時(shí)間：2022-07-21 03:21:37
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
摘要:光纖通訊是利用光與光纖傳遞訊息,它是有線通訊的一種。像我們所知道的,光經(jīng)過(guò)各種方法進(jìn)行調(diào)變后便能夠攜帶資訊,傳遞出訊息。溫度是現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的參數(shù),要保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全就必須對(duì)溫度有一個(gè)相當(dāng)?shù)目刂茩?quán)。所以,本文就光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制進(jìn)行下探討。
關(guān)鍵詞:光纖通訊 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè) 溫度監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)研制
1、研究光纖通訊遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的
光纖通信具有攜帶容量比較大,保存數(shù)據(jù)良好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今最主要的有線通信方式已經(jīng)被光纖通信所占領(lǐng)。我們簡(jiǎn)要介紹一下它的傳輸方式:首先將客戶需要傳送的信息內(nèi)容在發(fā)送端也就是輸入端輸入到發(fā)送機(jī)中,然后通過(guò)一系列的方法將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號(hào)載體的載波上,我們傳送的是一種光物質(zhì),然后將已調(diào)制的載波通過(guò)不同的傳輸媒質(zhì)傳送到遠(yuǎn)處的接收端,也就是最終客戶需要發(fā)送的地方,再而由接收機(jī)解調(diào)出原來(lái)的信息。知道光纖通訊的傳輸方式,我們也就知道光纖通訊的優(yōu)點(diǎn),不僅僅傳送量大,而且保密性良好。
溫度是現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的參數(shù),它可以決定生產(chǎn)最后的產(chǎn)物。對(duì)于“溫度”這個(gè)概念,我們應(yīng)該用全新的理念去解釋,它不同于以往單純的“溫度”,現(xiàn)在以一種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而存在。所以對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)是保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的重要手段。目前,溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用已非常普遍。這為我國(guó)的工業(yè)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。
但是,如何把光纖系統(tǒng)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)系在一起,我們還面臨著問(wèn)題。在工業(yè)上,大多數(shù)是采用有線的傳輸方式。但是,遠(yuǎn)距離的線路鋪設(shè),后期維護(hù)的成本過(guò)高,引線過(guò)長(zhǎng)等等問(wèn)題導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的傳輸速率變慢,功耗上升、穩(wěn)定性下降。所以,我們要研制一套通信可靠有保證、運(yùn)行穩(wěn)定不出差、采集速度快速迅捷、自動(dòng)化程度相對(duì)較高的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行是非常必要的。
2、光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)緣由及案例分析
我們就拿油田的開(kāi)采為例來(lái)說(shuō)明光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在油田中剛剛開(kāi)采的石油一般都呈稠狀,在低溫下,油很容易凍結(jié)呈塊狀,從而把導(dǎo)管堵塞,所以在石油的輸送過(guò)程中我們必須對(duì)輸油管線采取伴熱措施,以確保石油的正常輸送。在冬季這種低溫情況下,石油堵塞管道時(shí)有發(fā)生,這就說(shuō)明管線能否及時(shí)伴熱是管道能否正常輸送的關(guān)鍵因素。現(xiàn)在主要采用高溫蒸汽與高溫燃?xì)馑谞t伴熱這兩種的伴熱方式,而伴熱設(shè)備是否正常工作的重要指標(biāo)以溫度作為考核的。
現(xiàn)在對(duì)于伴熱線管道檢測(cè)所采用的方法主要是人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)各管線溫度,但是在冬天這種環(huán)境惡劣,溫度低下,工作量又相當(dāng)龐大等因素的影響,會(huì)使工作效率降低,有時(shí)管道的堵塞等顯而易見(jiàn)的問(wèn)題都難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此,在冬季溫度極低的情況下,必然有不安全隱患。就拿大慶石化為例,它的輸油管道伴熱線在我國(guó)東北嚴(yán)寒地區(qū),這個(gè)地區(qū)冬季氣溫很低,而且會(huì)持續(xù)出現(xiàn)低溫現(xiàn)象,造成石油輸出的困難。所以,研制一套完善的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)我們迫在眉睫。
2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理
我們就對(duì)東北某石化煉油廠內(nèi)輸油管道伴熱線研制的一套遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)石化煉油廠的實(shí)際情況,確定了使用太陽(yáng)能供電的光纖網(wǎng)絡(luò)通訊方案。對(duì)于系統(tǒng)的下位機(jī)部分,使用溫度傳感器與智能采集模塊,采集和處理信息信號(hào)。研究了一種便宜的,低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對(duì)各層幀結(jié)構(gòu)及協(xié)議結(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行分析與探討,通過(guò)設(shè)置和調(diào)試S02系列通訊模塊,我們完成低功耗的近距離通訊技術(shù)的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集與傳輸這一艱難的技術(shù)。并且確定了光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊所必須的硬件設(shè)備,并完成了對(duì)各種硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)與選用以及設(shè)備間相互通訊的調(diào)試,我們更采用互聯(lián)網(wǎng)這一新穎快速的工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。而在系統(tǒng)的上位機(jī)的監(jiān)測(cè)部分,通過(guò)對(duì)軟件的需求及功能分析,在網(wǎng)際組態(tài)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)和研制出中心監(jiān)測(cè)這一重要軟件。這個(gè)軟件的開(kāi)發(fā),使得我們實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度等重要參數(shù)的隨時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程攝像監(jiān)測(cè)、超越界限報(bào)警、數(shù)據(jù)隨時(shí)記錄和查詢以及用戶個(gè)人管理等功能,并設(shè)計(jì)了一套令客戶滿意的監(jiān)控界面。這個(gè)控制界面簡(jiǎn)潔易上手。我們經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)具有這些優(yōu)點(diǎn):通信穩(wěn)定沒(méi)偏差,傳輸速度很快,操作簡(jiǎn)單上手,數(shù)據(jù)可靠有保證,系統(tǒng)運(yùn)行正常,可以滿足伴熱線管道溫度監(jiān)測(cè)的需求。
遠(yuǎn)程控制我們可以采用系統(tǒng):以低功耗,高性能CMOS8位系列單片機(jī)為控制單元,并采用Dallas單線數(shù)字溫度傳感器DS18820采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)如下:結(jié)構(gòu)新穎、電路簡(jiǎn)單而且方便控制,其監(jiān)控的溫度范圍為-55℃～99℃,完全符合當(dāng)?shù)氐臏囟?溫度值顯示的精度為0.01,可以自由設(shè)置控制溫度的上、下限。如果系統(tǒng)超過(guò)設(shè)置上、下限溫度,該系統(tǒng)還可以自動(dòng)報(bào)警。
3、光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種全新的在線溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng),具有防爆的特點(diǎn);煤礦安全也成為社會(huì)關(guān)注焦點(diǎn),煤礦中各類系統(tǒng)相互獨(dú)立,通訊簡(jiǎn)單可靠,在煤礦遠(yuǎn)程通訊中的CAN-bus已被西北東北多個(gè)地方采用,大大減少了煤礦事故的發(fā)生,光纖通訊遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。
4、結(jié)語(yǔ)
相信,光纖通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于各行各業(yè),它具有廣闊的應(yīng)用前景。想獲得更高的更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益就必須加大光纖通訊的應(yīng)用與推廣,讓更多的人去了解,去使用。只有不斷完善,才能更好地為社會(huì)為人民創(chuàng)造更多的利益。它的出現(xiàn),不僅僅是科技的發(fā)展,更是社會(huì)的不斷向前推進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1]趙遠(yuǎn)飛.光纖傳感器的輸油管道遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.2012,07(11);79-81.
[2]胡艷兵,李良庚.基于光纖通訊的水庫(kù)流量檢測(cè)系統(tǒng).2008,3(09);69-71.
【關(guān)鍵詞】電站；溫度；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1 系統(tǒng)概述
電站分A、B廠，總裝機(jī)容量240萬(wàn)千瓦，安裝8臺(tái)機(jī)組。采用西門(mén)子S7 400的PLC從溫度傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)MODBUS發(fā)送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，考慮需要將數(shù)據(jù)接入到辦公網(wǎng)絡(luò)，已在西門(mén)子S7 PLC中安裝網(wǎng)卡模塊。
針對(duì)電站溫度采集系統(tǒng)現(xiàn)狀，構(gòu)建溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)組溫度數(shù)據(jù)的采集，搭建數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和分析，提供對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和溫度變化的分析，方便員工的遠(yuǎn)程辦公以及進(jìn)一步提升“無(wú)人值守”的電站管理原則，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公需要。
2 構(gòu)建方案
硬件部分，在AB廠房機(jī)房各新增1臺(tái)工控機(jī)，通過(guò)局域網(wǎng)連與西門(mén)子S7 PLC連接，工控機(jī)另一端連接辦公網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器新增應(yīng)用服務(wù)器，保證與新增工控機(jī)數(shù)據(jù)通訊正常，接收并保存工控機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。
軟件部分，工控機(jī)端安裝專業(yè)工控軟件WINCC，通過(guò)WINCC配置測(cè)點(diǎn)，編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集程序，采集WINCC中的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送至辦公網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器端部署UDP數(shù)據(jù)接收程序、應(yīng)用服務(wù)及開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)展現(xiàn)最新測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及其他統(tǒng)計(jì)分析功能。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)源來(lái)自運(yùn)行核心區(qū)，數(shù)據(jù)通訊采用單向UDP模式。工控機(jī)安裝有WINCC工控軟件，負(fù)責(zé)對(duì)S7 PLC進(jìn)行硬件組態(tài)及對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行部署，工控機(jī)編寫(xiě)有數(shù)據(jù)采集程序，連接WINCC軟件獲取測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過(guò)UDP協(xié)議往辦公網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。
應(yīng)用服務(wù)器安裝有UDP數(shù)據(jù)接收程序，接收并存儲(chǔ)工控機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)供應(yīng)用功能實(shí)時(shí)展現(xiàn)及其他統(tǒng)計(jì)分析使用。根據(jù)電力二次安防的防護(hù)要求，在工控機(jī)和應(yīng)用服務(wù)器之間安裝增加隔離網(wǎng)閘，對(duì)生產(chǎn)區(qū)和信息區(qū)進(jìn)行隔離。
數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)圖如下所示：
使用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是UDP本身是種不穩(wěn)定的協(xié)議，為了保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸?shù)椒?wù)器，避免數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)UDP數(shù)據(jù)交互流程規(guī)則。
在發(fā)送收到數(shù)據(jù)至應(yīng)用服務(wù)器之前會(huì)先與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行第一次握手，即發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)用服務(wù)器的確認(rèn)信號(hào)，工控機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，正確收到應(yīng)用服務(wù)器確認(rèn)信號(hào)，將收到溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將收到數(shù)據(jù)的大小返回至工控機(jī)，工控機(jī)收到會(huì)與發(fā)送數(shù)據(jù)大小做比較，如果數(shù)據(jù)大小一致，發(fā)送數(shù)據(jù)一致命令至服務(wù)器，然后等待下次數(shù)據(jù)傳輸，如果數(shù)據(jù)大小不一致，會(huì)通知服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)重新傳輸。
3 業(yè)務(wù)功能
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求，系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：
WINCC數(shù)據(jù)采集，工控機(jī)端部署數(shù)據(jù)采集程序，連接WINCC軟件采集其部署的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，全部為設(shè)備的溫度量，包括：發(fā)電機(jī)冷風(fēng)溫度、鐵芯溫度、線圈溫度、下導(dǎo)油溫、水泵油溫、發(fā)電油溫、推力熱油、推力冷油、推力瓦溫、水導(dǎo)瓦溫、水導(dǎo)油溫、主軸密封溫度、迷宮環(huán)上溫度、迷宮環(huán)下溫度、上導(dǎo)油溫、上導(dǎo)瓦溫等。
工控機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送與服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)接收程序并進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)UDP協(xié)議接收工控機(jī)端發(fā)送過(guò)來(lái)的最新數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)精度存儲(chǔ)進(jìn)行定義，保存存儲(chǔ)的最新數(shù)據(jù)及時(shí)有效。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖形顯示，基于圖型的方式實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，方便電站專業(yè)人員對(duì)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查看。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示，提供以曲線的方式實(shí)時(shí)查看溫度的變化情況。
歷史數(shù)據(jù)查詢功能，統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能特點(diǎn)：
各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能
多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)視圖曲線
快捷查詢某個(gè)測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)
溫度量可以任意查詢變量及時(shí)間
可選擇和配置各數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間和歷史存儲(chǔ)時(shí)間段，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)默認(rèn)為時(shí)間為5秒，但可以由用戶進(jìn)行歸檔時(shí)間設(shè)定。
對(duì)于歷史數(shù)據(jù)可以分多種模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如曲線圖形分析，數(shù)據(jù)報(bào)表分析等等。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)構(gòu)建溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，搭建數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和分析，提供對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和溫度變化的分析，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程辦公的需要，對(duì)電站實(shí)行高效科學(xué)的管理具有積極意義。
關(guān)鍵詞：igBee；無(wú)線通信；CC2430；溫度監(jiān)測(cè)
Warehouse Temperature Monitoring System Based on igBee Technology
CHEN Weige1,YAN Youyun1,CHEN Chaojun2
(1.Electrical Engineering and Autornation School,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,454003,China;[J]2.Jiaozuo Sanhelizhong Power Co.Ltd.,Jiaozuo,454003,Chinaオ
Abstract：The development of communication and sensor technology speeds up the stride in industrial automation forward.As a communication means,wireless technology has broad application perspective.This paper focuses on the study of igBee technology network topology and research on CC2430,using igBee technology to the storage temperature monitoring to remote monitoring purposes.eywords：igBee;wireless communication;CC2430;temperature monitoringオ
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓，由于儲(chǔ)存不當(dāng)造成大量的糧食浪費(fèi)，給國(guó)家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少損失，以往采取用人工的辦法定期對(duì)糧食進(jìn)行晾曬、通風(fēng)、噴灑藥劑等，防止因存儲(chǔ)不當(dāng)引起蟲(chóng)害，但這樣做消耗人力和財(cái)力，且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象仍然仔在。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工定期定點(diǎn)查看糧倉(cāng)溫度的方法，已逐漸被電子監(jiān)測(cè)溫度設(shè)備所取代。本文設(shè)計(jì)了一套糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用igBee技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)倉(cāng)庫(kù)各點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理者可以在控制室隨時(shí)了解倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的信息，使糧倉(cāng)管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。
1 igBee技術(shù)的分析與研究
在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如采用傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)，雖然能滿足上述要求，但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大等問(wèn)題，針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無(wú)線通信技術(shù)。igBee技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)生的。它是具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線通信技術(shù)，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術(shù)。
igBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。在igBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。igBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY層、媒體接人控制(MAC層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，其各層之間如圖1所示。
PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器，能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評(píng)估，以及通過(guò)物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開(kāi)連接請(qǐng)求，且為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供方法。
igBee技術(shù)有星型和對(duì)等兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種都有自己的組網(wǎng)特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡管該方式只能組建包含較少的無(wú)線接點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的需要。
