国家“十三五”期间大力推进信息技术在装配式建筑中的应用, 建立基于物联网等技术的云服务平台, 结合建筑业需求研发低成本、低功耗的智能传感设备, 加强物联网等信息技术的集成应用能力, 因此通过物联网技术与装配式建筑的结合可以有效解决预制构件实时监控问题^[1,2]。物联网技术是目前建筑业应用的热点技术, 主要以RFID技术与传统无线网络为主, 并结合BIM技术建立信息系统, 国外有SONG JC等人通过将RFID和GIS技术结合对建筑材料进行定位, 实现了对建筑材料的自动追踪和实时信息获取^[3];国内有常春光等人将RFID技术与BIM技术结合应用到装配式建筑中, 研究了基于这2个技术系统的应用过程^[4]。但数据传输距离短, 无线通信网络抗干扰差以及高昂的网络传输费用都成为物联网技术应用的障碍, 而近两年兴起的由Semtech公司发布的一种新型的基于1GHz以下的超长热距低功耗数据传输技术, 简称LoRa技术, 作为低功率广域物联网中的一种, 给物联网技术带来了革命性的改变, 通过使用扩频技术和特殊的LoRa调制方式, 使其在低传输速率情况下, 具有传输距离远、穿透力强、低成本、功耗低的优势。目前LoRa技术主要应用于智能停车场、远程无线抄表、智慧农业、智能路灯等领域, 建筑业将成为该技术一个新的应用领域, 本文的解决方案旨在填补LoRa无线通信技术在装配式建筑的应用空白, 为建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展。

预制装配式构件由工厂运至施工现场后会由业主和监理进行现场验收, 要对预制构件尺寸和预留孔洞的规格、位置等情况进行检查, 不能有严重的外观和质量残缺^[5]。目前通常使用二维码或RFID标签对构件进行编码和信息储存, 施工人员会重点把关构件尺寸是否与图纸设计一致, 通过扫描二维码核查构件信息, 并用信息记录表记录下信息, 逐一检查后方可入场, 同时检查构件质量, 发现有严重问题及时向负责人反应。

当使用二维码和RFID标签对预制构件进行信息采集时, 由于二维码过于依赖光线扫描识别, 速度慢、识别成功率低, 容易被水和污渍等物质污染且容易折损, 信息存储量有限^[2], 给施工带来不便;而通过RFID技术采集的信息是静态的且只能进行信息匹配、查看构件信息是否有误, 不能满足对吊装、安装过程中垂直度等构件实时状态的智能监测。

所有构件检查完毕后用低平板车运至构件堆场时, 需对构件按照不同类别进行堆放, 保证1~2层的储存量, 以免由于预制构件供应不足而造成施工进度拖延^[6]。同时考虑施工顺序将最先需要吊装的构件放在较易运至现场的地点, 使其拥有最优的运输路线, 在此过程中施工人员按照施工方案以及施工进度对预制构件进行调配。

实际操作中, 由于大量构件外观上极其相似, 虽然已经按照设计图纸将构件进行编号并区分, 但仍无法在施工过程中快速准确地找到相应构件, 从而降低了装配式建筑的施工效率^[7]。装配式建筑施工过程中, 构件装车顺序、施工现场的进度情况都需要及时沟通。是否需要运输新的构件、构件吊装顺序是否有更新, 都需要信息化手段来解决。

预制构件施工吊装时, 首先进行试吊, 然后按照预先测量放线的位置将构件吊至大概位置, 此过程需要现场工人以及起重机操作人员熟练配合, 如图1所示, 依靠肉眼观察进行定位, 随后工人手扶构件缓慢下落。以预制外墙板为例, 在正确对钢筋孔落下后, 现场工人需利用铅垂线对构件的垂直度进行检测, 满足要求后方可进行下一个构件吊装。

传统的装配式建筑构件吊装时, 没有定位设备对预制构件进行实时的位置信息控制, 会将时间浪费在施工人员的沟通上, 并且由于信息化程度低, 沟通效率也不高。垂直度检测方法也对施工人员的安全造成一定隐患, 同时对施工进度造成影响。

基于上述原因, 装配式建筑的结构特性决定了其工业化形式, 施工过程的信息协同尤为重要, 传统的管理模式已经无法满足装配式建筑的管理需求, 虽然BIM技术的应用逐渐成熟, 构件的设计生产水平也在提高^[8], 但在施工过程中, 更多的问题是信息与数据管理方面的落后和不完善^[9]。

为解决上述问题, 本文提出一种基于低功耗广域网的装配式建筑施工过程信息化解决方案, 搭建基于LoRa技术的装配式建筑施工信息管理系统, 为装配式建筑引入新的施工管理技术, 从而更好地推动装配式建筑施工方式的升级革新。

