专利名称：：土木工程结构健康状态远程监测系统的制作方法
技术领域：
：土木工程结构健康状态远程监测系统一、
技术领域：
本实用新型涉及一种结构监测系统，尤其是涉及一种土木工程结构健康状态远程监测系统。二、
背景技术：
在道路、桥梁、隧道等大型土木工程中，远程和超远程监测工程健康状态一直是业界梦寐以求的有效手段。特别是随着国民经济的飞速发展、西部的建设与开发，出现了很多前所未有的长、大、高、深、特、危工程，这些工程建设中一个重要的组成部分就是工程结构力学状态的监测，比如，压力、应变、距离、温度、湿度、烟度等。由于这些工程所处的地理位置和环境不好，比如，海拔高、空气稀薄、含氧量低、温度低等，给数据监测带来了很大困难。而且即使工程竣工，监测工作还要持续两、三年。比如，雀儿山隧道，海拔4千多米，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。针对上述情况，若不能实现几公里的远程和几十公里或几百公里S至上千公里的超远程监测，其监测工作的困难程度简直难以想象。另外，像特高桥墩、特深基坑、隧道支护结构、滑坡报警等现场量测也急需这样的量測技术，因此相关技术的研究和系统的开发具有较好应用需求和市场前景。三、
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种土木工程结构健康状态远程监测系统，其能及时掌握土木工程的健康状况，保护量测技术人员的安全，极大地降低劳动强度和监测费用，縮短工作时间，提高效率，并可实现多点同步监测。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为一种土木工程结构健康状态远程监测系统，其特征在于包括上位机和下位机，上位机与下位机通过通信系统连接，下位机由测量模块构成，测量模块分别与通信系统和分线器连接，分线器与传感器连接。上位机由一台通用PC计算机(台式或笔记本均可)构成。要求使用windows2000及以上操作系统，256M及以上内存，600MHz及以上主频。下位机(测量模块)包括单片机，单片机上分别连有脉冲形成电路、滤波放大电路、键盘、存储器、时钟电路、通信电路、显示屏和温度传感器，单片机、脉冲形成电路和滤波放大电路均与分线器连接。与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下1.及时掌握土木工程的健康状况。在目前很多长、大、高、深、特、危工程，由于工程环境恶劣，量测条件差，许多场合量测技术人员无法到达，.使得许多量溯无法进行，也有许多场地由于到达困难，使得量测次数减少，从而不能及时了解到土木工程的健康状况，有了远程量测技术以后，该问题可应刃而解。2.保护量测技术人员的安全。在目前土木工程的监测过程中，都是监测人员拿着测量设备亲自到现场测量。由于施工环境的复杂性以及量测人员的其它素质(如攀登，个人防护等)的限制，时常发生量测人员的人身伤害，有了远程监测技术以后，量测人员通过远程控制就可测量，从而使得这个问题得到极大的改善。3.降低劳动强度和监测费用。在土木工程中，监测点通常比较多且比较分散，这就会使监测人员在多个施工现场间来回奔波采集数据，不但劳动强度高而且还产生大量的差旅费用。有了远程量测技术后，就可使原来需要量测人员到达不同现场的量测工作可在一个地点进行，从而极大地降低了劳动强度，节约了成本和时间，提高了工作效率。4.实现了多点同步监测。在土木工程中，有些参数需要在若干个地点(现场)同时测量。目前是由若干测量技术人员分头在不同地点按约定时间测量，但因每个测量人员的技术水平不太一致，约定的时间不会完全一致，因此测量出来的数据同步性就难以保证。有了远程量测技术以后，可由量测人员同时向不同的测量点发送测量指令，从而实现了多点数据的同步测量。(注虽然短信通信方式会有一点时间差，但完全可以满足工程需要，而GPRS则可保证更精确的同步。)图l为本实用新型的系统框图2为分线器的组成框图；图3为分线器的电路原理图；图4为译码电路电路总体框架图；图5为使用的CPLD示意图6为CPLD电路连接示意图；图7为CPLD芯片的程序流程图；图8为控制器组成框图9为液晶显示器LCM141的外形图IO为本实用新型采用的各种通信方式示意图11为上位机软件的工作流程图12为系统的工作流程图13为系统发送数据的程序流程图14为系统接收数据的程序流程图。图中，1-上位机，2-手机，3-通信模块，4-有线或无线信道，5-通信系统，6-下位机，7-测量模块，8-分线器，9-传感器，10-键盘，11-存储器，12-时钟电路，13-脉冲形成电路，14-滤波放大电路，15-单片机，16-通信电路，17-显示屏，18-温度传感器。五具体实施方式参见图l,系统主要由前端采集模块(下位机6)、通信系统5、后台管理控制模块(上位机1)三部分构成。上位机1由一台通用PC计算机(台式或笔记本均可)构成。