星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)叫作PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)具有完整功能的設(shè)備，從設(shè)備可以使完整功能設(shè)備，也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備。當(dāng)一個(gè)具有完整功能的設(shè)備(FFD第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，讓自身成為一個(gè)PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，通過(guò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的惟一性。―旦選定了―個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，PM主協(xié)調(diào)器就會(huì)允許其他從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是具有完整功能的設(shè)備，還是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，而其他從設(shè)備均采用2節(jié)干電池供電。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 igBee芯片介紹
CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上igBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)芯片上集成igBee射頻(RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051，具有32/64/128 kB可編成閃存和8 kB的RAM，還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路。
CC2430還有21個(gè)可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的設(shè)備I/O口使用。其I/O口引腳功能如下：
1～6腳（P1.2～P1.7）：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；
8，9腳（P1.0，P1.1）：具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力；
11～18腳（P0.0～P0.7）：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；
43～46，48腳（P2.0～P2.4）：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
2.2 系統(tǒng)硬件電路
該系統(tǒng)采用星狀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)倉(cāng)庫(kù)中，負(fù)責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過(guò)顯示器就可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度進(jìn)行監(jiān)視，無(wú)須到倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器有CC2430、串口部分、天線、按鍵和顯示模塊組成。天線用的是非平衡天線，它與非平衡變壓器連接，使天線性能更好。CC2430模塊通過(guò)天線接收到信號(hào)后，通過(guò)SPI口直接輸出到液晶顯示器上。串口部分用UART模塊，UART再外接一個(gè)RS 232模塊用于連接計(jì)算機(jī)，給計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)外部來(lái)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計(jì)算機(jī)的作用是用來(lái)觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。
RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器TC77檢測(cè)所處環(huán)境的溫度，然后通過(guò)天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪問(wèn)數(shù)字溫度傳感器，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來(lái)，隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。
為了減少對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和影響，在保證設(shè)備能夠正常地工作的條件下，每個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小。通常，igbee的發(fā)射功率在0～+10 dBm,通信距離范圍為10 m，可擴(kuò)大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中RFD節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為-3 dBm。
在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器端，為保證設(shè)備能正常接收到RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，其有用信號(hào)不能太大，否則，將造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信號(hào)的最大輸入電平就是有用信號(hào)的最大功率值，本設(shè)計(jì)接收機(jī)的最大輸入電平值為-20 dBnb。
3 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)軟件分主機(jī)和分機(jī)兩部分，主機(jī)作為全功能系統(tǒng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機(jī)對(duì)話，分機(jī)作為簡(jiǎn)單功能系統(tǒng)，等待主機(jī)命令，傳輸本機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)流程如圖2所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
igBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其有廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)是在歸納國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，采用igBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度的監(jiān)測(cè)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定、無(wú)需支付網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際中有很好的應(yīng)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］李文仲，段朝玉.igBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)［M］.北[LL]京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.
［2］蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社,2006.
［3］孫利民，李建中，陳渝,等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.
關(guān)鍵詞：力設(shè)備;智能化;無(wú)線技術(shù);溫度;數(shù)據(jù)收集
Abstract: Electric power equipment in normal working hours will have a fever, lines, equipment at the connection of this phenomenon will be more obvious, so long will accelerate haven line of power equipment such as aging, caused by electrical equipment insulation performance, coupled with the external environment to the port power equipment negative effect, it can cause the aging phenomenon aggravate, serious can cause serious accident, cause irreparable injury to personnel or major economic loss. In order to solve the above problems, the port electrical equipment intelligent wireless temperature monitoring system emerges as the times require.
Key words: power equipment; intelligent; wireless technology; temperature; data collection
中圖分類號(hào)：TM41
1.智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理
智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被設(shè)定成三個(gè)子系統(tǒng)，分別是采集系統(tǒng)、匯總系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。三個(gè)子系統(tǒng)通力協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了港口電力設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便捷的智能無(wú)線監(jiān)測(cè)。
智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)間的連接方式是不同的，無(wú)線通信方式是應(yīng)用于采集系統(tǒng)和匯總系統(tǒng)之間，而通信線纜則是使用在匯總系統(tǒng)與監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)之間，即一個(gè)無(wú)形，另一個(gè)有形。對(duì)應(yīng)部位的熱感應(yīng)元件將其所監(jiān)測(cè)到的溫度信息通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備傳輸?shù)絽R總系統(tǒng)的總站，總站將會(huì)對(duì)收集到的所有溫度信息 進(jìn)行分類整理、分析并處理，再將處理完畢的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上。同時(shí)，調(diào)節(jié)端監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)也將收到同樣的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的 數(shù)據(jù)信息進(jìn)行二次處理分析，當(dāng)處理所得數(shù)據(jù)結(jié)果超高設(shè)定的極限值時(shí)，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出警示信號(hào)。每個(gè)總站可以管理數(shù)百個(gè)子站，信息量的采集將是非常巨大 的。
2智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成
2.1采集系統(tǒng)
通過(guò)將熱敏電阻、傳感器等熱感應(yīng)元件安裝在容易因工作而產(chǎn)生不正常散熱的部位，實(shí)時(shí)的對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與采集工作，并將采集到的信息發(fā)送出去。交流電作為長(zhǎng)期供能電源及太陽(yáng)能電池板作為的后備電源（確保突然斷電后的數(shù)據(jù)持續(xù)收集的）是采集系統(tǒng)的正常工作的依靠。
2.2匯總系統(tǒng)
信息匯總系統(tǒng)主要由無(wú)線接收裝置構(gòu)成，在收集到采集系統(tǒng)所傳遞而來(lái)的數(shù)據(jù)信息后，再傳遞給總站，總站接收到分站的溫度數(shù)據(jù)之后，繼而再將其傳遞給當(dāng)?shù)乇O(jiān)視系統(tǒng)，與此同時(shí)還將溫度數(shù)據(jù)傳遞給調(diào)節(jié)終端。實(shí)時(shí)溫度變化同樣被調(diào)節(jié)終端監(jiān)視，如此便避免了無(wú)人監(jiān)測(cè)的情況。
2.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又可以細(xì)分為站級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)直接接受總站所傳遞的溫度信息等數(shù)據(jù)，并與總站是直接通信的關(guān)系。 監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)總站所傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總、整理、分析后，存儲(chǔ)于特定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)（可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行靈活改動(dòng)，比如擴(kuò)容）。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)信息 進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確記錄處于何時(shí)、何地、何種狀況下的溫度情況。同時(shí)，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)在溫度越過(guò)某一設(shè)定極限值時(shí)會(huì)有警示信號(hào)出現(xiàn)。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的另一個(gè)便捷之 處在于，可以根據(jù)需要進(jìn)行任何時(shí)間段的任何部件的溫度查詢。調(diào)節(jié)端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸用到的是匯集系統(tǒng)的通訊管理器，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線纜直接傳輸?shù)?PCM設(shè)備之中，在經(jīng)過(guò)線纜轉(zhuǎn)送給調(diào)節(jié)端，經(jīng)PCM的數(shù)據(jù)信息還可以作為存儲(chǔ)資料被下載到調(diào)節(jié)端監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。
3.智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)
3.1免于布置排線
因?yàn)椴捎昧藷o(wú)線傳輸設(shè)備，所以不用布置排線，熱感應(yīng)元件的安裝更方便。
3.2免于經(jīng)常的維護(hù)
智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是整體化設(shè)計(jì)，所以免于維護(hù)。
3.3節(jié)能
智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)部分均采用節(jié)能、低功率消耗設(shè)置，同時(shí)應(yīng)用太陽(yáng)能電池板更是綠色節(jié)能。
3.4警示系統(tǒng)更完善
當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，總站智能終端電源，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)。
3.5穩(wěn)定性更高
智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)備均有堅(jiān)實(shí)的外殼保護(hù)，同時(shí)又有靜電保護(hù)。數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中安全、穩(wěn)定，能夠抵抗外界的干擾。
3.6具有較好的兼容性
能夠應(yīng)用更多的應(yīng)用軟件和控制系統(tǒng)。
4.智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)間的對(duì)比
4.1智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于裝有位于各個(gè)需要測(cè)量的部位的熱感應(yīng)元件的幫助，這使得數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)具有了實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)每年、月、日甚至每小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)的變化情況，總結(jié)出港口電力設(shè)備不同部位的相應(yīng)溫度的變化規(guī)律，確定出其溫度規(guī)律的峰值，有效的對(duì)港口電力設(shè)備的工作 穩(wěn)定性就行預(yù)見(jiàn)性分析，消除潛在的威脅。而傳統(tǒng)的港口電力設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)是依靠監(jiān)測(cè)人員定期的監(jiān)測(cè)與測(cè)量才能得出的，傳統(tǒng)的港口電力設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)耗費(fèi)大量的人力 物力，由于人類生理的局限性，所測(cè)得的數(shù)據(jù)存在不確定誤差，甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤，而且潛在的故障威脅不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并作出應(yīng)有的處理，致使出現(xiàn)不必要的人員或財(cái) 力的損失。
4.2智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度以及對(duì)故障的預(yù)見(jiàn)性分析是人類所不能比擬的，其所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息能夠被極其方便的調(diào)閱，對(duì)數(shù)據(jù)信 息的存儲(chǔ)量也是相當(dāng)?shù)木薮蟆６鴤鹘y(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息要進(jìn)行存儲(chǔ)就需要建立專門(mén)的存檔管理機(jī)構(gòu)，而且常年所存儲(chǔ)的信息量是無(wú)妨想象的，要對(duì)某段數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱也 是極為不便的，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極不現(xiàn)實(shí)，而智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則解決了上述所存在的所有問(wèn)題。
4.3智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件簡(jiǎn)單，操作方便，減少人員培訓(xùn)上崗時(shí)間。而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)測(cè)量則需要專門(mén)的工作人員進(jìn)行培訓(xùn)。
5.智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)監(jiān)控功能
5.1熱感應(yīng)元器件所監(jiān)測(cè)的部位的溫度能夠?qū)崟r(shí)的傳遞給監(jiān)控計(jì)算機(jī)并于顯示屏上呈現(xiàn)出來(lái)，出現(xiàn)警示溫度時(shí)的時(shí)間及故障位置都會(huì)以數(shù)據(jù)的形式保存起來(lái)，保存期限可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。
5.2可設(shè)置警示音的類型，如可以以真人語(yǔ)音的形式播報(bào)出來(lái)或者以文字警示的方式顯示到屏幕上。
5.3監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)所監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)信息可以以年、月、日等為單位用線性圖或者表格的形式一目了然的展現(xiàn)出來(lái)，也可以直接抽查或打印出來(lái)。
5.4當(dāng)智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的任何部件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)（如電源故障、信號(hào)傳輸中斷等），都會(huì)有警示出現(xiàn)，及時(shí)警示給工作人員。
5.5都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)位置的編碼、命名處理，方便系統(tǒng)化管理。
6.智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
在國(guó)外許多國(guó)家，智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展極為迅速，它被廣泛應(yīng)用到了人們生活中的吃穿住行。當(dāng)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式產(chǎn)生多年后，智能無(wú)線溫度監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)在萬(wàn)眾期待中登上了歷史舞臺(tái)，監(jiān)測(cè)技術(shù)從此掀開(kāi)了新的一頁(yè)。現(xiàn)今已經(jīng)不僅僅局限于港口電力設(shè)備的維護(hù)方面了，精密生產(chǎn)線、醫(yī)療系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)方面都已成熟融 合。智能無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電力方面的應(yīng)用，也是國(guó)外首創(chuàng)的。
關(guān)鍵詞：自充電模式； 溫度監(jiān)測(cè)； ZigBee； 倒F天線； 壓電微能源
中圖分類號(hào)： TN98?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0099?04
ZigBee?based wireless temperature sensing and monitoring system
with self?charging ability
WANG Erwei， CHOU Xiujian， LIU Li， ZHANG Peng
（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract： Since the traditional temperature monitoring system has the problems of high energy consumption， high cost， large volume and complex routing， a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed. The system′s power is supplied by its lithium battery directly in normal circumstances. In the vibration environment， the environmental vibration mechanical energy collected by the piezoelectric micro energy is converted into the electrical energy to charge the lithium battery. The low?power consumption chip CC2530 and peripheral devices are used to build the hardware circuit. The Z?stack compiling software developed by TI company and IAR Embedded Workbench software are employed to design the upper computer with LabVIEW software. The temperature data is received and sent by virtue of the small?volume inverted?F antenna （IFA）. The test results show that the transmission distance of the system can reach up to 80 m in the open area， the system can read the temperature in the needing monitoring area through the upper computer in real time， and has a certain reliability.
