周 力，吳康雄

（長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

隨著計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用范圍越來廣，而且隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備水平的提高，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和質(zhì)量越來越好，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，某些任務(wù)以往因?qū)崟r(shí)性要求太高而不能采用網(wǎng)絡(luò)化控制，現(xiàn)在也開始廣泛采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

我國目前正進(jìn)行著新一輪的基礎(chǔ)設(shè)施大建設(shè)，各地在建的新公路、橋梁、隧道有很多，工程質(zhì)量與健康檢測的任務(wù)繁重。對于一些如橋梁、隧道等工程的質(zhì)量和健康監(jiān)測，往往要涉及應(yīng)力應(yīng)變的測量，用人工方式檢查效率低，精度及實(shí)時(shí)性難以保證，尤其是對地處偏僻無人地區(qū)的工程來說，長期的人工檢測更是難以完成的任務(wù)。本文針對這一問題，提出了一種基于普通商用Internet網(wǎng)絡(luò)的簡便易用的工程應(yīng)力應(yīng)變遠(yuǎn)程觀測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體工作過程

系統(tǒng)的整體工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

其中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送三部分子系統(tǒng)各自相對獨(dú)立，之間靠保存在服務(wù)器計(jì)算機(jī)特定位置的臨時(shí)數(shù)據(jù)文件交換信息，最終經(jīng)處理的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。這樣做的好處，是可以方便地進(jìn)行程序編寫調(diào)試，便于擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)硬件方面，本方案采用的主要是長沙金碼高科生產(chǎn)的傳感器、檢測儀器和現(xiàn)場檢測模塊組成底層數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)。長沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司是專業(yè)從事工程質(zhì)量與健康監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)的專業(yè)化企業(yè)，生產(chǎn)工藝規(guī)范，工程檢測產(chǎn)品種類齊全，產(chǎn)品已在數(shù)千個(gè)工程中成功應(yīng)用，深得用戶好評。最重要的是，該公司的產(chǎn)品已經(jīng)全面智能化，以現(xiàn)場綜合測試模塊來說，可以自動(dòng)分辨各自通道上所接的傳感器種類、編號及其他各項(xiàng)參數(shù)，因此可以極大地提高系統(tǒng)組建效率，方便系統(tǒng)管理和維護(hù)。

系統(tǒng)軟件方面，本方案采用底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，各部分通過緩存數(shù)據(jù)交換信息的設(shè)計(jì)方案，見后文詳述。

2 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件簡圖如圖2所示。主要儀器部件介紹如下：

圖2 系統(tǒng)硬件簡圖

JMZX-300X綜合測試儀是一種便攜式智能型多功能檢測儀，可配合各種振弦傳感器、電感調(diào)頻類位移傳感器、半導(dǎo)體集成溫度傳感器使用，可直接測量構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、溫度、水位等物理量。

JMM-268索力動(dòng)測儀，是一種便攜式微振動(dòng)信號的單通道或雙通道振動(dòng)檢測分析儀。其工作原理是：對于兩端嵌固且自由振動(dòng)的弦（索），由于其張力與其自振頻率（基頻）的平方成正比。索力動(dòng)測儀的功能為采集弦（索）的多諧振動(dòng)曲線，然后通過頻譜分析（FFT）求取纜索張力。該儀器可應(yīng)用于纜索、鋼絲、吊桿、系桿的拉力測量，也可應(yīng)用于機(jī)械、建筑、交通、鐵路、冶金和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)微振動(dòng)信號的采集分析。JMZX-300X和JMM-268均可自動(dòng)識(shí)別智能傳感器型號、編號，直接給出傳感器量測的物理量。對于無法識(shí)別具體型號的其他廠商生產(chǎn)（國產(chǎn)、進(jìn)口）的鋼弦傳感器，也可以測得頻率，通過手動(dòng)設(shè)置傳感器參數(shù)同樣可以得到測量值，因此兼容性很強(qiáng)。

JMZX-32A綜合采集模塊有32個(gè)輸入口，可以同時(shí)獲取32個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)，能自動(dòng)識(shí)別傳感器型號，模塊內(nèi)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量和數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存?？梢院蜕衔粰C(jī)通訊，若上位機(jī)程序編寫得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對模塊測量功能的完全控制。通訊使用的是USB接口，若有需要，也可以通過加裝無線通訊模塊，使用普通手機(jī)SIM卡即可通過中國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通訊。

這套系統(tǒng)硬件方案有著工作穩(wěn)定、組建效率高、擴(kuò)展性好、功能靈活、兼容性好的特點(diǎn)。其中，JMZX-32A功能是完成測量系統(tǒng)底層自動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而JMM-268便攜式索力測試儀和JMZX-300X綜合測試儀可供現(xiàn)場人員手動(dòng)檢測用，同樣可以一次性檢查多個(gè)傳感器，之后通過RS232口或USB口，將保存在測試儀中的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)服務(wù)器端計(jì)算機(jī)，交由上位機(jī)軟件進(jìn)行分析處理和分類保存。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

考慮到每個(gè)傳感器的測量頻率不高（至多數(shù)次/min），而工程中使用的傳感器種類和品牌眾多。為了保證系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性，盡量減少編程困難，這里將系統(tǒng)軟件分為3個(gè)部分：