上位机1与下位机6通过通信系统5连接。下位机6包括测量模块7，测量模块7分别与通信系统5和分线器8连接，分线器8与传感器9连接。下位机6负责采集钢弦式传感器的实时测量数据；通信系统5负责以多种通信方式为上、下位机提供信息数据传输通道；上位机1负责数据的处理、存储和对前端采集模块的控制。系统可分为主动式和被动式两种工作模式。主动式工作流程1、通过下位机键盘为下位机设置定时监测方案。方案包括一天的监测次数和监测时刻；一周的监测次数和监测时刻；一月的监测次数和监测时刻。2、启动下位机和上位机。3、下位机自动按预置方案对传感器进行数据采集，并将数据通过通信系统主动发送给上位机。4、一次监测任务完成。5、返回第3步。被动式工作流程1、下位机处于等待状态。2、上位机通过通信系统向下位机发送测量命令。3、下位机收到测量命令后对传感器进行数据采集，然后将数据通过通信系统回传给上位机。4、一次监测任务完成。5、返回第1步。系统的功能与特点1.测量面广。系统可以实现8个位于不同现场的测量点(可扩充)共8*64=512个钢弦式传感器测量数据的远程采集、存储与处理。2.多种测量。系统可采集各测量点的现场温度。3.自动测量。每个测量点传感器(最多为64个)采用自动轮巡方式接入测量，无需人工干预。4.数据通信方式灵活。系统可以采用(1)无线——无线方式；(2)有线——有线方式；(3)GSM——GSM方式；(4)GSM——GSM+无线方式；(5)GSM——GSM+有线方式；(6)无线一一无线+有线方式。其中无线方式指采用专用无线数传模块进行通信的方式，通信距离在2000m之内；有线方式指采用485总线或电力载波进行的通信方式，通信距离在1000m之内；GSM指采用移动公网进行的超远距离通信方式，通信距离在公网覆盖范围之内。除了上、下位机之间可以采用上述方式通信外，系统还允许用户直接用手机进行数据采集。4.数据处理功能完善。采集到的数据可以以文本或数据库形式长期保存；可以自动将测量数据转换为物理量形式；可以以报表、曲线等形式输出处理结果；可以按时间、项目名称等条件进行数据查询。参见图2，分线器是下位机的重要组件。它由测量模块控制，依次完成最多64个传感器的接入测量任务。分线器主要由地址译码电路、驱动电路、继电器和传感器插座构成(见图2)。主要功能是1、接收测量模块(控制器)的地址指令，通过译码电路控制继电器的通断，自动分时将所接的各个传感器依次通过继电器与测量模块相连，为控制信号和数据信号提供通道。2、将溯量模块的激励脉冲信号传给传感器，同时将传感器的响应信号回传给测量模块。3、最多可切换连接64个传感器。分线器原理图见图3。译码器由CPLD芯片IC1担任，完成将测量模块输出的6位传感器地址译出为64路控制信号Dl-D64;译出的控制信号Di通过三极管Ui放大，驱动继电器Ki连通传感器插座Ji，将第i个传感器接入测量通道。插座JO与测量模块的监测电缆相连。7脚是激励信号和传感器响应信号线，先将测量模块的激励信号传给传感器，再将传感器的响应信号回传给测量模块。l-6脚是地址线，将测量模块输出的位选信号送给译码器IC1。IC1根据输入的位选信号选中译码器64个输出口中的一个。译码器中64个输出引脚中的任何一个输出低电平，都会将晶体管U1—U64中的一个打开，进而接通相应的继电器，将连接在插座J1一J64上相应的一个传感器与J0的7脚接通，完成分线任务。参见图4，用CPLD(EPM7128STC100-6)芯片实现6-64译码器的原理如下CPU)(ComplexProgrammableLogicDevice)是ComplexPLX)的简称，CPU)是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD采用熔丝结构，基本组成单元是可编程的逻辑宏单元，即一组与、或、异或门、多路选择器、寄存器和反馈通路，它们与可编程布线结合，使得模块之间可以互连。宏单元通过"熔丝"实现可编程，从而完成用户设定的逻辑功能。因为CPLD的硬件结构设计可由软件完成(相当于房子盖好后人工设计局部室内结构)，所以它的设计比纯硬件的数字电路具有更强的灵活性，几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可采用CPLD器件。CPLD基本设计方法是借助集成开发软件平台，用硬件描述语言，生成相应的目标文件，通过下载电缆("在系统"编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。由于没有6-64译码器成品，为实现6-64译码功能，可以采用组合数字电路搭建，但需要多片组合电路芯片，电路较复杂，功耗较高。而采用CPLD芯片可以克服上述缺点。本系统采用Altera公司MAX7000S系列的CPLD芯片EPM7128STC100-6，该芯片有100根引脚和128个宏单元。