Keywords： self?charging mode； temperature monitoring； ZigBee； inverted?F antenna； piezoelectric micro energy
0 引 言
在科技迅速發(fā)展的今天，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）顯得尤為重要。它由各種傳感器節(jié)點(diǎn)組成，相互之間進(jìn)行無(wú)線通信，將感知到的結(jié)果呈現(xiàn)給觀察者。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)也被美國(guó)著名雜志《技術(shù)評(píng)論》列為對(duì)人類生活產(chǎn)生影響的十大新興技術(shù)之首[1]。作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)模式，物聯(lián)網(wǎng)成為信息領(lǐng)域一次重大的發(fā)展和變革，受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注[2]。它通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)[3]。ZigBee技術(shù)是開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)可以用到的一個(gè)組網(wǎng)技術(shù)，具有省電、可靠、廉價(jià)、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全的優(yōu)點(diǎn)[4]。借助TI公司開(kāi)發(fā)的Z?Stack協(xié)議棧，就可以較為方便地進(jìn)行編程。基于這種技術(shù)，考慮到環(huán)境中存在著浪費(fèi)的振動(dòng)機(jī)械能，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)單的低成本、小體積且具有自充電能力的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，如應(yīng)用在礦井下煤機(jī)上來(lái)監(jiān)測(cè)其在工作時(shí)轉(zhuǎn)軸的溫度變化。本文主要通過(guò)芯片LT3331進(jìn)行電源管理，由鋰電池供電并可在振動(dòng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)自充電，利用測(cè)溫范圍為-55～125 ℃的可編程數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20和射頻芯片CC2530來(lái)完成溫度數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸，最終由計(jì)算機(jī)串口來(lái)讀取溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
1 總體功能框架
在正常情況（環(huán)境中無(wú)振動(dòng)）下通過(guò)鋰電池給無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，保證溫度傳感器和射頻單元的正常工作；在振動(dòng)環(huán)境中，利用壓電微能源收集環(huán)境中的振動(dòng)能，給鋰電池充電，實(shí)現(xiàn)自充電。通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，最終由上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1所示。
2 電源模塊
本系統(tǒng)選用Volture系列的V21B壓電式振動(dòng)微能量采集器為節(jié)點(diǎn)供電，其體積小、可靠性好、靈敏度高、壽命長(zhǎng)。當(dāng)環(huán)境中有振動(dòng)時(shí)，該采集器收集振動(dòng)機(jī)械能，利用壓電效應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為電能為節(jié)點(diǎn)供電[5?6]。它包含4個(gè)引腳，通過(guò)串聯(lián)方式輸出較大電壓，通過(guò)并聯(lián)方式輸出較大電流。采用串聯(lián)方式獲取較大電壓，通過(guò)給振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置1 g垂直方向加速度來(lái)測(cè)試能量采集器的電學(xué)輸出性能。從8～200 Hz進(jìn)行掃頻測(cè)試，觀察其諧振頻率。測(cè)得器件輸出電壓與振動(dòng)頻率的關(guān)系如圖2所示。通過(guò)測(cè)試：在8～200 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，器件開(kāi)路輸出電壓范圍為0.124～13.204 V，并在諧振頻率41 Hz下輸出達(dá)到最大。
能源管理部分采用LTC3331芯片，根據(jù)外部環(huán)境振動(dòng)狀況和電池電量狀況，LTC3331內(nèi)部輸入優(yōu)先級(jí)排序器控制選擇降壓轉(zhuǎn)換器或降壓?升壓轉(zhuǎn)換器，完成環(huán)境采集能量輸入模式和電池輸入模式的切換。當(dāng)處于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，壓電式環(huán)境振動(dòng)能量收集器采集振動(dòng)能量，電容上開(kāi)始積累電荷，當(dāng)Vin電壓高于UVLO上升閾值時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器激活，LTC3331采用環(huán)境能量輸入模式為Vout供電，同時(shí)內(nèi)部并聯(lián)電池充電器為鋰電池充電；當(dāng)Vin逐漸耗盡至UVLO下降閾值以下或無(wú)振動(dòng)時(shí)，能量輸入模式切換為電池模式供電。基于LTC3331的能源管理電路如圖3所示。
3 射頻模塊
作為發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要無(wú)線電設(shè)備，天線自然也是無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)，它的性能將直接影響到通信系統(tǒng)的品質(zhì)。對(duì)于所設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)最重要的就是射頻模塊，它的好壞直接影響到溫度數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，尤其是天線部分。本模塊采用CC2530與IFA天線相結(jié)合。
3.1 原理圖
如圖4所示，本原理圖主要涉及射頻模塊CC2530芯片及其元器件分布以及巴倫電路。本系統(tǒng)采用的是CC2530F256，即具有256 KB的FLASH存儲(chǔ)器。此外，CC2530十分適合需要超低功耗的系統(tǒng)。在原理圖中，元器件在滿足芯片功能的情況下還有濾波及去耦的功能，巴倫電路能使射頻芯片和天線更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。該電路包含兩個(gè)晶振，分別為四引腳32 MB和兩引腳32.768 kHz，CC2530選用兩個(gè)晶振確保電路正常工作，X1是主晶振；X2是可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用。P0口、P1口和復(fù)位等均全部引出。
3.2 天線部分
考慮到小體積，天線部分沒(méi)有采用一般的外置天線，而是印刷在PCB電路板上的倒F（Inverted?F Antenna，IFA）天線。不僅具有交叉極化特性，而且具有等向輻射性[7]。本系統(tǒng)使用的倒F天線的原型是單極子天線，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于匹配和制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，這是本系統(tǒng)選擇它的主要原因。
所用倒F天線用HFSS軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真，模型如圖5所示。基板選用的是PCB中最常用的玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂（FR4），其相對(duì)介電常數(shù)=4.4，損耗正切=0.05。天線位于模型中介質(zhì)層的上表面，用一個(gè)矩形理想導(dǎo)體平面來(lái)代替過(guò)孔與地相連[8]。各部分具體參數(shù)如圖6所示，H=4 mm，S=5 mm，L=16 mm。
仿真結(jié)果如圖7所示，S11參數(shù)如圖7（a）所示，可以看出天線的諧振頻率非常接近2.45 GHz，滿足ZigBee可使用的2.4 GHz的ISM頻段，10 dB帶寬約為400 MHz。在諧振頻率點(diǎn)時(shí)，S11=-34.81 dB。在射頻微波頻段，使用的饋線通常是50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗。所以天線的輸入阻抗盡可能在50 Ω，保證在工作頻帶內(nèi)能有盡可能小的駐波比。通過(guò)查看天線輸入阻抗結(jié)果報(bào)告，如圖7（b）所示，可以看出天線的輸入阻抗為（51.279 1-1.097 2j） Ω，與50 Ω已非常接近。在無(wú)線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配，高頻能量就會(huì)發(fā)生反射折回，并與前進(jìn)的部分干擾匯合發(fā)生駐波。通過(guò)仿真，電壓駐波比為1.033 8。圖7（c）為天線平面增益方向圖，仿真結(jié)果最大增益為2.893 4 dB。
3.3 電路板
最終設(shè)計(jì)射頻模塊電路板為30 mm×37 mm，厚度為1.2 mm，相比外置天線體積上小了很多。在設(shè)計(jì)電路板的過(guò)程中，過(guò)孔的增多和巴倫電路部分元器件的擺放非常重要，會(huì)直接影響到天線的傳輸質(zhì)量[9]。本設(shè)計(jì)鋪銅厚度為35 μm，布線寬度為10 mil，模塊PCB圖如圖8所示，實(shí)物電路板如圖9所示。
4 程 序
程序借助TI公司的Z?stack協(xié)議棧，大大簡(jiǎn)化并節(jié)省時(shí)間，系統(tǒng)所用的編譯軟件為IAR Embedded Workbench，它是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片群似教āIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議棧的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）框架。
波特率為576 000 B/s，每隔2 s發(fā)送一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收溫度數(shù)據(jù)給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)。部分程序如下：
溫度數(shù)據(jù)接收程序：
static void appDataRx（） {
BYTE i；
basicRfConfig.myAddr = LIGHT_ADDR；
if（basicRfInit（&basicRfConfig）==FAILED） {
HAL_ASSERT（FALSE）； }
basicRfReceiveOn（）；
while （1） {
while（！basicRfPacketIsReady（））；
if（basicRfReceive（pRxData， APP_PAYLOAD_LENGTH，
NULL）>0） {
if（pRxData[0] == WENDU_CMD ） {
for（i=0；i！=4；i++） {
Tx_buffer[i]=pRxData[i+1]； }
UartTX_Send_String（UartData，5）；
UartTX_Send_String（Tx_buffer，APP_PAYLOAD_
LENGTH?1）；
halLedToggle（LED_BlUE）；
Wait（1）；
halLedToggle（LED_BlUE）；
} } } }
5 溫度顯示
上位機(jī)界面計(jì)劃采用LabVIEW軟件來(lái)設(shè)計(jì)，它是目前國(guó)際上惟一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），使用線條把各種功能連接起來(lái)的簡(jiǎn)單圖形編程方式[10]。由它設(shè)計(jì)出的界面相當(dāng)?shù)闹庇^漂亮。在底板上通過(guò)PL2303芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB。該芯片是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS 232?USB接口轉(zhuǎn)換器，它的高兼容驅(qū)動(dòng)可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口，并允許基于COM 端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通信波特率高達(dá)6 Mb/s。使用的溫度傳感器為DS18B20，精度為±0.5 ℃，與CC2530芯片的VCC，P0.6，GND三個(gè)引腳相連接[11?12]。將裝有DS18B20的發(fā)射機(jī)置于需要監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的區(qū)域，它會(huì)每隔2 s發(fā)送所處位置的溫度數(shù)據(jù)，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)就能通過(guò)電腦串口實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖10所示。
最終在開(kāi)闊的場(chǎng)地和振動(dòng)臺(tái)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離為80 m時(shí)，溫度數(shù)據(jù)仍然可以被較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，表明該系統(tǒng)具有一定的可靠性。
6 結(jié) 語(yǔ)
本文對(duì)基于ZigBee的無(wú)線可充電溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從硬件原理圖到無(wú)線節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)再到上位機(jī)都進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。由于測(cè)試條件有限，只是在正常情況下和振動(dòng)臺(tái)上測(cè)得節(jié)點(diǎn)最大有效距離為80 m，在振動(dòng)環(huán)境中微能源能為鋰電池進(jìn)行續(xù)航，實(shí)現(xiàn)自充電。但是，系統(tǒng)并未在實(shí)際環(huán)境如礦井下的煤機(jī)上進(jìn)行實(shí)測(cè)，距實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，能夠?yàn)橐恍毫迎h(huán)境尤其是振動(dòng)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
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【關(guān)鍵詞】 CAN總線;DS1820數(shù)字溫度傳感器;自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
一、系統(tǒng)工作原理
(一)CAN總線的特點(diǎn)和工作原理
CAN(controller area network)是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是一種多主站總線,各節(jié)點(diǎn)都有權(quán)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)議,實(shí)現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,且硬件成本較低。主要特點(diǎn)可概括如下:CAN總線任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),不分主從;CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級(jí),可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求;借助接收濾波實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送;數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu),受干擾率低,數(shù)據(jù)幀的信息CRC校驗(yàn)及其它錯(cuò)誤檢測(cè)措施;發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破獲的幀可以自動(dòng)重發(fā);對(duì)于嚴(yán)重錯(cuò)誤具有自動(dòng)關(guān)閉總線功能,使總線其它操作不受影響。
CAN總線的接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié),因而不存在占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,可以保證通信的實(shí)時(shí)性。通信速率最多可達(dá)1Mbps(通信距離40m),通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸速率5kbps)。通信介質(zhì)可以是同軸電纜或光纖,甚至可以是雙絞線,其硬件接口簡(jiǎn)單,編程方便,系統(tǒng)容易集成。基于CAN總線的以上特點(diǎn),它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實(shí)時(shí)性要求高、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大的場(chǎng)合。智能節(jié)點(diǎn)能夠采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),并根據(jù)接收到的命令或者主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。通過(guò)事先設(shè)置驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點(diǎn)從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步復(fù)雜的處理,則上位計(jì)算機(jī)可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí),可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與該節(jié)點(diǎn)通訊;當(dāng)它要同時(shí)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí),可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)完全可以沒(méi)有上位機(jī)的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量,同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
(二)DS1820數(shù)字溫度傳感器特點(diǎn)