首先是負(fù)責(zé)操縱測量儀器或模塊讀取傳感器測量數(shù)據(jù)的底層應(yīng)用程序，此部分程序能讀取測量數(shù)據(jù)，并以規(guī)定的格式存儲(chǔ)到特定的文件中；

然后是數(shù)據(jù)后處理程序，此程序能分辨哪些測量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中已有的數(shù)據(jù)，哪些是新的數(shù)據(jù)，然后將新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的位置，有需要時(shí)也可提供數(shù)據(jù)修正功能；

最后是服務(wù)器端程序，該程序從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)將其顯示在網(wǎng)頁的表格當(dāng)中，讓用戶瀏覽和下載測量數(shù)據(jù)。

3.2 底層程序

金碼公司生產(chǎn)的測試模塊和測試儀器與上位機(jī)通訊的具體方式，雖然隨儀器的不同而有所不同，但總的來說通訊過程分為兩個(gè)步驟：

上位機(jī)向與儀器連接的接口（如USB接口）寫入代表命令內(nèi)容的特定字符，然后接收儀器通過接口傳來的連續(xù)字符數(shù)據(jù)。

具體命令格式可以參閱金碼公司的產(chǎn)品說明。以JMZX綜合采集模塊的測量全部傳感器數(shù)據(jù)的命令為例，其具體格式為：

命令：#mAy！

返回值格式：$x1y1x2y2x3y3x4y4x5y5……！

其中，#和$為命令和返回值的引導(dǎo)碼，！為結(jié)束碼，x1、x2、x3、x4、x5分別為傳感器所在通道號、傳感器型號、絕對應(yīng)變值、相對應(yīng)變值、溫度值，這些返回值均為字符的ASCⅡ碼形式，如日期返回值T200907301346的實(shí)際接收的數(shù)據(jù)為84504848574855514849515254。據(jù)此可編寫出實(shí)現(xiàn)具體測量功能的底層程序。例如，實(shí)現(xiàn)以一定的時(shí)間間隔控制測量模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量功能的程序框圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)測量底層程序框圖

3.3 數(shù)據(jù)后處理程序

經(jīng)過底層程序數(shù)據(jù)采集之后，數(shù)據(jù)已經(jīng)按照一定格式順序保存在特定的文本文件中。具體格式可以視情況而定，但各項(xiàng)數(shù)值之間應(yīng)用特定符號隔開，例如：

序號，編號，參數(shù)1，參名，參數(shù)2，參名，溫度，時(shí)間

1，385000，249.9 με，應(yīng)變，1900kN，壓力，27.4，2008-07-0107：01，

2，385000，249.9 με，應(yīng)變，1900kN，壓力，27.4，2008-07-0107：02，

這樣后處理程序可以方便地提取數(shù)據(jù)，將每條數(shù)據(jù)中的測量時(shí)間分離出來，與數(shù)據(jù)庫中的記錄比較，找出數(shù)據(jù)庫中沒有的新的數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)還應(yīng)該生成一個(gè)與數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容完全相同的文件，用于給用戶下載歷史數(shù)據(jù)。還有，程序應(yīng)當(dāng)有讓用戶選擇是否開啟自動(dòng)更新數(shù)據(jù)功能等的設(shè)置項(xiàng)，這些設(shè)置參數(shù)同樣需要保存。于是，后處理程序的主程序流程框圖如圖4。

圖4 后處理程序主程序流程圖

后處理程序可以使用任何一種高級語言編寫?？梢栽诖嘶A(chǔ)上根據(jù)工程應(yīng)用的需要添加程序以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，如設(shè)置安全應(yīng)變極限，報(bào)警功能等。圖5為使用VB編寫的后處理程序運(yùn)行效果圖。

3.4 服務(wù)器端程序

圖5 后處理程序運(yùn)行效果圖

這一部分程序的主要任務(wù)，是從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并顯示在網(wǎng)站特定網(wǎng)頁的給定位置上。這部分內(nèi)容使用微軟的服務(wù)器端腳本開發(fā)環(huán)境ASP（ActiveServerPages）可以輕易實(shí)現(xiàn)。只要按照實(shí)際需要構(gòu)建網(wǎng)站，然后在要顯示數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁上添加ASP腳本程序讀取數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并顯示在相應(yīng)位置即可。同樣，可以根據(jù)用戶的需要添加程序，實(shí)現(xiàn)其他功能，如顯示數(shù)據(jù)變化趨勢圖等。

4 應(yīng)用實(shí)例

本例為此遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在懸索橋索力測量方面的應(yīng)用?？蓪⒃O(shè)置在橋索上的振弦式傳感器的測量結(jié)果，由JMZX-32A綜合采集模塊收集之后，按順序編號并保存到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的表單中，即可讓用戶通過瀏覽特定網(wǎng)頁，來直觀地查看所選橋索的索力測量結(jié)果。若需要人工現(xiàn)場檢測，則可以使用JMM-268便攜式索力測試儀一次性按編號順序測量，并在測試儀中保存所有的索力，然后將全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入到服務(wù)端計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)軟件自會(huì)將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)按索號分類保存，以供遠(yuǎn)程用戶查看。系統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問結(jié)果如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程訪問結(jié)果圖

5 結(jié)束語

綜上所示，此工程質(zhì)量與健康的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案，具有投入低、系統(tǒng)組建方便、易于功能擴(kuò)展和易于使用的特點(diǎn)。即使那些技術(shù)力量不強(qiáng)的中小施工單位，也可輕易組建和使用。

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