朱進(jìn)烽，徐思琛，徐剛

（南京葛南實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京210009）

0 引言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，它們分別完成對被測量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現(xiàn)，尤其是計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的滲入，人們把微處理器和傳感器相結(jié)合，開發(fā)出具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌爸悄軅鞲衅鳌盵1]。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感器技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

智能識別技術(shù)在日常生活中已隨處可見，如身份證、銀行卡、商品識別碼、火車票公交卡、水電費(fèi)自報(bào)收取等都大量使用了身份識別技術(shù)。在高速公路收費(fèi)站，汽車過站收費(fèi)采用人工操作方式：過往車輛停車?yán)U費(fèi)，收費(fèi)員需要判斷過往車輛的車型及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，并讀卡和收費(fèi)找零。這導(dǎo)致過站時(shí)間長，交通高峰期堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，時(shí)常因不能識別車輛是否或如何收費(fèi)而扯皮[2]。隨著智能識別技術(shù)應(yīng)用在車輛計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中（車載電子標(biāo)簽ETC），可以在不停車的情況下在高速公路收費(fèi)站快速通過自動計(jì)費(fèi)。

當(dāng)裝有無線智能識別模塊的車輛接近收費(fèi)站時(shí)，無線智能識別模塊將本車輛的繳費(fèi)賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號碼、進(jìn)路站點(diǎn)等識別信息發(fā)送給收費(fèi)站智能收費(fèi)系統(tǒng)，收費(fèi)站的攝像機(jī)先對車輛的車牌號進(jìn)行視頻信息采集識別，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對比，兩者一致進(jìn)入收費(fèi)程序。記錄車輛進(jìn)路站名、進(jìn)站時(shí)間、出站名、出站時(shí)間等信息，并準(zhǔn)確收取相應(yīng)費(fèi)用，同時(shí)將收費(fèi)情況通過無線智能識別系統(tǒng)返回給車輛。當(dāng)收費(fèi)站與車輛的識別系統(tǒng)不一致時(shí)，將進(jìn)入報(bào)警程序，下閘、向下個(gè)收費(fèi)站發(fā)出預(yù)警等方式。智能識別技術(shù)應(yīng)用在車輛計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中可有效緩解高速公路收費(fèi)堵車問題，實(shí)現(xiàn)無人值守、不停車自動繳費(fèi)。

1 大壩監(jiān)測傳感器現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測技術(shù)融入了電子、機(jī)械、光學(xué)、信息等多行業(yè)，是多學(xué)科融合的專業(yè)。由于水電站大壩的重要性和應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)酷及不可回收，其對安全監(jiān)測傳感器的要求比其他行業(yè)更高，傳感器必須零部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由于所限條件，大壩監(jiān)測傳感器多數(shù)還停留在比較原始的狀態(tài)，僅有將物理量轉(zhuǎn)換為電量的功能。

大量的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)埋入大壩中的傳感器有3個(gè)致命的弱點(diǎn)：①現(xiàn)有的傳感器都是通過電纜傳輸信號，在工地現(xiàn)場區(qū)分傳感器之間的對應(yīng)關(guān)系是依靠電纜尾部的標(biāo)簽，在建壩施工過程中，施工斷面的變化、大型機(jī)械作業(yè)、人為的損壞都造成大量電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂后將很難判別電纜線與之相連的是哪一支傳感器，傳感器標(biāo)簽也很容易磨損或丟失，這樣就導(dǎo)致傳感器因參數(shù)不可知（身份不明）而成為廢品；②現(xiàn)在工地現(xiàn)場測量沿用的是傳統(tǒng)筆寫紙記的方式，而測量儀表中也有自帶的存儲功能，可存儲數(shù)據(jù)都是按時(shí)間排序的，多支傳感器的測量數(shù)據(jù)又非常近似，即便人工判別也非常困難，所以目前測量儀表的存貯和通訊功能只能是個(gè)擺設(shè)；③大型水電站的建設(shè)施工期都比較長，儀器安裝的數(shù)量多、品種多、部位復(fù)雜。儀器的生產(chǎn)廠家、安裝人員、安裝時(shí)間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號、儀器系數(shù)以及儀器基準(zhǔn)值等原始資料，可能會因?yàn)闀r(shí)間的推移、安裝記錄人員的流動很難追溯，給日后數(shù)據(jù)整理、解析大壩運(yùn)行狀態(tài)帶來不便。