低功耗广域网简写LPWAN (low power wide area network) , 是物联网的一种, 与传统的物联网相比该网络具有功耗更低、电池寿命更长、传输范围更广的特点, 本文采用的是Semtech公司的LoRa技术, 本质是扩频调制技术, 并融合了前向纠错编码与数字信号处理技术。扩频技术在军事和航空通信领域已有几十年的应用历史, 该技术拥有高鲁棒性以及超长的通信距离, 而LoRa作为率先引用扩频技术的低功耗通信技术, 其意义在于能够为制造业、城市交通和人们生活等方面提供低成本的无线通信解决方案^[10]。LoRa技术具有很强的穿透力, 这使其能在封闭性较强的建筑领域得到很好的应用, 同时相比其他无线通讯技术, 拥有百万级节点数、超远距离传输和适合于物联网的0.3~50k B/s的传输速率的优势, 极大地增强了通信质量和网络容量^[11]。LoRa无线通信技术采用最简单的网络架构———星型网络架构, 与常用的网状架构相比具有最低的延迟和较低的网络维护成本^[12]。LoRa技术使用免费频段 (433, 470MHz等Sub-1GHz频段) , 使人们应用这项技术变得更加容易, 而-140d Bm的高接收灵敏度也使其具有比传统无线通信技术高出5~8倍的传输距离^[13]。系统的网络架构如图2所示, 其中终端节点的主动式定位传输标签主要由LoRa模块、GPS/BD和倾角传感器组成, 如图3所示。

将LoRa与常用的2种通信方式的技术特点进行对比, 如表1所示。

由表1可以看出LoRa技术的特征以及优点如下。

1) 长距离 LoRa技术使用扩频调制和前向纠错码, 这使LoRa获得了远超其他通信方式的距离, 理想状态下可以达到10~15km的通信距离。

2) 大容量 一个LoRa WAN网络可以轻松连接上千甚至上万个节点。就目前来说LoRa技术所使用的终端工作模式大多以Class A模式为主, 上行触发下行数据发送, 按业务模型为50B/2h进行上报, 估算每小时成功发送的报告数, 每个LoRa网关支持约5万条上报消息, 超出了目前业界对LPWA技术的容量要求^[14]。

3) 安全 无线传输安全性始终是一个重要的因素, LoRa是第1个提出双重加密的物联网。其应用层中, LoRa WAN Server和End Nodes的应用数据, 由App SKey进行128ASE加密和解密, 即使网络操作员也无法窃听应用数据;同时网络层的LoRa WAN Server和End Nodes的通信帧由Nwk SKey进行128ASE加密和解密, 主要用于信息完整性校验和防止“伪节点”攻击。

4) 低功耗 在如Zig Bee和蜂窝网络中, 都有唤醒同步的机制, 即间歇性侦听是否有数据帧到来, 这将消耗额外的电能。LoRa WAN协议中应用最广的End Node Class A是异步通信, 即仅当其需要发送数据时才发起通信。异步通信与同步通信相比节省了唤醒侦听的电能。

5) 便利性 在LoRa网络中, 一个终端节点的发送数据帧可以被多个Gateway (网关) 接收, 再转发给LoRa WAN Server。这样做的好处是Server可以选择最佳即信号强度最大的Gateway回复, 给定位提供更多的便利。

6) 低成本 LoRa工作在ISM免费频段, 没有频段税费, 使人们低成本部署一个私有物联网成为可能。而且目前LoRa模块的价格比NB-IOT, Sigfox同类型广域网模块价位都低, 1个LoRa芯片的成本大约为1美元, 将其做成可应用的LoRa模块也仅需5美元, 低成本的特性为其在工程上的应用和推广奠定了基础。

基于LoRa无线通信技术的主动式定位传输模块如图4所示, 实际的终端模块如图5所示。其集合了LoRa无线射频芯片、MCU以及北斗GPS定位模块, 并接入倾角传感器, 可以实现对装配式构件的定位、信息录入以及构件垂直度的检测。

LoRa模块使用的芯片是SX1278, 是一种半双工传输的低中频收发器, 包含2个定时基准、1个RC振荡器以及1个32M晶振。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过1个SPI接口进行配置, 通过SPI可以访问SX1278的配置寄存器。使用供电电压3.3V, 晶振32MHz, 低频段433, 470M, 带宽125k, 扩频因子12进行通信。负载长度64个字节, 序列长度12个符号。