DS1820是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的一種溫度測(cè)量傳感器,以數(shù)字形式串行輸出溫度測(cè)量值,改變了以往溫度傳感器需要加A/D轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模式,可直接與單片機(jī)連接,接口電路大大簡(jiǎn)化。DS1820的64位ROM存放著序號(hào),前8位是產(chǎn)品類型編號(hào),接著的48位是每個(gè)DS1820的唯一序號(hào),最后8位是前美國(guó)微芯公司的PIC18F458 單片機(jī)集成了CAN 通信接口,執(zhí)行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協(xié)議。它能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B 協(xié)議的舊版本和CAN2.0B現(xiàn)行版本。使用PIC18F458 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它的優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡(jiǎn)單,只需很少的電路就可實(shí)現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實(shí)現(xiàn)所需功能,只需對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行正確設(shè)置即可。
DS1820的特點(diǎn)如下:僅一條線便可以完成讀或?qū)憯?shù)據(jù),一條總線上可掛任意多個(gè)DS1820 不需要外接元器件;溫度測(cè)量范圍為-55℃～125℃,分辨率為0.5℃;溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的時(shí)間為1s(典型值),DS1820含有兩個(gè)字節(jié)的寄存器,第一個(gè)存放著溫度值的符號(hào),如溫度為正則全為1,否則全為0。第二個(gè)存放著溫度值的補(bǔ)碼。具體計(jì)算如下:先將寄存器中的溫度數(shù)字量求補(bǔ),再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并除以二,即得被測(cè)溫度值。
二、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
系統(tǒng)硬件由PIC18F458 單片機(jī)為控制核心,通過(guò)并行DS1820溫度傳感器,檢測(cè)出通風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)溫度,通過(guò)PIC18F458單片機(jī)信息處理,由CAN 通信接口信號(hào)處理器MCP2551進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸,系統(tǒng)通過(guò)LCD1602進(jìn)行就地溫度顯示,同時(shí)溫度信號(hào)通過(guò)MAX232串口與PC機(jī)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)測(cè)顯示。系統(tǒng)還具有溫度超限報(bào)警功能。美國(guó)微芯公司的PIC18F458 單片機(jī)集成了CAN 通信接口,執(zhí)行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協(xié)議。使用PIC18F458 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN 總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡(jiǎn)單,只需很少的電路就可實(shí)現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實(shí)現(xiàn)所需功能。
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)
1.初始化CAN 控制。在使用CAN 之前,必須對(duì)它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置,如CAN 控制寄存器CANCON、波特率寄存器BRGCONx 的設(shè)置以及對(duì)郵箱進(jìn)行初始化(初始化流程圖如圖1 所示)。
2.信息的發(fā)送。PIC18F458 有3 個(gè)發(fā)送郵箱緩沖器,每一個(gè)發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以設(shè)置為1～8 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度,信息發(fā)送的具體步驟如下:(1)初始化發(fā)送郵箱;(2)設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送請(qǐng)求位為1,即TXBxCON bits.TXREQ=1(x=1,2,3);(3)若CAN 總線允許發(fā)送,則啟動(dòng)最高優(yōu)先級(jí)信息的發(fā)送;(4)若發(fā)送成功,則TXREQ 被清零,TXBxIF 被置1,如果中斷被使能,則會(huì)產(chǎn)生中斷;(5)若信息發(fā)送失敗,則TXREQ 保持為1,并置位相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志。
3.息的接收。IC18F458有2個(gè)具有多重接收濾波器的完全接收緩沖器和1 個(gè)單獨(dú)信息組合的緩沖器。接收郵箱初始化時(shí),要設(shè)置其標(biāo)識(shí)符及相關(guān)的屏蔽寄存器、接收優(yōu)先級(jí)等。MAB 寄存器接收所有來(lái)自總線的下一條信息,RXB0 和RXB1 則接收來(lái)自協(xié)議驅(qū)動(dòng)的完整信息。MAB 接收所有信息,只有滿足過(guò)濾條件的信息才被傳送到RXBx 中。程序?qū)崿F(xiàn)的是發(fā)送緩沖器0向接收緩沖器0發(fā)送數(shù)據(jù)的正常模式,其中接收采用中斷方式,發(fā)送采用查詢方式。
煤礦通風(fēng)機(jī)主軸溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行一年的情況表明,系統(tǒng)信號(hào)傳輸距離長(zhǎng),信號(hào)傳輸質(zhì)量高,系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),工作穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：涵閘工程；溫控防裂；自動(dòng)化數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)；混凝土絕熱溫升；水化熱參數(shù)
中圖分類號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）03-0177-06
Abstract：To control the temperature and prevent cracks of concrete in culvert projects，we developed a fully automatic digital temperature measurement system.The hardware was composed of digital temperature sensors，an acquisition unit，and GPRS DTU.The software part included the central server and client software.The system has realized unattended operation，multi-point remote measurement，and real-time data sharing within the coverage of GPRS public wireless network.It is small in size，requires no wiring，runs steadily，and has high accuracy.Through several practical applications，it was proved to be stable and reliable.Based on the measured data and the numerical calculation of 3D unsteady temperature field，we retrieved the hydration heat parameters of a specific project.The specifications for P.O 42.5 were：m= 0.69，n= 0.56；and the inverted results were：m=1.85，n=0.79.According to these two groups of parameters，we calculated the 3D temperature stress，and obtained completely different results.The former did not exceed the standards，but the latter exceeded several standards and required crack-control measures to ensure the safety of the structure.Therefore，temperature monitoring and parameter inversion are very necessary for practical projects.
Key words：culvert project；temperature control and crack prevention；automatic digital temperature measurement system；adiabatic temperature rise of concrete；hydration heat parameter
中型水工涵l工程面廣量大，經(jīng)常出現(xiàn)混凝土施工期溫度裂縫[1-3]。此類工程溫控防裂經(jīng)費(fèi)投入非常有限，一般沒(méi)有條件針對(duì)具體工程進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn)，溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力計(jì)算所需要的絕熱溫升曲線一般采用規(guī)范公式[4]。近年來(lái)，由于水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，水泥細(xì)度和比表面積增加，使得水化熱釋放速度加快，與規(guī)范推薦的計(jì)算公式相比較偏差很大。對(duì)于土基上的涵閘工程，底板部位一般不會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫一般出現(xiàn)在底板以上具有強(qiáng)約束的墩墻部位[5]。為了準(zhǔn)確確定混凝土絕熱溫升，一般對(duì)先期澆筑的底板進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測(cè)，記錄其溫度變化過(guò)程，由此反推混凝土絕熱溫升，作為后期墩墻不穩(wěn)定溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的計(jì)算條件。因此，開(kāi)發(fā)高精度、高性價(jià)比的自動(dòng)化測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)涵閘溫控防裂設(shè)計(jì)是非常必要的。
自動(dòng)化測(cè)溫系統(tǒng)在大壩工程中已經(jīng)普遍采用，一般由后方服務(wù)器、通訊光纖、信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備、NDA 數(shù)據(jù)采集模塊、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)專用電源線等組成[6-8]，但是這類系統(tǒng)并不適用于中型涵閘工程。大壩測(cè)溫系統(tǒng)服役時(shí)間長(zhǎng)，往往需要數(shù)年的運(yùn)行時(shí)間。為了確保傳感器的高可靠性，使用的傳感器多為熱敏電阻感溫元件[9]，一般是模擬信號(hào)輸出，在采集單元中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，精度較低。此類系統(tǒng)可靠性高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10-12]，鋪設(shè)線路工作繁瑣，投資大，對(duì)一般涵閘工程沒(méi)有條件也沒(méi)有必要。
涵閘工程施工期一般為1～2年，混凝土結(jié)構(gòu)的壁厚一般在0.8～2.5 m范圍內(nèi)，溫度變化過(guò)程從澆筑溫度上升到最高溫度再下降到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度一般在一個(gè)月左右，最長(zhǎng)不超過(guò)三個(gè)月。本文針對(duì)涵閘工程的測(cè)溫需求，成功開(kāi)發(fā)了一種高精度、高密度、高性價(jià)比的全自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)，并在工程中得到成功應(yīng)用。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)反演得到水化熱參數(shù)，在此基礎(chǔ)上溫控防裂數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)模結(jié)果采用相應(yīng)的溫控措施，取得了預(yù)期的防裂效果。
1 混凝土溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
本項(xiàng)目研制的混凝土全自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)由溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，中心服務(wù)器軟件，桌面客戶端軟件構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。1.1 數(shù)字溫度傳感器
DS18B20數(shù)字溫度傳感器（圖2）在數(shù)字測(cè)溫計(jì)、測(cè)溫儀、倉(cāng)庫(kù)溫度采集系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[13-15]，但用于混凝土溫度測(cè)量尚不多見(jiàn)。選用該傳感器的理由是其性能指標(biāo)符合混凝土短期溫度量測(cè)要求，高精度溫度測(cè)量范圍在-10 ～ +85℃之間，恰好在混凝土囟缺浠范圍之內(nèi)，精度為，高于常用的熱電阻和熱電偶。另一優(yōu)勢(shì)是其內(nèi)部適配了微處理器，可將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的直接接口，從而省去了復(fù)雜模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，避免了線纜電阻對(duì)精度的影響。因此選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成混凝土測(cè)溫系統(tǒng)的一部分是比較理想的一個(gè)選擇。
1.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元
溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用51系列單片機(jī)，模塊擁有LED四字?jǐn)?shù)碼管（圖3），可以循環(huán)顯示傳感器相關(guān)信息，包括傳感器總數(shù)量，有效編號(hào)傳感器數(shù)量，各個(gè)傳感器的編號(hào)及采集的溫度值等，現(xiàn)場(chǎng)也可以通過(guò)數(shù)碼管查看所測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊提供了RS485總線接口，可以達(dá)到多個(gè)模塊通過(guò)485總線共同組網(wǎng)的應(yīng)用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)500 m（或更遠(yuǎn)距離）單總線數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)驅(qū)動(dòng)30個(gè)單總線溫度傳感器。
GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS DTU）是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將串口數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)互換進(jìn)行長(zhǎng)距離傳送數(shù)據(jù)的無(wú)線終端設(shè)備。后臺(tái)不需要計(jì)算機(jī)支持，充分發(fā)揮了GPRS網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)在線、快速接入的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比很高，穩(wěn)定可靠。GPRS DTU的構(gòu)造見(jiàn)圖4。
1.3 中心服務(wù)器軟件
自主開(kāi)發(fā)的中心服務(wù)器軟件TCP Water是一個(gè)TCP轉(zhuǎn)發(fā)程序，它運(yùn)行在一個(gè)具有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器上（項(xiàng)目長(zhǎng)期租用阿里云的一臺(tái)云服務(wù)器）。TCP Water在監(jiān)測(cè)期間一直保持運(yùn)行狀態(tài)，等待現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊和桌面客戶端程序的主動(dòng)連接。其功能是在現(xiàn)場(chǎng)采集單元和客戶端之間起到中間人作用，其本身不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，來(lái)自客戶端的測(cè)量指令立即發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)采集單元。采集單元返回的溫度數(shù)據(jù)立即發(fā)往客戶端。
1.4 桌面客戶端軟件
測(cè)溫系統(tǒng)的客戶端軟件界面見(jiàn)圖5，具有以下功能。（1）發(fā)送測(cè)量指令，可以設(shè)置隨時(shí)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量間隔5 min到24 h任選。（2）接受現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，以表格形式進(jìn)行顯示，表頭可以設(shè)置傳感器的名稱位置等信息。（3）以圖形顯示溫度變化過(guò)程線，數(shù)據(jù)保存，打開(kāi)，編輯功能（圖5）。（4）一對(duì)多連接模式。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)可以在不同的地點(diǎn)進(jìn)行查看和管理，項(xiàng)目業(yè)主、施工單位、工程監(jiān)理可以同時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。不受距離的限制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
2 工程應(yīng)用與混凝土水化熱參數(shù)反演
