大型土木工程无线健康监测系统实现

摘要： 在大型土木工程建设中，诸如：道路、桥梁、隧道等，传统方法为埋设各种传感器后，技术人员现场通过对传感器进行逐个采集数据。这种数据采集方式不但成本高、效率低，且时效性差。本研究针对某大型工程项目设计了无线检测系统整个系统，系统由三部分构成：下位机部分、中间通信系统，和后台上位机部分。其中下位机部分是由嵌入式系统构成，主要是完成数据的采集；中间通信系统是连接上位机与下位机的通道，保证数据的远程通信；下位机收集数据后，通过RS-232串口通信将数据传递给后台数据处理系统，即上位机。最后实现了一个完整的检测系统，并重点介绍了上位机的实现。

Abstract: Technical personnel collect data to sensor one by one on the scene after planting a variety of sensors using traditional method in the construction of large-scale civil engineering projects, such as roads, bridges and tunnels. The way of data acquisition is of high cost and low efficiency, also has poor timeliness. This study designs wireless detection system in view of one large-scale civil engineering project. The system is composed of three parts, that is, lower position machine part by embedded system, the duty is to complete the data collection; intermediate communication system is the channel which connects upper machine and lower position machine to ensure the remote communication of data; upper machine passes the data to the background processing system, namely upper machine, through the RS-232 serial communication after collecting the data. Finally, a complete detection system is achieved and the implementation of the upper machine is mainly introduced.

关键词： 土木工程；远程监测；健康检测；通信技术

Key words: civil engineering；remote monitoring；health detection；communication technology

中图分类号：TP31文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）28-0129-02

0 引言

目前大型工程项目的健康检测作为工程运营的一个基本保障，得到越来越多的关注。但是存在很多的问题。

首先，其中一些工程所处的环境及其恶劣，如高海拔、严寒、瓦斯、岩爆等等，给现场监控量测工作带来了很大困难。例如，雀儿山隧道位于海拔4千多米的川藏公路上，空气稀薄、含氧量低，每次量测都要背负氧气在现场步行数公里，耗时几小时才能完成[1]。针对上述情况，其监控量测工作的困难程度简直难以想象。

一个工程项目的量测的各种相应数据多达上万个，如果仅依靠人工处理分析、或半人工方式处理工作量大，往往导致监控量测反馈数据不能实时提供，很难发挥其指导作用。因此，在监控量测数据的处理和分析方面应该进行新的探索，开发实用、高效的隧道围岩及支护结构量测数据处理软件是当务之急。

以无线网技术成熟的现实状况为基础，改进目前的有线方式采集也是需要革新的地方。无线方式大大方便了信息的采集方式、缩短监控设备布设周期，对工程与工程运营管理都节省了资金与时间等[2，3]。

1 系统构建关键技术

1.1 前端测频系统构成 根据实际需要，测频系统由三部分构成，传感器、分线器和测频模块。其结构框图如图1所示。

1.2 传感器 为说明系统的构成，单独使用了振弦式传感器（如图2）作为示例。其中选用了有更好性能的钢弦式传感器，作为专用量测工具，其选定是与用户的需求密切相关的。

在土木工程中，尤其像隧道、竖井这样的地下工程，用于量测的条件是十分恶劣的。传感器经常处于高粉尘、高湿度、高温差、强干扰和低亮度的情况之下，有时要长期在潮湿的环境，甚至水中工作，有时要在-30℃～50℃的温度环境中工作，而且传感器一旦埋设，往后大都无法修理和更换，甚至观测人员都难以看到或到达仪器埋设的位置。因此，对仪表和传感器除了技术性能、功能、精度、灵敏度等符合使用要求外，通常还应满足以下要求：①坚固耐用；②长期稳定；③恶劣环境的适应性；④操作简便可行。

1.3 分线器 分线器是嵌入式系统当中专用接口电路的一部分，是为了满足自动接线的要求而设计的。在分线器的具体设计中，选择了目前主流的可编程器件作为核心芯片进行开发。其型号是Altera公司的MAX7000S系列的EPM7128STC100-6芯片。

1.4 测频模块 测频模块是测频系统的核心模块，它通过接收上位机通过通信系统给它发的指令，控制分线器以及读取传感器的频率值，并将测得的数据值通过通信系统回传给上位机。

测频模块主要由三个模块构成，分别是测频电路、温度采集模块和存储电路，这三个模块由单片机统一控制。

2 通信系统的构成

在本文中通信系统具体由这样几部分构成：测频模块、通信模块、中间节点机、上位机，如图3。

3 上位机系统关键设计

3.1 上位机软件设计 上位机软件分为四部分：主程序、通信（短信收发）模块、数据分析处理保存和实时数据显示及历史数据查询模块。软件构架见图4所示。

3.2 串口通信 在通信过程中，上位机主要是通过串口与下位机进行连接，以进行数据的接收和发送。上位机编程要对计算机的串口进行操作。而在WINDOWS环境下，用户是不能直接对PC机的串行端口进行操作的。Visual C++6.0中，通过使用微软公司提供的Microsoft Communication Control控件（简称MSComm），就可以很方便地实现PC与外部设备之间的串行通信，省略了很多复杂的底层操作，相对而言编程工作量较少，不必花时间去了解复杂的API函数。串口设计参数采用1200波特率，无校验，8个数据位，1个停止位。

3.3 GSM模块设计 通过上面的讲述，得知系统的通信方式有多种：RS-485串行通信、无线模块通信、GSM公网短消息进行通信。在GSM通信方式下，上位机主要通过手机模块与下位机进行通信。上位机软件将测量命令，测量点数等数据通过串行通信口发送给上位机手机模块，手机模块接到数据后通过GSM公网短消息业务将数据以短信的方式发送给下位机手机模块。下位机接收到数据后，对数据进行分析并做出相应的操作。

4 系统实现

系统运行主界面分为四部分（见图5）：左上角窗口为测量点的选择和测量传感器个数的设置。右上角为方式的选择、串口的设置、测量和查询命令按钮。中间部分为状态栏（显示每一步操作的内容及结果）。下边是数据的显示区，包含有不同的站点和时间。

软件第一次启动时，进入测点录入页面，如图6所示。首次录入时只需录入测试点名称。最多可录入8个测量点。

5 结论

为了使测频系统能够在无人值守的情况下，自动有序的接入传感器进行测量，系统中研发了自动分线器，在此基础上，进一步整合了测频模块，分线器与传感器，构成了测频系统。然后，为了实现远程遥控，研发了通信系统，通过专网的搭建与公网的使用，实现了远距离通信。接着，把通信系统与测频系统进行了衔接，实现了远程遥控测量。最后，研发了上位机软件，在人机友好的界面下，实现了远程遥控测量以及对所测得的数据进行自动分析与处理。通过现场调试，以及最后的工程应用，完成了系统的验证与实用。

参考文献：

[1]郑金龙.雀儿山隧道海拔高度系数测试研究[J].现代隧道技术，2007，44（2）：10-14.

[2]孙鸿敏，李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报，2003，23（3）：92-97.

[3]李宏男，高东伟，伊挺华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展，38（2）：151-164.