2 具有智能識別功能的大壩監(jiān)測傳感器

大壩監(jiān)測傳感器智能識別技術(shù)就是將傳感器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)寫進(jìn)智能識別芯片，相當(dāng)于每個(gè)傳感器都攜帶有電子身份證。附有智能識別功能的讀取系統(tǒng)在測量時(shí)，首先讀取智能識別芯片內(nèi)的信息，當(dāng)需要存貯測量數(shù)據(jù)時(shí)，測量數(shù)據(jù)自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后。這樣測量數(shù)據(jù)不管存貯在讀數(shù)儀中或傳輸給計(jì)算機(jī)，永遠(yuǎn)不會混亂，測量時(shí)也不需要再另記錄電纜上的傳感器編號，只要將測量數(shù)據(jù)存入讀數(shù)儀就一定與本支傳感器對應(yīng)。如遇多支傳感器電纜被剪斷，只要將每支傳感器測量一遍，就能自動識別出每支傳感器所對應(yīng)編號。

3 智能識別大壩監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)

智能識別傳感器由4部分組成：傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件、智能識別電路、信號傳輸部件。傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件及信號傳輸部件在長期的生產(chǎn)使用過程中已經(jīng)非常成熟，智能識別傳感器就是在原有傳感器中加裝智能識別電路。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已有的智能識別傳感器在信號讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉(zhuǎn)換為電量的信號，電纜需要6（振弦式）芯或7（差阻式）芯電纜線才能滿足其信號的讀?。煌ㄓ玫淖R別電路復(fù)雜，線路板大，無法植入現(xiàn)有傳感器狹小的空間，還存在信號電纜傳輸距離近等問題，智能識別技術(shù)要用在大壩監(jiān)測傳感器上必須解決以上問題。

3.1 線纜芯數(shù)不變

智能識別傳感器必須保持原有的測量線纜芯數(shù)不變，因?yàn)樵S多工程在土建施工中都大量預(yù)埋了電纜，如果電纜芯數(shù)不對應(yīng)，將需要重新敷設(shè)電纜，增加成本。新研制的智能識別電路并接在傳感器的溫度電阻上，所以讀取時(shí)與溫度測量共用兩芯線，解決了智能識別芯片讀取需要多加電纜芯數(shù)的問題。

3.2 識別電路可靠性

大壩監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)必須遵循在滿足其使用性能的條件下元器件和機(jī)械零件越少越可靠的原則，最新研制的傳感器智能識別電路專為植入小巧傳感器而設(shè)計(jì)，面積約為0.4 cm2，大量減少了外部元件的數(shù)量，提高了識別電路的可靠性。智能識別電路見圖1。

3.3 數(shù)據(jù)存儲時(shí)間長

智能識別電路采用進(jìn)口芯片綁定，讀寫次數(shù)≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，植入數(shù)據(jù)可保存時(shí)間≥10年，可在惡劣的環(huán)境中使用，數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定不丟失，滿足大壩長期監(jiān)測的使用要求。

圖1 智能識別讀寫示意圖Fig.1 Circuit diagram of read/write in intelligent identification

3.4 連續(xù)識別

智能識別芯片喚醒時(shí)間≤3 ms，寫讀間隔≤8 ms，可進(jìn)行單次識別、連續(xù)識別，解決了自動或手動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取時(shí)快速切換的問題。

3.5 讀取電纜距離長

特設(shè)寄存器控制前端儀器參數(shù)，使每一次應(yīng)用的讀取距離最大化。由于有專設(shè)的讀取程序（下行鏈路，從讀取器到智能識別芯片），讀取距離達(dá)到800 m以上，基本滿足大型水電工程傳感器長電纜傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.6 可重復(fù)擦除和寫入

用戶可以將自己重新檢驗(yàn)的傳感器標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)以及設(shè)計(jì)編號等寫入智能識別芯片，有效解決了一次寫入無法修改的問題，方便用戶隨時(shí)更新儀器參數(shù)，提高了智能識別功能的使用交互性。

4 智能識別采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能識別采集系統(tǒng)就是在原有采集系統(tǒng)中增加讀取識別芯片中的傳感器各項(xiàng)參數(shù)及編號的功能，將讀取到的傳感器參數(shù)及識別出的傳感器類型進(jìn)行公式對應(yīng)，并根據(jù)該傳感器的各項(xiàng)參數(shù)、對應(yīng)的計(jì)算公式、傳感器輸出的電量，直接可以計(jì)算出實(shí)際物理工程值。

4.1 讀取識別芯片

智能識別采集系統(tǒng)在單支儀器逐個(gè)測量時(shí)，首先讀取智能傳感器識別芯片內(nèi)傳感器的各項(xiàng)參數(shù)及編號。智能識別振弦讀數(shù)儀測量顯示如圖2：A為存貯單元、0048為序號、SA5121為傳感器類型及編號、2008/10/1810∶28為日期和時(shí)間、K=0.4897με/F為傳感器的標(biāo)定系數(shù)、b=13.5 με/℃為傳感器的溫度修正系數(shù)為讀數(shù)儀的在線電壓、200-4840F為掃頻激勵范圍、4500.5F為被測傳感器的頻率摸數(shù)值、R=3 k為被測傳感器溫度計(jì)的類型、25.5℃為被測傳感器的溫度值。