MCU采用意法半导体 (ST) 公司出品的STM32F103ZET6芯片, 是STM32f1系列应用最广的, 该芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器, LQFP-144封装。拥有512k片内FLASH内存, 且支持在线编程 (IAP) , 64k片内RAM。高达72M的频率, 数据、指令分别走不同的流水线, 从而确保CPU运行速度达到最大化。通过片内BOOT区, 可实现串口下载程序 (ISP) 。采用片内双RC晶振, 提供8M和32k的频率, 支持片外高速晶振 (8M) 和片外低速晶振 (32k) , 其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟, 带后备电源引脚, 用于掉电后的时钟行走。支持JTAG, SWD调试, 配合廉价的J-LINK, 可实现高速低成本的开发调试方案。

GNSS定位模块采用N305-3V模块, 模块尺寸为10.1mm×9.7mm×2.5mm, N305-3V模块是泰斗微电子推出的一款支持BDSB1/GPSL1的专业级双模导航定位模块。模块内部集成了泰斗自主研发的新一代TD1030芯片, 该芯片采用40nmRF CMOS工艺的射频基带一体化设计, 支持内部星历推算、D-GNS S地基增强、A-GNS S辅助增强以及UART接口软件升级, 采用双UART接口, 可保证拥有10年寿命。

在装配式建筑施工过程中, 通过引入LoRa技术对整体流程进行信息化管理, 使用RFID读卡器进行信息录入, 通过移动平板实时核对定位及属性信息, 系统方案及流程如图6, 7所示。

构件在出厂时会在其四角安装被动RFID标签, 标签中录有该构件属性信息, 包括类型、材质及尺寸等, 这些信息随施工过程的变化发生改变。同时在构件上预留主动式标签凹槽, 在构件进场时将主动式传输模块放入凹槽中, 用以在后续施工过程中监测构件信息。

主动式标签 (物联网传输模块) 在嵌入前会提前在模块的存储器中保存构件的属性信息, 构件在嵌入主动式标签后, 施工人员可通过RFID读卡机对构件的RFID标签进行扫描, 并将此信息上传至云服务器。同时主动式标签通过GPS定位构件位置, 连同标签中的保存信息通过传输模块一同传输到云服务器。而后将被动标签与主动标签的信息在云服务器中进行匹配并绑定。通过这种匹配方式, 使构件的实时信息能够通过主动标签的传输模块保存到云服务器, 并通过云服务器实时更新到施工人员的终端设备中, 从而实时记录构件的安装位置、进场日期、安装日期等信息^[15], 并确保构件在任何时刻的状态都是可查看的, 为后续调用信息做准备。

构件的所有信息收集完毕后, 用低平板车将构件运至堆场堆放, 并按照各部位进行分类, 在此之前将已有的BIM模型导入系统中, 工人可以通过手持设备查看模拟施工的进度计划, 按照施工顺序将构件按照需求程度放至最合理位置, 以便施工人员安排合理的运输路线, 为施工现场的吊装做准备。本方案使用的物联网传输模块采用内部可更换电池设计, 为了节省电池的消耗量, 同时提供了降低功耗方案:通过编译MCU程序, 控制主动式标签在停止信息变动的5min后自动进入休眠状态, STM32F103ZET6芯片的休眠模式是仅CPU停止工作, 当有中断或事件发生时, MCU将从休眠中唤醒。当传输模块与MCU同时进入休眠模式时, 都将处于低电流状态, 保证节省电池消耗的同时, 系统可以在之后的工作中迅速唤醒。

收到施工现场发出的构件需求信息后, 使用RFID读卡机扫描主动式标签, 对物联网模块中的MCU进行指令唤醒, 并控制传输模块重新进入工作状态, 从而激活主动式标签用以实时传输信息。核对构件信息, 通过系统查看吊装顺序, 保证装车顺序与吊装顺序一致, 避免二次吊装。此时手持设备上将显示构件的详细信息, 如属性信息、安装位置等, 确认构件无误将构件从堆场运出同时录入构件已进入施工现场准备吊装的信息。

将LoRa网关搭设在塔式起重机顶端, 由于施工场地范围不大, 1个网关即可覆盖全部现场, 实现信息传输。吊装过程中施工人员可用移动平板接收构件上主动式标签发送的信息, 实时查看构件状态, 通过GPS定位实时掌握构件的位置信息, 同时向云端传递信息留作备份, 以便后续调用查看, 并随时与BIM模型进行信息匹配, 以免出现错误。构件就位后, 主动式标签的传输模块中的倾角传感器将对构件角度进行感应, 感应到的信号会通过STM32F103ZET6芯片中的ADC模块转换为MCU可处理的数字信号, 再经过MCU对信号进行处理后, 获得构件的角度并通过LoRa模块实时传输到LoRa网关中, 再通过4G网络保存到云服务器, 并在云服务器中判断垂直度是否符合要求。由于系统的匹配信息与实时同步, 使得施工人员可以在手持终端设备上得到构件垂直度是否符合要求的相关信息。每个构件吊装完毕后, 工人再次扫描标签上传该构件的施工信息到系统中, 终端确认后, 系统将保存最终的所有施工信息并将此构件纳为已完成部分。这样便完成了1个构件从进场到安装完毕的信息全过程监控。