此測(cè)溫系統(tǒng)在江蘇省運(yùn)東船閘、西直湖港泵站等工程進(jìn)行了多次實(shí)際應(yīng)用，分別對(duì)船閘上、下閘室底板、輸水廊道、流道側(cè)墻，頂板等部位進(jìn)行測(cè)溫。在使用中每個(gè)采集模塊接入5～10個(gè)溫度傳感器用于測(cè)量一個(gè)斷面上的溫度分布和大氣溫度的變化過(guò)程。結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量間隔設(shè)置在10 min/次，準(zhǔn)確獲得了澆筑后溫度上升和下降的過(guò)程。建設(shè)單位、施工單元和科研單位可以同時(shí)查看實(shí)時(shí)的測(cè)量結(jié)果。
以下根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)混凝土實(shí)際水化熱參數(shù)進(jìn)行反演分析。
2.1 規(guī)范指數(shù)式絕熱溫升曲線
根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 SL191-2008》，混凝土在齡期t時(shí)的絕熱升溫Tt可用式（1）計(jì)算
工程采用普通硅酸鹽水泥42.5級(jí)水化熱參數(shù)和工程實(shí)際配合比，每立方米凝膠材料用量為340 kg，摻入20%粉煤灰；取比熱C=0.017 kJ/（kg?℃），密度ρ=2 400 kg/m3。計(jì)算得到的絕熱溫升曲線見(jiàn)圖6：
可見(jiàn)規(guī)范計(jì)算得到的溫升曲線較平緩，在齡期2 d時(shí)溫升接近絕熱總溫升的60%，6 d達(dá)到90%，30 d溫度基本穩(wěn)定，最大溫升為42 ℃。
2.2 實(shí)測(cè)混凝土核心溫升曲線
采用本文開(kāi)發(fā)的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)運(yùn)東船閘底板和側(cè)墻澆筑前后的溫度進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)東船閘幾何模型及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。實(shí)測(cè)底板的溫度曲線見(jiàn)圖8（測(cè)溫系統(tǒng)在澆筑開(kāi)始前24 h開(kāi)機(jī)，澆筑溫度為25 ℃），虛線是根據(jù)規(guī)范參數(shù)計(jì)算的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線。
由于實(shí)際工程中混凝土存在表面散熱，顯然實(shí)測(cè)溫度曲線在升溫階段的任何時(shí)刻都不應(yīng)該陡于絕熱溫升曲線。但是通過(guò)本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混凝土實(shí)際溫升曲線在澆筑后一段時(shí)間內(nèi)大幅超過(guò)規(guī)范參數(shù)計(jì)算的絕熱溫升，說(shuō)明規(guī)范的水化熱參數(shù)和工程實(shí)際數(shù)值偏離較大。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，水泥水化熱在短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)生，溫度急劇升高，澆筑后大約12 h溫度即釋放水化熱的60%（根據(jù)規(guī)范公式需要48 h），溫升幅值（約）和規(guī)范公式基本一致。澆筑72 h后溫度開(kāi)始下降，澆筑30 d后，混凝土內(nèi)部熱量基本散發(fā)完成，溫度接近氣溫。
澆筑初期由于混凝土溫度高于環(huán)境溫度，混凝土一定存在熱量散發(fā)，實(shí)測(cè)溫度最大應(yīng)不超過(guò)（澆筑溫度+絕熱溫升）。如果實(shí)測(cè)溫度大于澆筑溫度+同期絕熱溫升，說(shuō)明絕熱溫度曲線是不符合實(shí)際情況的。本例發(fā)現(xiàn)在澆筑后12 h，實(shí)測(cè)溫升超過(guò)20 ℃以上。說(shuō)明絕熱溫升嚴(yán)重偏離實(shí)際情況，必須進(jìn)行水化熱參數(shù)的反演分析。
2.3 水泥水化熱參數(shù)反演
運(yùn)東船閘底板厚度為2.5～3 m，由于混凝土體積較大加之放熱迅速，其核心溫度在早期較短的時(shí)間
內(nèi)受環(huán)境溫度影響較小，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，48 h內(nèi)底板中面（即3號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)）的溫度曲線和絕熱溫升非常接近。利用式（2），根據(jù)實(shí)測(cè)核心溫度曲線，調(diào)整其中水化熱參數(shù)m和n，通過(guò)多次試算，當(dāng)取m=1.85，n=0.79時(shí)，計(jì)算得到的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線和實(shí)測(cè)溫度曲線基本一致，見(jiàn)圖9。
用調(diào)參后的公式（2）計(jì)算流道側(cè)墻絕熱溫升，計(jì)算的溫度曲線與實(shí)測(cè)核心溫度曲線相吻合（圖10）。由此可見(jiàn)，反演后的放熱曲線在混凝土澆筑初期和實(shí)測(cè)溫度基本吻合。
2.4 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬
根據(jù)上文水化熱參數(shù)的反演結(jié)果，對(duì)運(yùn)東船閘上閘首輸水廊道進(jìn)行了三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，得到的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)溫度過(guò)程基本一致（圖11-圖13）。
本工程在以上工作的基礎(chǔ)上，采用反演后的水化熱參數(shù)對(duì)后期澆筑的其他墩墻進(jìn)行了溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取了相應(yīng)的溫控防裂措施。工程取得了理想的防裂效果，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。
3 結(jié)語(yǔ)
目前關(guān)于混凝土溫控防裂的相關(guān)理論已經(jīng)趨于成熟，溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算的研究也比較充分，但涵閘工程施工期混凝土溫度監(jiān)測(cè)尚缺少低投資的自動(dòng)化設(shè)備，本文開(kāi)發(fā)的測(cè)溫系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了一種技術(shù)途徑。對(duì)一般中小型涵閘工程，在缺少準(zhǔn)確熱學(xué)參數(shù)的情況下，借助于測(cè)溫系統(tǒng)，可以采用以下技術(shù)路線進(jìn)行較為準(zhǔn)確的溫控防裂數(shù)值分析：底板測(cè)溫?zé)釋W(xué)參數(shù)反演上部結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力數(shù)值計(jì)算確定溫控防裂措施。由于土基上的涵閘工程底板很少出現(xiàn)裂縫，裂縫主要在上部墩墻結(jié)構(gòu)，而底板和上部墩墻結(jié)構(gòu)一般采用相同的水泥品種，所以利用底板混凝土取得較為準(zhǔn)確的熱學(xué)參數(shù)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算就具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。
同時(shí)，在溫控防裂措施的實(shí)施過(guò)程中，需要隨時(shí)掌握混凝土溫度變化情況以選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)采取適當(dāng)?shù)臏乜卮胧﹣?lái)達(dá)到預(yù)期的防裂效果。比如在混凝土早期溫升階段需采取溫降措施來(lái)降低最高溫度；在后期溫降階段需采取保卮朧樂(lè)刮露認(rèn)陸堤快產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力。因此溫控監(jiān)測(cè)也必不可少。
總體上，本文開(kāi)發(fā)的測(cè)溫系統(tǒng)具有體積小、無(wú)需布線、無(wú)人值守、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、遠(yuǎn)程測(cè)量等特點(diǎn)，能夠隨時(shí)隨地監(jiān)控混凝土的溫度，滿足溫控防裂的實(shí)際需求，已在多個(gè)工程得到成功應(yīng)用。目前系統(tǒng)的軟件和硬件已經(jīng)基本完成定型，推廣使用將大大節(jié)省混凝土測(cè)溫的人力財(cái)力。
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【關(guān)鍵詞】大橋；結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)
橋梁經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用難免會(huì)發(fā)生各種各樣的結(jié)構(gòu)損傷，損傷的原因有地震、洪水等自然災(zāi)害，也有車輛超載、車禍、船舶撞擊等人為因素，以及腐蝕、氧化、風(fēng)雨、振動(dòng)等環(huán)境因素。隨著大跨橋梁設(shè)計(jì)的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化，為了把握橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)期間的承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)、安全性和耐久性，需要建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在橋梁內(nèi)部關(guān)鍵部位安裝各種類型的傳感器來(lái)對(duì)橋梁的整個(gè)使用壽命期間的結(jié)構(gòu)健康狀況和性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種完整的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其基本內(nèi)涵是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
1 工程概況
上海崇明至江蘇啟東長(zhǎng)江公路大橋（崇啟大橋）全線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主橋?yàn)殡p幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續(xù)梁橋，引橋?yàn)?0×50m節(jié)段梁拼裝混凝土連續(xù)梁橋和20×30m現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁橋，其主橋聯(lián)長(zhǎng)和單跨跨徑均為國(guó)內(nèi)同類橋型第一。為確保崇啟大橋施工及營(yíng)運(yùn)期的安全性和耐久性，崇啟大橋建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要從三個(gè)方面考慮：結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以主橋?yàn)橹鳌⒓骖?0m跨引橋，重點(diǎn)關(guān)注主橋風(fēng)場(chǎng)特性、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、振動(dòng)、位移、鋼結(jié)構(gòu)疲勞和引橋體外預(yù)應(yīng)力束索力等。其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括以下四個(gè)部分：①傳感器子系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)。
這四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體工作步驟如下：①傳感器子系統(tǒng)的各傳感器在線拾取大橋關(guān)鍵部位的信號(hào)；②將采集到的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在本地工業(yè)用計(jì)算機(jī)內(nèi)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)；③由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)；④結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、閾值判別給出評(píng)估意見(jiàn)及報(bào)警信息，并為養(yǎng)護(hù)工作提出建議。
2.1 傳感器子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象分為2類9項(xiàng)：①荷載監(jiān)測(cè)：風(fēng)、大氣溫濕度以及結(jié)構(gòu)溫度、路面溫度、交通荷載；②結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)：加速度（主梁振動(dòng)、地震船撞）、主梁撓度、應(yīng)力應(yīng)變、支座及伸縮縫位移、體外預(yù)應(yīng)力索索力。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是布點(diǎn)設(shè)計(jì)，崇啟大橋設(shè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)2個(gè)，溫濕度測(cè)點(diǎn)8個(gè)，結(jié)構(gòu)溫度測(cè)點(diǎn)72個(gè)，伸縮縫位移測(cè)點(diǎn)8個(gè)，撓度測(cè)點(diǎn)9個(gè)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)72個(gè)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)26個(gè)，地震及船撞測(cè)點(diǎn)21個(gè)，體外索索力測(cè)點(diǎn)16個(gè)。
（1）風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)
和普通的混凝土梁式橋不同，大跨徑鋼連續(xù)梁橋由于剛度較小、自重較輕，在風(fēng)荷載作用下，可能產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)。崇啟大橋在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)荷載的影響，并分析評(píng)估大橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
（2）空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)
空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，溫度變化對(duì)混凝土構(gòu)件及鋼構(gòu)件有很大的影響，是監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。崇啟大橋主橋?yàn)殇撨B續(xù)梁橋，更需要監(jiān)測(cè)鋼箱梁內(nèi)的溫濕度。
（3）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)
橋梁結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積結(jié)果，而橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷主要是由于動(dòng)荷載作用下的交變應(yīng)力作用的結(jié)果。崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋主橋主梁及主墩各部位在風(fēng)、交通、地震等作用下引起的振動(dòng)加速度響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性，為橋梁結(jié)構(gòu)整體健康狀況評(píng)估、驗(yàn)證大橋設(shè)計(jì)理論及運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)。
（4）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)
應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目的是了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。
（5）支座、伸縮縫位移監(jiān)測(cè)
崇啟大橋主橋中間墩采用墩梁固結(jié)，其他墩設(shè)置縱向滑動(dòng)支座。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主橋主梁的縱、橫向位移，為評(píng)估風(fēng)荷載、船撞、地震、交通對(duì)主梁的作用提供依據(jù)。同時(shí)橋梁進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，伸縮縫是易于損壞的構(gòu)件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伸縮縫處的位移，能夠了解伸縮縫處變化情況。由于主橋主梁是一個(gè)整體，為提高效率節(jié)省資源，支座位移與伸縮縫位移合并監(jiān)測(cè)。
（6）撓度監(jiān)測(cè)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的主梁幾何線形及其變化，研究撓度變化與環(huán)境變化（風(fēng)、溫度、交通荷載）的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供資料。
（7）體外索索力監(jiān)測(cè)
崇啟大橋引橋水中段采用預(yù)制節(jié)段整跨拼裝50米連續(xù)梁橋，其體外預(yù)應(yīng)力束工作狀態(tài)使其正常使用的關(guān)鍵所在，通過(guò)加速度傳感器使用振動(dòng)法測(cè)量索力能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出體外索索力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握體外索拉力情況，為評(píng)估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)目的。
2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元（工作外站）和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件組成。
2.3 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，中央數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
2.4 結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)目前主要分為綜合評(píng)估以及監(jiān)測(cè)評(píng)估兩部分。綜合評(píng)估主要是對(duì)大橋日常人工養(yǎng)護(hù)所提供的數(shù)據(jù)并且結(jié)合實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGT H21-2011）進(jìn)行相應(yīng)評(píng)估打分，最后以分?jǐn)?shù)形式表示橋梁養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。
“崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)評(píng)估”通過(guò)對(duì)大橋的風(fēng)荷載、大氣溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度、撓度、支座位移、體外索索力、地震船撞、應(yīng)變等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算最終以百分制的分?jǐn)?shù)形式直觀提供給用戶。
3 結(jié)語(yǔ)
崇啟大橋根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估。目前，該系統(tǒng)已運(yùn)行一年多時(shí)間，在運(yùn)行期間，運(yùn)營(yíng)單位定期對(duì)系統(tǒng)、外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行分析、檢測(cè)及維護(hù)，按月出具崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)月報(bào)，為崇啟大橋提供了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表明了系統(tǒng)的合理性、可行性和大橋的安全可靠性。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及土木工程、力學(xué)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)、通信等多門(mén)學(xué)科，隨著系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高、完善和研究?jī)?nèi)容的不斷深化，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度將不斷提高，最終可以實(shí)現(xiàn)一整套完善的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)，從而提高橋梁運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)安全。
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關(guān)鍵詞：無(wú)線傳輸； 輪胎氣壓； 溫度監(jiān)測(cè)； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TN911.734; U472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2012)09016103
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51105124)資助;浙江省自然科學(xué)基金(Y1090199)資助0 引 言
輪胎是汽車上與路面接觸的惟一部件，行駛過(guò)程中通過(guò)輪胎花紋與地面間產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力［1］；充氣后的輪胎具有一定的剛度和硬度，可以用來(lái)承載整車質(zhì)量［2］；充氣輪胎又具有一定的彈性，可以緩和來(lái)自于車上質(zhì)量和路面不平帶來(lái)的沖擊，提高車輛的平順性和乘坐舒適性。而輪胎的剛度、硬度及其他性能，除了與輪胎本身的材質(zhì)和生產(chǎn)工藝有關(guān)外，在很大程度上還受到其工作狀態(tài)時(shí)的氣壓和溫度的影響。實(shí)踐證明，適當(dāng)?shù)臍鈮汉蜏囟瓤梢杂行У販p少輪胎的磨損、提高輪胎的附著性能、改善汽車的行駛安全性。
1 輪胎氣壓和溫度對(duì)汽車使用的影響
當(dāng)輪胎的氣壓過(guò)低時(shí)，汽車行駛時(shí)輪胎的彈性遲滯損失明顯變大，不僅會(huì)增加汽車的行駛阻力，還會(huì)使胎面過(guò)早地出現(xiàn)龜裂和老化現(xiàn)象；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，又會(huì)由于輪胎內(nèi)外摩擦使得輪胎溫度升高，進(jìn)而輪胎氣壓上升［3］，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)爆胎現(xiàn)象，導(dǎo)致交通事故，危機(jī)生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有30%的交通事故是由于輪胎氣壓和溫度不正常引起的，高速公路上這一比例更高。
實(shí)踐表明，當(dāng)輪胎充氣壓力與額定值不一致、輪胎溫度超過(guò)90℃時(shí)，輪胎的磨損程度就會(huì)加劇，壽命將會(huì)大大縮短，如壓力低于額定值0.03 MPa，壽命縮短［4］25%；壓力高于額定值0.06 MPa，壽命縮短15%以上；輪胎溫度高于95℃且高速行駛時(shí)，就有可能導(dǎo)致爆胎發(fā)生［5］。因此，需要對(duì)輪胎的氣壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2 輪胎氣壓和溫度監(jiān)測(cè)的意義
在行車過(guò)程中駕駛員很難依據(jù)感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷輪胎的氣壓和溫度，也不可能經(jīng)常停車使用專用儀器來(lái)檢測(cè)，因此輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測(cè)具有以下幾個(gè)方面的意義：
(1) 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓和溫度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓和溫度狀況，便于駕駛員盡快調(diào)整汽車的行駛狀態(tài)，使輪胎的氣壓和溫度能夠盡快恢復(fù)常態(tài)，能夠有效防止爆胎和交通事故的發(fā)生，屬于“主動(dòng)”型安全保護(hù)；
(2) 通過(guò)監(jiān)測(cè)可以使汽車輪胎盡可能多的處于標(biāo)準(zhǔn)氣壓下工作，從而延長(zhǎng)輪胎使用壽命，并能在一定程度上降低油耗；
(3) 可以保證各個(gè)輪胎氣壓均勻，減少造成制動(dòng)跑偏和側(cè)滑的發(fā)生，避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)等相關(guān)部件的磨損。
3 國(guó)外輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的類型及優(yōu)缺點(diǎn)
國(guó)外的輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制起步較早，配置的車型也較多，因輪胎溫度與氣壓存在一定的數(shù)值關(guān)系，所以國(guó)外輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接監(jiān)測(cè)的指標(biāo)均為氣壓，歸納起來(lái)可將其分為直接式、間接式和混合式三種。
3.1 直接式系統(tǒng)
直接式系統(tǒng)是將壓力傳感器直接安裝到各個(gè)輪胎上，各壓力傳感器將監(jiān)測(cè)到的壓力值以電信號(hào)的形式通過(guò)無(wú)線發(fā)射器傳至中央處理模塊，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后將壓力不正常的輪胎位置在駕駛室內(nèi)的監(jiān)視裝置上顯示出來(lái)。直接式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠監(jiān)測(cè)出各輪胎的瞬時(shí)氣壓，且定位準(zhǔn)確、顯示醒目，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳感器安裝不方便。
3.2 間接式系統(tǒng)
間接式系統(tǒng)相對(duì)于直接式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。它不是直接監(jiān)測(cè)輪胎的氣壓，而是通過(guò)對(duì)輪胎其他參數(shù)(如輪胎的振動(dòng)或輪胎的滾動(dòng)半徑)的分析間接計(jì)算出輪胎的壓力［6］。如果計(jì)算出來(lái)的各輪胎壓力的差值超過(guò)報(bào)警閾值，監(jiān)視器將會(huì)報(bào)警顯示有輪胎氣壓不正常情況，具體是哪一個(gè)輪胎氣壓不正常，無(wú)法顯示；另外如果有兩個(gè)以上輪胎的氣壓同時(shí)下降時(shí)，系統(tǒng)也不能報(bào)警［7］；另外受車速的影響較大，車速升高，間接式系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度也會(huì)隨之下降。
3.3 混合式系統(tǒng)
混合式系統(tǒng)是直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)的綜合，同時(shí)兼顧了兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。在四輪汽車上僅安裝兩個(gè)壓力傳感器，這樣便可以對(duì)多個(gè)輪胎同時(shí)出現(xiàn)壓力不正常的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，克服了間接式系統(tǒng)的缺點(diǎn)；由于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其成本也較低；但是無(wú)法測(cè)出每個(gè)輪胎的實(shí)時(shí)氣壓。
4 國(guó)內(nèi)輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及其特點(diǎn)
目前，對(duì)于輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)家沒(méi)有相應(yīng)的強(qiáng)制性規(guī)定要求必須安裝，許多車主也沒(méi)有意識(shí)到輪胎狀況監(jiān)測(cè)的重要性，安裝時(shí)又要產(chǎn)生一筆額外的費(fèi)用，因此無(wú)論是私家車主還是運(yùn)輸企業(yè)主，都不會(huì)去主動(dòng)安裝此類系統(tǒng)；而且系統(tǒng)安裝時(shí)需要在車內(nèi)接線和固定，影響美觀等，這也在一定程度上影響了我國(guó)輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。
目前裝配了輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的車型有：奧迪系列、寶馬系列、奔馳系列、雪鐵龍的CS、上海通用的別克、朗逸1.6 L品軒版、朗逸2.0 L品軒版、榮威550G1.8 T品仕版等，這些車型裝配的都是輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是當(dāng)汽車上的某一輪胎出現(xiàn)氣壓不正常現(xiàn)象時(shí)，位于駕駛室內(nèi)的顯示裝置將會(huì)點(diǎn)亮一黃色報(bào)警燈，并顯示“LOWTIRE”或其他警示字樣,以提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施，從而確保行車安全。就目前國(guó)內(nèi)這些車型所安裝的輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及其工作原理來(lái)看，主要存在以下不足之處：
(1) 沒(méi)有與車型綁定，需人工設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)胎壓，而且需用的傳感器較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝較繁瑣；
(2) 系統(tǒng)工作受車速的影響較大，當(dāng)車速超過(guò)30 m/s時(shí)，所監(jiān)測(cè)氣壓值的誤差較大，無(wú)法在汽車高速行駛時(shí)起到安全報(bào)警的需要；
(3) 必須使用原廠輪胎，如果換用其他輪胎，系統(tǒng)無(wú)法消除由于輪胎不一致而造成的影響［8］；
(4) 語(yǔ)音抗干擾能力較差，射頻效率不高，編碼糾錯(cuò)性較差；
關(guān)鍵詞：人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評(píng)估懸吊體系橋梁
一、引言
大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。普遍大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于導(dǎo)量位移。任何索塔和主梁軸線偏高于設(shè)計(jì)軸線，都直接影響大橋的承載能力和構(gòu)件的內(nèi)力分布。目前香港的三座懸吊體系橋梁，均設(shè)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱"橋監(jiān)系統(tǒng)"。用以監(jiān)測(cè)大橋在營(yíng)運(yùn)期間的結(jié)構(gòu)健康變化，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估。雖然大橋主梁及索塔軸線監(jiān)測(cè)已包括在大橋每年一次的大地測(cè)量范圍內(nèi)，可是現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)"還未能對(duì)大橋主梁和索塔軸線作實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。鑒于近年人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystemorGPS）的實(shí)時(shí)位移測(cè)量精度有顯著的提升（垂直面誤差約20mm，而水平面差誤約10mm），因此香港特別行政區(qū)政府路政署引進(jìn)GPS技術(shù)用作監(jiān)測(cè)大橋主梁及索塔軸線，提供全橋整體的度量位移。路政署在擬定橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估項(xiàng)目的過(guò)程中，亦曾考慮其他測(cè)量技術(shù)方案，如運(yùn)用紅外光線和激光科技，可是這些技術(shù)均需要一定視野清晰度，故在現(xiàn)階段仍未適合在惡劣天氣下操作。
二、GPS監(jiān)測(cè)范圍和目的[1,2]
在上述三座懸吊體系橋梁上本已設(shè)置傳統(tǒng)的傳感器來(lái)測(cè)量橋身的位移狀況。包括在橋身兩端的位移儀用作量度橋身的縱向位移，及高精度加速儀用作量度橋身的垂直和橫向加速度。高頻率的加速數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二次積分運(yùn)算后只能提供局部振幅的導(dǎo)量，未能準(zhǔn)確地運(yùn)算橋身整體的擺動(dòng)幅度，這是因?yàn)闃蛏碚w的慣性偏移速度較緩慢，加速儀不能準(zhǔn)確測(cè)量；另一方面，在監(jiān)測(cè)橋身固溫度變化而產(chǎn)生的相應(yīng)位移時(shí)，雖然另設(shè)有一組創(chuàng)新設(shè)計(jì)的水平儀系統(tǒng)來(lái)直接量度橋身的垂直位移，但由于這系統(tǒng)是利用液壓原理運(yùn)作，鑒于液體的慣性限制，系統(tǒng)只能以每秒一數(shù)據(jù)的采樣率來(lái)提供位移信息，未能錄取瞬間的振幅，錯(cuò)過(guò)了一些較大的瞬間振幅，因而數(shù)據(jù)難免有誤差。以往路政署曾考慮應(yīng)用GPS技術(shù)在懸吊體系橋梁監(jiān)測(cè)上。經(jīng)過(guò)近年在青馬大橋上安排的多次實(shí)地測(cè)試為驗(yàn)證及改進(jìn)精度，最后決定在"橋監(jiān)系統(tǒng)"中增設(shè)備有RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量功能的GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，直接量度橋梁的獨(dú)立三維實(shí)時(shí)位移，增強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可靠度。現(xiàn)時(shí)GPS系統(tǒng)安裝工程已接近完成階段、數(shù)據(jù)收集會(huì)在竣工后立即開(kāi)始。這GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用作度量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬時(shí)位移，以及推算其相應(yīng)的導(dǎo)量（截面中線）位移及各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。
三、GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介[3]
1．GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概要
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由四組系統(tǒng)組成，通過(guò)固定光纖綱絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)而進(jìn)行運(yùn)作。這四個(gè)系統(tǒng)分別是：（l）GPS測(cè)量系統(tǒng)；（2）信息收集系統(tǒng)；（3）信息處理和分析系統(tǒng)；（4）系統(tǒng)運(yùn)作和控制系統(tǒng)。其硬件包括：GPS測(cè)量?jī)x（其中包括GPS天線和GPS接收器），接駁站，信息收集總控制站，光纖網(wǎng)絡(luò)，GPS電腦系統(tǒng)，顯示屏幕等。
GPS接收器備有24個(gè)衛(wèi)星跟蹤通道，以雙頻（LI及L2）同步跟蹤測(cè)量12顆GPS衛(wèi)星的偽距與全波長(zhǎng)的載波相位；GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以劃一的高速度采樣率，利用27組的GPS測(cè)量?jī)x同步進(jìn)行定點(diǎn)位移測(cè)量，以每秒10次的點(diǎn)位更新率提供獨(dú)立三維RTK實(shí)時(shí)的點(diǎn)位解算結(jié)果，高精度點(diǎn)位輸出的時(shí)間延遲小于0.05秒，令到GPS信號(hào)的同步接收、RTK厘米級(jí)點(diǎn)位數(shù)據(jù)輸出，光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)及圖像處理及橋梁位移圖像屏幕顯示之過(guò)程都在2秒內(nèi)完成，提供實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)。另方面，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在無(wú)人值守的情況下進(jìn)行24小時(shí)作業(yè)，配合可調(diào)校的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，將貯存的GPS位移數(shù)據(jù)與其他現(xiàn)存的橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以整合，再作多樣化的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估；利用大橋主梁及索塔軸線的整體變化周期和幅度資料，及選定時(shí)段的橋梁整移變化資料，來(lái)改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估工作。
2．GPS定點(diǎn)測(cè)量