译码电路电路总体框架如图4所示，该译码器有6个输入脚和64个输出脚，实现的功能是将输入端6位二进制码的64种组合转换成输出端相对应的一个引脚的有效控制信号，由此实现译码功能。电路具体功能见以下真值表:<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>*Ai表示第i根地址线，如A1表示第一根地址线；*Di表示第i根数据线，如D2表示第二根数据线*Ji表示第i个继电器，如J3表示连接第三个继电器；*数据线和继电器的编号一一对应，第i根数据线连接到第i个继电器；*A1A6为地址线，分别连接到CPLD的第1、2、5、6、7、8引脚，这六个引脚为输入引脚。CPLD上与64个继电器相连的64个引脚为输出引脚。CPLD芯片的开发，需要采用特殊的HDL语言。采用HDL语言(硬件描述语言)的好处是其与芯片制作工艺无关。人们不用关心CPLD的电路结构，不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需要利用系统设计时对芯片的要求，在逻辑功能上将该电路描述出来，即可设计出实际电路。VerilogHDL的语法支持这种逻辑行为的描述，即进行行为级建模。本译码器程序用VerilogHDL语言编写，模块main的作用就是6-64译码器。其中6位的in6是输入端，64位的out64是输出端，always块的触发条件为in6，即输入端的码值一旦变化，always块重新运行一次，在输出端重新选通。程序采用典型的case结构实现了对6-64译码器的行为级建模。case语句是多分支选择语句，它能直接处理多分支选择，case括号中的信号为判断条件，case结构中的64个分支分别选中唯一的一个继电器。因为六位二进制信号能产生64种不同的码组，正好对应64个分支，所以每个码组都唯一对应一个分支，即选中唯---的继电器。本程序在对输出端口赋值时设定为低电平有效，即低电平对继电器进行选通。继电器编号对应的二进制码即为其地址码，如第23个继电器的地址码为010111。程序流程图如图7所示，本程序通过QuartusII6.0集成开发软件平台进行综合仿真，将输入输出端和CPLD的引脚进行绑定，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中("在系统"编程)，实现6-64译码功能。参见图8，测量模块7(控制器)主要由单片机15、存储器11、脉冲形成电路13、滤波放大电路14、通信电路16、显示屏17、键盘IO、时钟电路12等组成。测量模块7包括单片机15，单片机15上分别连有脉冲形成电路13、滤波放大电路14、键盘IO、存储器ll、时钟电路12、通信电路16、显示屏17和温度传感器18，单片机15、脉冲形成电路13和滤波放大电路14均与分线器8连接。其中，单片机15是核心。完成各种控制任务。存储器11可以存储监测方案、监测数据、手机号码、主控机号码。脉冲形成电路13用来产生传感器激励信号。滤波放大电路14将传感器的响应信号进行调理，然后送单片机15。脉冲形成电路13和滤波放大电路14均采用现有电路。通信电路16负责单片机15和通信设备之间的信号转换。显示屏显示日期、时间、监测结果、键盘、监测方案等。键盘负责输入相关指令。时钟电路负责提供日期、时间。主要功能如下1、可以接收上位机的各种指令包括监测指令、回传数据指令、校准时间指令、修改监测方案指令。可以接收手机的监测指令、回传数据指令。2、可以接收键盘指令包括校准时间指令、预置监测方案指令、修改监测方案指令、监测数据查询指令。3、可显示年、月、日、时、分、秒。可显示存储器中的监测方案和传感器数据。4、可按预置方案定时监测传感器数据，也可按上位机指令随时监测传感器数据。5、可按预置方案定时回传传感器数据，也可按上位机指令随时回传传感器数据。6、可完成最多64个传感器的监测。相关器件单片机P89C51RD2P89C51RD2具有64K并行可编程的非易失性FLASH程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程ISP和在应用中编程(IAP)。该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个Flash位进行编程，从而选择6时钟或12时钟模式。此外，也可通过时钟控制寄存器CKCON中的X2位选择6时钟或12时钟模式。该系列微控制器是80C51微控制器的派生器件，是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器，指令系统与80C51完全相同。该器件有4组8位I/0口、3个16位定时/计数器、多中断源一4中断优先级一嵌套的中断结构、1个增强型UART、片内振荡器及时序电路。时钟芯片PCF8563PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。