构件安装好后, 将构件上的主动式标签取下回收, 并重置标签ID信息, 准备为下一批构件使用。保证了主动性标签的可重复利用。

系统功能构架如图8所示。采集层为硬件技术底层支持部分, 由LoRa模块、倾角传感器GPS定位模块以及RFID标签模块构成, 用于对构件数据的直接采集。网络层为无线传输网络部分, 主要将采集到的数据通过LoRa WAN协议, 接入到LoRa网关并存入数据库中。数据层为数据保存部分, 其中构件的属性GPS定位到的坐标与采集到的倾角角度都保存在数据库中。终端层与应用层都属于客户端部分, 主要面向系统使用者。其中终端层是将数据库中的数据通过4G网络传输到终端云服务器, 在终端云服务器内进行数据处理, 最终为使用者显示定位, 提供垂直度检测并显示吊装顺序。应用层是人机交互部分, 由终端层提供具体展现内容, 主要通过使用者在终端设备上进行客户端操作来完成信息查询、施工动画展示及人员管理。

系统的关键功能主要包括以下3点。

1) 基于LoRa无线通信的信息传输装配式建筑建造过程中施工范围大, 需要统计大量的构件数据, 且各构件之间存在阻碍作用, 利用LoRa技术传输距离长、灵敏度高和穿透力强的特点建立新的网络架构, 能满足装配式建筑特殊的监测要求, 并且能耗低, 模块电池无须更换, 可以支撑整个施工周期。

2) GPS定位通过北斗GPS定位模块实现构件的定位追踪, 大大减少了各人员的沟通交流时间, 为构件在吊装过程中快速、准确地吊装到确定位置提供了便利, 施工人员、塔式起重机操作人员以及管理人员各方的信息均保持一致, 避免了信息在传递过程中的不准确或理解错误。

3) 垂直度检测构件在吊装定位后的校正非常重要, 这决定了后续构件吊装的基准线是否正确, 在主动式传输模块中接入倾角传感器可以有效、高精度地监测构件的垂直度情况, 避免了传统的铅垂线法造成的人工测量误差和时间浪费。

1) 降低出错率施工过程中, 通过智能化、可视化管理有效地避免了施工中错误的发生^[16], 通过北斗GPS定位模块可对预制构件进行米级的精确定位, 通过实时的信息反馈, 使指挥人员与起重机操作人员的信息一致, 降低了现场工人的沟通难度;倾角传感器监测到的构件垂直度信息也减少了由于工人手工测量造成的测量误差, 从而整体上降低了施工的出错率。

2) 提升施工效率采用LoRa技术搭建物联网系统, 对预制构件的施工全过程进行信息化追踪, 使信息录入、上传与反馈变得方便、快捷, 同时信息与信息之间的交流更加智能化, 施工人员可通过移动终端实时了解构件信息, 并预先对施工班组的人员配比和运输路线进行规划, 从而节省时间。物联网的信息化技术能使管理人员同时监控多个施工流程, 达到多个工作同时协同管理, 进行全方位掌控, 从而大大提升施工效率^[17]。

3) 符合发展需求“十三五”规划中提出要加强信息技术在装配式建筑中的应用, 着力增强BIM、物联网等信息技术集成应用能力, 提高施工安全监管水平, 并结合建筑业发展需求, 加强低成本、低功耗、智能化传感器及相关设备的研发, 实现物联网核心芯片、配套软件等在建筑业的集成应用。本方案将物联网前沿技术LoRa技术应用到装配式建筑的施工过程中, 为工地提供了物联网化的技术支撑, 为今后更好地发展装配式建筑智能化奠定了基础。

1) 装配式建筑施工过程中, 物联网作为工业信息化、智能化的技术载体, 可以为建筑工业化带来极大便利。

2) 将低功耗广域网应用到装配式建筑的施工过程中, 引入LoRa无线通信技术, 以低功耗广域物联网的现代化组织管理^[18], 在装配式建筑建造阶段提出基于LoRa无线通信技术的装配式建筑施工信息化解决方案, 能够有效指导施工。

3) 该方案解决了工地现场信息化程度低的问题, 同时也为新技术的应用开拓了领域。

4) 满足了国家对物联网以及装配式建筑的发展需求, 未来还将更精细化地对方案进行设计, 从而为全方位实现搭建智慧工地创建科研基础。