智能識別讀數(shù)儀在連接自動或手動集線箱快速切換時(shí)可以設(shè)置連續(xù)快速識別，其讀寫間隔≤8 ms的反應(yīng)速度完全可以滿足要求。

圖2 智能識別振弦讀數(shù)儀的顯示界面Fig.2 Display interface of the intelligent identification vibrating wire reading instrument

4.2 快速查詢

智能識別采集系統(tǒng)在存貯測量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后，與計(jì)算機(jī)通信后數(shù)據(jù)排列為：存貯單元及序號、儀器名稱、儀器編號、標(biāo)定系數(shù)、系數(shù)單位、溫度修正系數(shù)、存貯日期及時(shí)間、頻率模數(shù)值、頻率值、溫度值（如圖3）。這樣排列測量數(shù)據(jù)不管存貯在智能識別讀數(shù)儀中或傳輸給計(jì)算機(jī)，永遠(yuǎn)不會混亂。在大壩監(jiān)測海量的數(shù)據(jù)中，分析時(shí)可以任意按儀器名稱、儀器編號、最小讀數(shù)b···進(jìn)行排序并查詢，節(jié)約了查詢時(shí)間，解決了因數(shù)據(jù)量過大無法快速排序查詢的難題。

智能識別采集系統(tǒng)可以判別出儀器類型，如：P08320為滲壓計(jì)，SA7300為150 mm標(biāo)距的應(yīng)變計(jì)，RF0091為配筋25 mm的鋼筋計(jì)···并自動將判別出的儀器顯示在儀器名稱欄里，讓觀測人員一目了然，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)排序的智能化。

4.3 統(tǒng)計(jì)計(jì)算

智能識別采集系統(tǒng)先讀取識別芯片中的傳感器參數(shù)及編號，即可根據(jù)識別到的傳感器類型調(diào)用與其對應(yīng)的計(jì)算公式，根據(jù)傳感器參數(shù)、計(jì)算公式、傳感器測出的電量直接計(jì)算出實(shí)際物理工程值。

圖3 智能識別讀數(shù)儀存貯數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)排列截屏Fig.3 Snapshot shown on the computer of the data collected from the intelligent identification reading instrument

測斜儀智能識別讀數(shù)儀測量顯示見圖4：29-X001為編號29號測孔-X方向第一個(gè)測點(diǎn)，GN6158為測斜儀的編號；99.5 m為在測點(diǎn)高程孔深米數(shù)；+X+145.05 mm為+X方向測值經(jīng)計(jì)算后的位移量，單位為mm；-X-148.05 mm為-X方向測值經(jīng)計(jì)算后的位移量，單位為mm；-/2=+146.55 mm為測量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5 mm為測量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進(jìn)行測量，每按一次線控開關(guān)（或存貯鍵）當(dāng)前測量數(shù)據(jù)存貯一次，同時(shí)孔深遞減一個(gè)設(shè)定的測量標(biāo)距，存貯器序號加1（測點(diǎn)數(shù)）。將讀數(shù)儀存儲數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)位移值數(shù)據(jù)繪制管形圖，實(shí)現(xiàn)了測量工作無紙化，也方便測量數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

圖4 智能識別測斜儀讀數(shù)儀的顯示界面Fig.4 Display interface of the reading instrument of intelligent identification inclinometer

大壩監(jiān)測儀器使用智能識別系統(tǒng)技術(shù)后，已在幾百個(gè)實(shí)際工程中使用，得到了現(xiàn)場使用人員的肯定和好評，解決了用戶在測量時(shí)因測量數(shù)據(jù)不能隨意快速存貯、無法實(shí)現(xiàn)無紙化操作的困難，給大壩監(jiān)測儀器的使用方式帶來了根本的改變。

5 結(jié)語

大壩及巖土工程監(jiān)測儀器大多都使用在國計(jì)民生的大型重點(diǎn)工程上，要使測量工作真正做到無紙化的快速測量存貯，減輕測量人員的負(fù)擔(dān)和減少記錄失誤，使用傳感器智能識別技術(shù)將是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。采用智能識別技術(shù)的傳感器，可以省去大量的人工操作，解決了因傳感器標(biāo)簽?zāi)p、丟失、電纜被剪斷導(dǎo)致傳感器因參數(shù)不可知、身份不明而成為廢品的難題。

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大量應(yīng)用到傳感器中，加快了智能傳感器的發(fā)展和普及，這將會是大壩監(jiān)測技術(shù)的一次革命?！?/p>

[1]景博,張劼,孫勇.智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[2]肖建華,廖惜春.無線車輛計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的智能識別技術(shù)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38:388-392.