GPS測(cè)量?jī)x的定點(diǎn)測(cè)量位置主要安裝在橋身的兩旁和橋塔的頂端，在三座橋上總共有27個(gè)定點(diǎn)測(cè)量位置。GPS測(cè)量?jī)x的選位配合現(xiàn)存位于跨中的加速儀。在青馬大橋橋面上共裝有四對(duì)GPS測(cè)量?jī)x，主懸索纜有一對(duì)。另外在汲水門(mén)大橋橋面及訂九大橋橋面上分別裝有一對(duì)及兩對(duì)GPS測(cè)量?jī)x。除了提供每秒10個(gè)的定點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更能運(yùn)算橋身主軸線的三維瞬間位移，和橋身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的時(shí)程數(shù)據(jù)。同樣，從塔頂?shù)狞c(diǎn)位解算結(jié)果，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能運(yùn)算出汀九大橋單腳塔頂?shù)奈灰疲土硗鈨勺鶚蛑p腳塔頂?shù)膫€(gè)別位移。經(jīng)數(shù)據(jù)及圖像處理后，信息屏幕可顯示全橋?qū)崟r(shí)擺動(dòng)的活動(dòng)圖像。現(xiàn)時(shí)路政署采用GPS接收器的定位延遲誤差為0.03秒，突破早期GPS定位數(shù)據(jù)與實(shí)際點(diǎn)位不能完全一致的難題，這技術(shù)可應(yīng)用于速度不均的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，
足夠應(yīng)付高速度實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)的基本要求。
GPS接收器采用抗電磁干擾金屬外殼密閉封裝，并加上振動(dòng)隔離裝置，進(jìn)一步減除振動(dòng)操作環(huán)境對(duì)GPS設(shè)備的影響，加強(qiáng)其抗震性能。在橋上的GPS定點(diǎn)測(cè)量位置均采用精密微帶天線，為減低對(duì)人造衛(wèi)星信號(hào)接收的障礙，所有天線的安裝高度須維持水平15度以上的無(wú)屏障朝天范圍，及避免頻繁的雙層和高身車輛在使用慢線行車道時(shí)形成的障礙。位于貯物大樓房頂?shù)幕鶞?zhǔn)站則采用扼流圈環(huán)狀天線，進(jìn)一步減少多路徑效應(yīng)對(duì)定位測(cè)量的影響，確保不斷發(fā)送至定點(diǎn)測(cè)量站的差分改正信息準(zhǔn)確無(wú)誤。基本上GPS測(cè)量?jī)x在出廠后毋須定期校對(duì)，從而減省養(yǎng)護(hù)工作。
3．GPS信息傳輸系統(tǒng)
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一組不停運(yùn)作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)懸吊體系橋梁遇上惡劣天氣和運(yùn)作環(huán)境時(shí)，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得的數(shù)據(jù)更為寶貴，故此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性都有較高要求。GPS信息傳輸系統(tǒng)采用了高效率和高穩(wěn)定性的光纖網(wǎng)絡(luò)。由于光纖不受電磁波干擾，在惡劣作業(yè)環(huán)境下，如雷暴、高壓電流的電磁場(chǎng)影響、強(qiáng)風(fēng)等，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)仍能維持高水平的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)素和速度，先進(jìn)的光纖收發(fā)儀器更能偵測(cè)光纖網(wǎng)絡(luò)信息的中斷并發(fā)出警號(hào)，讓維修人員即時(shí)知道通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題的位置，確保系統(tǒng)工作效率。信息收集總控制站設(shè)于青衣行政大樓，在每座橋上均設(shè)有一組網(wǎng)絡(luò)接駁站，用以匯集各處GPS定位測(cè)量站的數(shù)據(jù)傳輸分支網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)接總控制站與接駁站的光纖網(wǎng)絡(luò)使用單模光纖，最長(zhǎng)距離約3km；而聯(lián)接定位測(cè)量站與接駁站的分支光纖網(wǎng)絡(luò)則使用多模光纖，最長(zhǎng)距離約l.3km。每組GPS測(cè)量?jī)x需要三條非同步串列傳輸管道（AsyncSerialChannel）操作，這三條管道分別用作資料收集、差分改正信息傳送及遙距監(jiān)控，而每條管道傳輸速度達(dá)19200Baud。光纖傳輸速度能力高，一條多模光纖已能取代多條傳統(tǒng)的銅蕊資料傳輸電線。GPS信號(hào)從多模光纖傳送至網(wǎng)絡(luò)接駁站后，即被匯集成更高頻信號(hào)，由更高質(zhì)素的單模光纖傳輸至信息收集總控制站，使原本需要百余條鋼資料傳輸電線的傳統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為每座橋只需一條單模光纖的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，大大改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的操作效率和養(yǎng)護(hù)維修工作。
4．GPS信息處理的運(yùn)作
從27個(gè)GPS定點(diǎn)測(cè)量?jī)x輸出的GPS大地坐標(biāo)經(jīng)緯數(shù)據(jù)，分別以每秒10個(gè)的采樣率透過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)信息收集系統(tǒng)同步傳送至信息處理和分析系統(tǒng)。信息處理和分析系統(tǒng)安裝于青衣行政大樓的橋梁監(jiān)察室內(nèi)，由兩臺(tái)電腦工作站組成：（1）第一臺(tái)為運(yùn)作工作站（GPS-OWS），用作信息和圖像處理，以活動(dòng)圖像實(shí)時(shí)顯示初步的橋身和塔頂三軸向位移動(dòng)態(tài)，及運(yùn)算橋身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度，同時(shí)以時(shí)程數(shù)據(jù)形式顯示各定點(diǎn)的度量位移，GPS一OWS亦負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)作和控制，用作監(jiān)察GPS測(cè)量?jī)x和光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作狀況，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題或位移數(shù)超出預(yù)設(shè)極值時(shí)，這系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警號(hào)和紅色燈號(hào)，提醒系統(tǒng)管理員。（2）第二臺(tái)為分析工作站（GPS-AWS），將經(jīng)過(guò)初步處理和分析的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估，并用作進(jìn)階圖像處理和執(zhí)行圖輸入蹦出工作。這兩組電腦工作站均與現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)''''充腦系統(tǒng)聯(lián)系在一起，供數(shù)據(jù)整臺(tái)之用。表1及表2列出了這兩臺(tái)工作站的主要硬件和操作軟件，在需要的情況下，GPS-AWS操作系統(tǒng)作為后備工作站以維持正常運(yùn)作。
四、橋架結(jié)構(gòu)侵康檢測(cè)和評(píng)估的應(yīng)用[1,2]
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為"橋監(jiān)系統(tǒng)"中的一個(gè)新增設(shè)施，其主要作用為直接測(cè)量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬間度量位移，并推算其截面中線相應(yīng)的導(dǎo)量位移，繼而再配合其他結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)評(píng)估各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀況。目前"橋監(jiān)系統(tǒng)"對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的評(píng)估有三大方面，分別為承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)和耐久能力。承載能力是有關(guān)大橋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能等，其評(píng)估目的是要找出大橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備，以避免橋梁發(fā)生災(zāi)難性的損毀。營(yíng)運(yùn)狀態(tài)則與大橋結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件在日常荷載下的變形。裂縫、振動(dòng)等有關(guān)，其評(píng)估結(jié)果有助于安排合適的定期養(yǎng)護(hù)維修，而這類評(píng)估亦較為重要。耐久能力的評(píng)估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對(duì)材料物理特性的影響。
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大橋整體結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)，可更直接改進(jìn)"橋監(jiān)系統(tǒng)"的一般檢測(cè)和評(píng)估工作，例如：（1）報(bào)告大橋整體結(jié)構(gòu)的位移從而反映其工作環(huán)境和荷載的變化；（2）進(jìn)一步分析運(yùn)算主要構(gòu)件的實(shí)際內(nèi)力分布，例如主懸索纜、縱向主梁等；（3）驗(yàn)證不尋常荷載記錄，例如臺(tái)風(fēng)、地震、超重交通荷載或被車船撞擊事故等；（4）從而推算大橋主要構(gòu)件有否損壞或累積性的損壞；（5）推算大橋的承載能力及論證設(shè)計(jì)施工假設(shè)和參數(shù)的有效性；（6）為大橋營(yíng)運(yùn)和維修決策者提供大橋超載的警告信息。
五、橋梁整體性營(yíng)運(yùn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)【1，2】
1．風(fēng)力效應(yīng)監(jiān)測(cè)
大橋設(shè)計(jì)中所進(jìn)行的抗風(fēng)能力分析和風(fēng)洞測(cè)試，是基于一所離開(kāi)大橋橋址較遠(yuǎn)的氣象站所收集到的風(fēng)結(jié)構(gòu)資料。由于橋址和氣象站所處的位置有高度上的和地形上的差別，再加上懸吊體系橋梁對(duì)風(fēng)振有較大的反應(yīng)，因此測(cè)量大橋橋址的風(fēng)結(jié)構(gòu)和論證大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)假設(shè)和參數(shù)的有效性，成為大橋抗風(fēng)振監(jiān)測(cè)的主要部分。配合"橋監(jiān)系統(tǒng)"的風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測(cè)，利用從GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可對(duì)大橋進(jìn)行風(fēng)力效應(yīng)監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振驗(yàn)算復(fù)核；測(cè)量特定風(fēng)速的持續(xù)周期，用以檢測(cè)橋梁的渦激共振的平均持續(xù)周期。另外，亦會(huì)與在橋身中同步測(cè)量的加速儀數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證，確定大橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振的效應(yīng)。
2．溫度效應(yīng)監(jiān)測(cè)
由于溫度變化是與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、材料熱能散發(fā)率、環(huán)境溫度及風(fēng)速風(fēng)向等因素有關(guān)，因此大橋的溫度參數(shù)的極值不能從個(gè)別因素去推論。監(jiān)測(cè)大橋環(huán)境溫度和橋梁結(jié)構(gòu)上溫度的分布狀況，可用作推算大橋的有效橋梁溫度和差別溫度的極值，此為大橋溫度荷載監(jiān)測(cè)的主要部分。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)大橋整體結(jié)構(gòu)的位移變化，可引證因環(huán)境溫度而引發(fā)的日夜和季節(jié)性的位移變化周期，例如主懸索纜的垂直位移。橋身的縱向、橫向及垂直位移，與相應(yīng)的塔頂?shù)臋M向及垂直位移等，再與"橋監(jiān)系統(tǒng)"的結(jié)構(gòu)有效溫度和差別溫度的極值互相驗(yàn)證，增強(qiáng)大橋整體溫度荷載監(jiān)測(cè)的可靠性。
3．交通荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)
對(duì)一般大跨度橋梁而言，交通擠塞是交通（車輛）荷載的主要設(shè)計(jì)考慮因素，而大橋的交通荷載長(zhǎng)度（LoadedLengths）設(shè)計(jì)是基于：（1）每天交通擠塞形成的次數(shù)；（2）交通擠塞發(fā)生的位置，持續(xù)時(shí)間和車輛的分布模式；（3）交通擠塞時(shí)的交通流量等假設(shè)。測(cè)量和論證交通荷載設(shè)計(jì)假設(shè)和參數(shù)的有效性，是大橋交通荷載監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目。從GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可與"橋監(jiān)系統(tǒng)"的交通荷載及分布狀況的監(jiān)測(cè)資料互相驗(yàn)證，協(xié)助進(jìn)一步制定橋梁結(jié)構(gòu)的各級(jí)應(yīng)力階段，并用作大橋主要構(gòu)件的疲勞估算。
4．鐵路荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)
對(duì)青馬大橋和汲水門(mén)大橋而言，鐵路機(jī)車的荷載亦成為另一主要的設(shè)計(jì)考慮因素。青馬大橋和汲水門(mén)大橋的鐵路路軌承臺(tái)是由縱向工字鋼梁承托的，鐵路機(jī)車荷載從縱向工字鋼梁傳到大橋橋身的加勁梁構(gòu)件，再分布到其內(nèi)的橫向框架上。由于"橋監(jiān)系統(tǒng)"中沒(méi)有傳感器能直接測(cè)量鐵路機(jī)車在大橋上所產(chǎn)生的荷載，因此，只能通過(guò)安裝在大橋中跨的縱向工字鋼梁上的應(yīng)變儀，進(jìn)行鐵路荷載的監(jiān)測(cè)，繪制相應(yīng)的感應(yīng)線來(lái)推算單一機(jī)車車盤(pán)的荷載，再進(jìn)一步推算整列車的荷載。同樣地，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的橋身、塔頂住懸索纜的三軸向位移資料，可作進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移的相互關(guān)系系數(shù)。
5．大橋鋼索索力的監(jiān)測(cè)
大橋的鋼索索力狀態(tài)是衡量大橋是否處于正常運(yùn)作狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。利用GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的青馬大橋主懸索纜得出的三軸向位移資料，運(yùn)用有關(guān)的素力公式去推算鋼索承受的拉力，定期監(jiān)測(cè)鋼索索力的狀況，并進(jìn)一步分析橋身和主懸索纜的應(yīng)力分布相互關(guān)系。
6．大橋主要構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測(cè)
大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍上是基于導(dǎo)量位移，任何索塔和主梁軸線偏離于設(shè)計(jì)軸線，都會(huì)影向大橋的承載能力和構(gòu)件的內(nèi)力分布，結(jié)構(gòu)評(píng)估工作先從GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的橋身截面中線度量位移，將其輸入其模擬橋身等效剛度的魚(yú)骨結(jié)構(gòu)分析電腦模型，藉矩陣運(yùn)算，得出全橋整體的內(nèi)力分布；再利用局部的結(jié)構(gòu)分析模型來(lái)模擬橋身的主要構(gòu)件，再推算出主要構(gòu)件的個(gè)別應(yīng)力狀況。在恒載和交通荷載作用下，大橋主梁與各構(gòu)件有著不同的內(nèi)力分布，通過(guò)"橋監(jiān)系統(tǒng)"對(duì)主要構(gòu)件部位進(jìn)行的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，整臺(tái)GPS位移數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力推算，不僅能多方面驗(yàn)證各構(gòu)件的應(yīng)力和位移相互關(guān)系，從而為評(píng)估大橋的承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)及耐久能力提供更有力的依據(jù)；此外還能通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)力或位移的變異來(lái)偵查大橋結(jié)構(gòu)有否損壞或潛在損壞的狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】溫濕度；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；主控電路；PIC
目前，大部分常用的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以晶體管電路或51單片機(jī)為核心部件，再配以相應(yīng)的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的溫度和濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，在實(shí)際工作中存在諸如在線調(diào)節(jié)不方便、數(shù)字化和智能化程度較低等缺點(diǎn)。
因此，本文研究了基于PIC16F877A單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，對(duì)主控電路進(jìn)行了改進(jìn)，提出了相應(yīng)的對(duì)策和解決方案。
1 設(shè)計(jì)思路
通常情況下，溫室內(nèi)的溫度和濕度對(duì)作物的影響巨大。如若要使得這些植物在非本季節(jié)處于較佳的生長(zhǎng)狀態(tài)，就必須嚴(yán)格控制溫室內(nèi)的溫濕度。而不同類別的植物，所需溫濕度也不盡相同。嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制溫室內(nèi)溫度和濕度環(huán)境參數(shù)，能夠有效保障植物時(shí)刻處于較佳的生長(zhǎng)狀態(tài)，有利于提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。
