射器發(fā)射的大角度紅外脈沖信號，紅外接收器通過對紅外入射信號進(jìn)行耦合采集，計算視窗位移變量，獲得高精度位移變量數(shù)據(jù)采集，解決環(huán)境背景紅外輻射干擾問題；通過定點跟蹤監(jiān)測及映射轉(zhuǎn)換計算，解決了多個位移方向的映射計算問題，可精確計算任意坐標(biāo)系的三維位移矢量。

17、本發(fā)明紅外對射式位移傳感器，紅外發(fā)射器和紅外接收器均為可瞬態(tài)激勵喚醒的低功耗無線傳感器節(jié)點；預(yù)埋于目標(biāo)區(qū)域的紅外發(fā)射器可以為被低頻激勵的無源節(jié)點或為超低功耗有源節(jié)點，具有易于激勵快速尋找、低成本、小體積、封閉結(jié)構(gòu)、易于防水及快速預(yù)埋安裝等優(yōu)點，非常有利于在建筑區(qū)域以分布式節(jié)點陣列進(jìn)行大規(guī)模預(yù)埋；紅外接收器可安裝于大角度觀測方向范圍內(nèi)任意指定的觀測點區(qū)域，以窄視角對準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域?qū)σ粋€或多個紅外發(fā)射點進(jìn)行定點跟蹤監(jiān)測，有利于提升光學(xué)觀測精度、減少觀測點區(qū)域設(shè)置數(shù)量；通過對紅外脈沖信號濾波，解決環(huán)境背景紅外輻射的干擾問題。