它的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能可完成各种复杂的定时服务，甚至能为单片机提供看门狗功能。其内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压监测电路(i.ov)以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路简洁，而且也增加了芯片的可靠性。因而，PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品之中。液晶显示器LCM141LCM141是一种压力、流量和温度测量仪表的专用液晶显示模块。之所以称之为专用，是因为它的三个提示字符是"P"、"Q"和"T"。如果在使用中将这三个字符赋予其它含义，则该模块就成为一种通用型模块。LCM141的外形见图9。从图9可见，LCM141可分为4个显示区，即字母、第一行数字、第二行数字和提示符显示区。按照图中编号，本设计的时钟用第l、2位显示年，3、4位显示月，5、6位显示日，14、13位显示时，12、ll位显示分，10、9位显示秒，第7位显示星期。每两位之间加点以示区分。基于LCM141的特点，本设计采用其作为显示器。当然，它不是显示器的唯一选择。段位式数码管、点阵式液晶屏等都可以作为显示器，只是在编程实现时，要使用其对应的驱动程序及显示程序而已。LCM141的显示步骤如下1.上电后延时200ms以上；2.写入专用初始化命令0x29;3.写入外晶振工作命令0xl4;4.写入开振荡器命令0x01;5.写入开显示器命令0x03。以上5步是初始化的内容，第6步就是写入欲显示数码或字符的段位编码，即显示数据。DS18B20温度传感器DS18B20数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。由于每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连接在一根单总线上，这样可以把温度传感器放在许多不同的地方，这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或者机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。本系统中，每个测量模块可接两个B20温度传感器，用于监测现场温度。通信系统原理系统主要由无线数传模块、485总线通信系统、电力载波通信系统和GSM通信系统搭建而成。根据不同应用场合，分别有如图10所示的6种系统。由于上述各通信系统均有不同品牌的成品出售，所以原理不再赘述。上位机的功能与流程上位机是一台PC计算机，装有控制程序和数据库。控制程序采用VC+十或VB开发，数据库采用ACCESS。1.主要功能(1)实现-8个测试点名称的录入及名称的修改(可扩展)。(2)可以输入和修改各测试点对应的传感器数目，传感器数目在1到64之间。(3)向前端控制器(采集模块)发送监测指令、回传数据指令、校准时间指令、修改监测方案指令。(4)可以在8个测试点中，任意选择1或多个测试站点进入测量，并将前端控制器回传的传感器数据存入数据库。(5)上位机可以实现各个站点的历史测量数据分析、査询，打印，可以按测量日期查询和显示，査询同时可以仍旧可以接收某一个测试站点数据。(6)实时测量数据包括温度和频率值，可以采用有线方式、无线方式或GSM公网完成上位机和监测模块的数据通信。(7)GSM通信可采用GPRS和短信息两种方式。比如短信息通信采用PDU方式，串口传输，波特率9600，传输数据按照二进制传输，传送过程采集的每个传感器数据占2个字节，温度值占l个字节。(8)传输协议自己设定。2.上位机软件工作流程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査询模块(见图ll，以短信通信为例)。系统运行后，首先由用户手动设置串口，之后如串口初始化成功则自动监测并初始化手机模块，系统进入自动运行状态；如果失败将给出错误信息。也可通过界面按钮或菜单手动设置手机模块，并对其进行初始化；如出现故捧系统会给出相应提示，帮助用户找到问题所在及时解决。当缓存中接收到数据时，系统根据判断的是接收信息、发送信息还是质量测试信息，及时进行相应的数据处理，以提高测量数据的准确性。工作流程图见图12，工作流程为1.开始；2.测量站点设置；3.串口设置及初始化；4.成功则进入下一步；未成功则返回上一步；5.手机模块初始化，成功则进入下一步，否则提示初始化失败，并重新初始化；6.手机模块信号质量测试，若无信号，则对信号进行再次测试；若有信号，则启动定时信号测试，并等待接收数据；7.若监测到串口有数据到来，则读取串口缓存并保存接收到数据，进入下一步；否则继续等待接收数据；,8.