首先，本文分析了溫室溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理和性能要求，針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的普通MCU與PIC系列PIC16F877A進(jìn)行性能比較，對(duì)優(yōu)化主控電路做出理論依據(jù)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案和整改對(duì)策。然后，分析了目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的模擬量傳感器和直插式數(shù)字傳感器進(jìn)行性能差異，從非電和電兩個(gè)方面著手對(duì)影響溫濕度監(jiān)測(cè)精度及可靠性的原因進(jìn)行分析，并在優(yōu)化的主控電路。最后，采用了以PIC16F877A對(duì)直插數(shù)字集成式溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行循環(huán)控制，達(dá)到對(duì)蔬菜大棚溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的[1]。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
本文選用DHT11作為溫濕度環(huán)境信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要傳感器件。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，非常適合溫室內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境參數(shù)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)[2]。
本設(shè)計(jì)利用DHT11直插式數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)蔬菜大棚溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并把實(shí)測(cè)溫濕度值實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定溫濕度極限值，如果實(shí)測(cè)溫濕度超過(guò)設(shè)定極限值，則進(jìn)行LED或者蜂鳴器報(bào)警操作。
基于PIC16F877A單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控電路如圖1所示，監(jiān)測(cè)過(guò)程大體如下：當(dāng)產(chǎn)品上電時(shí)，PIC16F877A與DHT11傳感器通訊，當(dāng)PIC做好數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備時(shí)，DHT11通過(guò)單總線將數(shù)據(jù)發(fā)到至PIC，最后再由PIC將處理過(guò)的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD1062進(jìn)行顯示，從而達(dá)到蔬菜大棚溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，用戶可以通過(guò)按鍵輸入溫濕度極限值，對(duì)溫濕度報(bào)警值進(jìn)行設(shè)定，之后以達(dá)到峰值超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警的目的。
3 主函數(shù)初始化和外部中斷流程圖設(shè)計(jì)
我們對(duì)需要的特殊寄存器進(jìn)行初始化后，使其進(jìn)入while循環(huán)，等待外部中斷。
①初始化
初始化函數(shù)包括了系統(tǒng)初始化函數(shù)sys init（）；，LCD初始化函數(shù)lcd_init（）；等。系統(tǒng)初始化函數(shù)主要是對(duì)外部中斷的I/O口，和使能端進(jìn)行設(shè)置[3]。LCD初始化函數(shù)lcd_init（）；主要是多LCD的I/O口進(jìn)行方向設(shè)置，LCD指令輸入等操作。如圖2所示，對(duì)主函數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)。
如圖3所示，本文對(duì)中斷入口和外部信號(hào)進(jìn)行了設(shè)置，使得設(shè)計(jì)的主控電路能夠更好的響應(yīng)其他優(yōu)先級(jí)更高的事件，從而完成了外部中斷流程的設(shè)計(jì)。
從上述設(shè)計(jì)的主控電路來(lái)看，本文在對(duì)傳統(tǒng)主控程序進(jìn)行分析后，才給出基于PIC16F877A的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控程序的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)主要模塊的流程圖。不難看出，通過(guò)PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控電路，能夠使得整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要部分實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，這將有利于系統(tǒng)將來(lái)的升級(jí)改造，并降低了整個(gè)程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化。從而使得整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，能夠體現(xiàn)出智能化、數(shù)字化的特點(diǎn)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]孫安青.PIC單片機(jī)實(shí)用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與典型實(shí)例[M].北京.中國(guó)電力出版社，2008：21-31.
關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù);粉塵濃度;電機(jī)運(yùn)行;水害
當(dāng)前，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)已有了顯著提高，生產(chǎn)環(huán)境得到了相應(yīng)的改善和優(yōu)化，煤炭開(kāi)采事故率和死亡率都迅速下降。但是，在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中依然面臨著較為嚴(yán)峻的形勢(shì)，煤礦井下存在的安全隱患并沒(méi)有得到徹底有效的治理，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，則為排查解決這些隱患提供了科學(xué)的技術(shù)支持。通過(guò)采取煤礦井下實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中存在的典型危險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨時(shí)關(guān)注相關(guān)變化，顯著提高煤礦井下安全生產(chǎn)水平。在下文中分析探討的內(nèi)容主要有粉塵濃度、電機(jī)運(yùn)行狀況以及水害等幾個(gè)方面。
一、粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用
煤礦井下粉塵不僅直接影響到生產(chǎn)工人的身體健康，導(dǎo)致工人患上煤肺病，而且當(dāng)?shù)V井中的粉塵濃度與氧氣濃度達(dá)到一定的界限時(shí)，容易出現(xiàn)明火時(shí)，引發(fā)煤礦粉塵爆炸，給礦井生產(chǎn)安全帶來(lái)極大的威脅。因此，對(duì)煤礦井下粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為必要。
在對(duì)煤礦井下粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，主要采用礦用測(cè)塵儀對(duì)礦井中的粉塵濃度進(jìn)行在線檢測(cè)。其中，光電式測(cè)塵儀因?yàn)槠渚容^高、可靠性好而被廣泛的應(yīng)用。其檢測(cè)是基于粉塵對(duì)光線的投射損耗與散射原理而實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)Σ蛔儩舛冗M(jìn)行精確的測(cè)量。但是，在煤礦井下的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境內(nèi)粉塵濃度在不同的生產(chǎn)工藝、工序以及作業(yè)地點(diǎn)的變化有很大的差異，使用傳統(tǒng)的采樣器在現(xiàn)場(chǎng)采樣然后再到地面分析的方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，因此，構(gòu)建一套基于光電式測(cè)塵儀的煤礦粉塵濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為必要（如圖1）。
圖1 粉塵傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)分機(jī)相連，對(duì)井下多個(gè)位置同時(shí)測(cè)量，傳感器獲得的電信號(hào)通過(guò)RS485總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)及時(shí)獲得粉塵濃度信號(hào)的目的。需要注意的是，在構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)該注意到光電式粉塵傳感器中，LED點(diǎn)光源在給檢測(cè)系統(tǒng)提供光源的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生熱量，使得周圍的溫度隨之上升，從而使得光源強(qiáng)度會(huì)隨之衰減，尤其是在長(zhǎng)期使用該系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，所導(dǎo)致的檢測(cè)誤差將會(huì)更加明顯。因此，在設(shè)計(jì)粉塵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)算法的過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚瑥亩鵀闄z測(cè)系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信號(hào)。
二、電機(jī)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用
電機(jī)是煤礦機(jī)電設(shè)備的重要?jiǎng)恿?lái)源，因此，保證電機(jī)正常工作，是確保煤礦生產(chǎn)用設(shè)備處于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、提高煤礦生產(chǎn)效率、保證煤礦生產(chǎn)安的必要條件。
（一）煤礦電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理。在待測(cè)電機(jī)的各個(gè)位置設(shè)置高精度的傳感器，對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩、溫度、速度、電壓以及電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);之后使用傳感器將檢測(cè)信號(hào)輸出，然后通過(guò)信號(hào)采集和放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理后的信號(hào)傳遞給DSP控制系統(tǒng)。通過(guò)DSP對(duì)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線計(jì)算和分析，將電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示出來(lái)，并將主要參數(shù)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的監(jiān)測(cè)和反饋控制。
（二）煤礦電機(jī)運(yùn)行溫度和電流監(jiān)測(cè)。（1）溫度監(jiān)測(cè)。溫度是衡量礦用電機(jī)正常工作與否的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)電機(jī)本體、逆變單元等部分的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是確保電機(jī)安全、可靠工作的重要途徑。以AD590型溫度傳感器為例，該傳感器屬于電流式集成溫度傳感器，在把它用于電機(jī)溫度測(cè)量的過(guò)程中，相當(dāng)于形成一個(gè)恒流源，能夠輸出大小為1μA/K、并與絕對(duì)溫度成正比的電流信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和線性度。將傳感器設(shè)置在礦用電機(jī)的待測(cè)量部位，隨著電機(jī)工作溫度的升高，傳感器的溫度也隨之上升，輸出的電流將隨之增大，系統(tǒng)將獲得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，并通過(guò)后續(xù)的信號(hào)放大、經(jīng)
A/D轉(zhuǎn)換處理之后，將信號(hào)發(fā)送至DSP，從而獲得電機(jī)的實(shí)時(shí)工作溫度。（2） 電流監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)的電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般使用串聯(lián)的分壓電阻作為傳感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式具有監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是容易受到檢測(cè)環(huán)境溫度的影響，較難保證電阻值的恒定不變，導(dǎo)致所采集到的電流值精度不高，而且通常情況下，控制系統(tǒng)的反饋電路沒(méi)有與主電路相互隔離，一旦功率電路中的高壓電流通過(guò)反饋電路進(jìn)入到控制電路后，將直接破壞整個(gè)控制系統(tǒng)的安全程度。因此，現(xiàn)在大多使用高精度霍爾電流傳感器作為電流檢測(cè)裝置，對(duì)礦用電機(jī)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且該傳感器只需要使用
12V的電源供電，系統(tǒng)架設(shè)較為方便。
三、水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用
在生產(chǎn)中，隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，水害的威脅也更大，對(duì)水害的潛在威脅實(shí)施在線監(jiān)測(cè)也是現(xiàn)代化礦井的必備條件。
（一）煤礦井下水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理。在煤礦井下設(shè)置足夠的分布式水文觀測(cè)孔，對(duì)觀測(cè)孔中的水壓、水位進(jìn)行測(cè)量，逐步形成“一線多點(diǎn)”的測(cè)量體系，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)水害監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，許多礦井所采用的水害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的都是高速數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。利用所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)的反映不同地質(zhì)層水位的實(shí)時(shí)水壓、水位等動(dòng)態(tài)信息，并結(jié)合歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及組織管理經(jīng)驗(yàn)，采取對(duì)應(yīng)的治理措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下水害的防范和治理。
（二）煤礦井下水害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成。建立礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)中心站，利用檢測(cè)系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件）處理來(lái)自系統(tǒng)子站傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)，將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在對(duì)應(yīng)的設(shè)備中。煤礦井下子站（水壓、水位測(cè)量孔）主要由水壓/水位數(shù)據(jù)收集裝置、壓力/液位信號(hào)傳送器、數(shù)據(jù)通信模塊和安全保護(hù)罩等構(gòu)成，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總共包含1-258個(gè)子站，通知對(duì)這些子站的實(shí)時(shí)檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)礦井的水害情況的監(jiān)測(cè)。在信號(hào)通信的過(guò)程中，該系統(tǒng)使用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù)，使得所有的檢測(cè)子站都能夠有內(nèi)置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)水文觀測(cè)孔中的水壓、水位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)之后，利用地面的監(jiān)測(cè)中心站完成對(duì)水害情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的任務(wù)。
通過(guò)前面的分析可以看出，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，提高了礦井的安全生產(chǎn)系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，減少了災(zāi)害性事故的發(fā)生率，在井下安全管理中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文中，筆者只選擇了幾個(gè)比較具有代表性的應(yīng)用實(shí)例，如粉塵、電機(jī)、水害等進(jìn)行了粗略的分析，而在實(shí)際的煤礦井下生產(chǎn)中，監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用絕不是僅僅局限于這三個(gè)方面，適合其發(fā)揮作用的工作場(chǎng)所還非常多，具有一定的普遍性，值得同仁繼續(xù)做進(jìn)一步的研究。
參考文獻(xiàn)：