判断接收的命令类型，是否是信号质量测试，是则处理信号质量数据并刷新信号质量状态显示；否则判断是否是接收GSM(短信/GPRS)命令，是则处理短信或GPRS数据，并刷新接收状态，同时显示处理后的接收数据；否则，判断是否是发送短信或GPRS命令，是则刷新发送状态并发送命令数据。程序运行主界面分为四部分左上角窗口为接收短信的全部内容、左下角为向各采集点发送命令窗口、右上角为操作窗口(对系统进行设置)、右下角为状态栏(显示每一步操作的内容及结果)。右边由细变粗的渐进条是手机模块的信号质量显示，每30秒系统测量一次信号质量。短信发送和接收模块本系统可采用GSM公网完成上位机和采集模块的数据通信。利用GSM系统的GPRS和短消息业务方便地实现对于遥测设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。GSM短消息的控制共有三种模式:BlockMode,基于AT命令的PDUMode,基于AT命令的TextMode,本设计中短信息的收发均采用了PDU模式。本系统中上位机要发送和接收的命令包括监测指令、回传数据指令、校准时间指令、修改监测方案指令、手机的号码修改指令、回传数据指令。系统发送和接收数据的流程分别如下图13和图14所示，上位机发送和接收数据的流程分别为上位机发送数据流程1.开始；2.选择发送命令；3.读取测量站点ID和传感器数目；4.判断测量站点个数是否多于1，是则读取本站点的号码，否则读取群发站点的号码；5.向手机模块写发送命令AT+CMGS二手机号码；6.等待手机模块返回"〉"符号(其ASCII码值为0X3E)，如果超时未返回，则写发送命令失败；否则进入下一步；7.发送短信内容和确认指令；8.等待手机模块返回确认信息，是返回"OK"还是"ERROR",如是"OK"则刷新状态栏，提示发送短信成功，进入下一步；如是"ERROR"则刷新状态栏，提示短信发送失败，并自动重新发送此短信，回到步骤5;9.若是群发，则判断是不是最后一条，若否，继续发送下一条短信，回到步骤5;若不是群发，则本次数据命令发送结束。10.发送完毕，刷新状态栏提示信息，结束。上位机接收数据流程1.开始；2.串口初始化；3.缓存是否有数据，有则进入下一步；4.读取缓存数据并保存；5.短信接收完毕之后置接收标志并刷新状态栏，同时分析和处理接收到的数据；6.发送握手信号，即发送收到确认命令；7.清除接收标志及相关缓冲，允许接收下一条短信；8.查找本站点上次测量的数据记录；9.上次数据记录是否完整，是则插入并保存新数据记录，否则先删除残缺数据记录，再插入并保存新数据记录；10.更新数据显示及状态显示栏下位机控制程序用C和汇编语言编制，工作流程为主动式1)接收键盘的设置命令；2)保存设置方案；3)开始运行；4)判断采集数据时间是否到，若到，执行下一步，否则继续判断时间；5)向分线器输出一个传感器地址；6)采集该传感器数据并保存，返回第5步，直至采集完全部传感器数据;7)将采集到的全部传感器数据通过串口发送出去；8)返回第4步。被动式1)等待串口中断；2)有中断，接收上位机测量命令；3)向分线器输出一个传感器地址；4)采集该传感器数据并保存。返回第3步，直至采集完全部传感器数据;5)将采集到的全部传感器数据通过串口发送出去；6)返回第1步。权利要求1、一种土木工程结构健康状态远程监测系统，其特征在于包括上位机(1)和下位机(6)，上位机(1)与下位机(6)通过通信系统(5)连接，下位机(6)包括测量模块(7)，测量模块(7)分别与通信系统(5)和分线器(8)连接，分线器(8)与传感器(9)连接。2、根据权利要求1所述的土木工程结构健康状态远程监测系统，其特征在于测量模块(7)包括单片机(15)，单片机(15)上分别连有脉冲形成电路(13)、滤波放大电路(14)、键盘(10)、存储器(11)、时钟电路(12)、通信电路(16)、显示屏(17)和温度传感器(18)，单片机(15)、脉冲形成电路(13)和滤波放大电路(14)均与分线器(8)连接。专利摘要本实用新型涉及一种土木工程结构健康状态远程监测系统，其能及时掌握土木工程的健康状况，保护量测技术人员的安全，降低劳动强度和监测费用，缩短工作时间，提高效率，实现多点同步监测。本实用新型包括上位机和下位机，上位机与下位机通过通信系统连接，下位机包括测量模块，测量模块分别与通信系统和分线器连接，分线器与传感器连接。测量模块包括单片机，单片机上分别连有脉冲形成电路、滤波放大电路、键盘、存储器、时钟电路、通信电路、显示屏和温度传感器，单片机、脉冲形成电路和滤波放大电路均与分线器连接。文档编号G01M99/00GK201344861SQ20082022831公开日2009年11月11日申请日期2008年12月22日优先权日2008年12月22日发明者张卫钢,张守姣,张维峰,钢李,李陆彪,程春桃,陈建勋申请人:长安大学