姚陶榮

（廣西壯族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，南寧 530005)

1 工程概述

某市高層建筑共28 層，采用多樣的雙洞大開(kāi)孔框架支轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)。該高層建筑在建設(shè)過(guò)程中由于施工難度高，且易受到地震的影響，安全問(wèn)題非常重要。為確保施工的安全性，本項(xiàng)目決定應(yīng)用遠(yuǎn)程智能檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)土木工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

2 遠(yuǎn)程智能檢測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由控制器、分線器、主控機(jī)等組成，前端屬于硬件部分，采集數(shù)據(jù)信息，后端屬于軟件部分，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1]。分線器、控制器屬于前臺(tái)部分，主控機(jī)屬于后臺(tái)部分。將待測(cè)傳感器連接在前端分線器上，使用控制電纜與控制器相連時(shí)，控制器的指令由其接收，分別連接傳感器，這樣就可以形成信號(hào)通道，讓控制器與傳感器進(jìn)行信號(hào)傳輸?？刂破鬟€要與前臺(tái)通信設(shè)備連接，主控機(jī)命令可由其接收，同時(shí)還能對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。傳感器數(shù)據(jù)可控制前臺(tái)控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效采集與處理[2]。

2.1.1 硬件功能

不同硬件的構(gòu)成及功能見(jiàn)表1。

表1 不同硬件的構(gòu)成及功能

2.1.2 存儲(chǔ)與讀取

存儲(chǔ)芯片為AT24C64，生產(chǎn)公司為Atmel。AT24C64 含有字節(jié)8 192 個(gè)，32 字節(jié)頁(yè)緩沖器，操作時(shí)要通過(guò)I2C 總線連接。I2C 總線的基本協(xié)議是I2C 總線為時(shí)鐘芯片與存儲(chǔ)芯片的串聯(lián)接口，總線可與慢速器件通信，由主控器件與多個(gè)從器件組成。I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸率可分為不同擋位，分別為低速、高速模式，傳輸速率分別為0～100 kb/s、400 kb/s、3.4 Mb/s。I2C 總線的信號(hào)分為起始信號(hào)、停止信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)。

2.1.3 時(shí)鐘

本項(xiàng)目選擇的時(shí)鐘為PCF8563，生產(chǎn)公司為飛利浦公司。該芯片在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)顯著，功耗低、具備報(bào)警、定時(shí)等多種功能。PCF8563 的存儲(chǔ)器有16 個(gè)，控制方式寄存器為00H～01H，報(bào)警功能寄存器、時(shí)鐘輸出寄存器分別為09H～0CH、0DH，定時(shí)器功能存儲(chǔ)器為0EH 與OFH。

2.1.4 顯示

采用液晶顯示器，型號(hào)為L(zhǎng)CM141。LCM141 屬于專用液晶顯示模塊。LCM141 的顯示步驟為：上電→初始化命令→外晶振工作命令→開(kāi)振蕩器命令→顯示器命令。

2.1.5 上機(jī)位與下機(jī)位

PC 計(jì)算機(jī)為上機(jī)位，控制程序與數(shù)據(jù)庫(kù)是主要組成部分。VC++開(kāi)發(fā)屬于控制程序，ACCESS 為數(shù)據(jù)庫(kù)。上機(jī)位的功能主要表現(xiàn)為：檢測(cè)指令、校準(zhǔn)時(shí)間指令等可由前端控制器發(fā)送，在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)回傳的數(shù)據(jù)。

8～16 個(gè)單元與128～256 個(gè)回路組成一套小型檢測(cè)系統(tǒng)。下機(jī)位的智能控制算法由OID 參數(shù)模糊自整定方法予以確定，可調(diào)整參數(shù)，在無(wú)須預(yù)知數(shù)學(xué)模型中可適用。PID 算法見(jiàn)式（1）：

式中，u（t）積分輸出；e（t）為積分輸入；Kp為比例放大系數(shù)；Ti為積分時(shí)間；Td為微分調(diào)節(jié)系數(shù)；t為時(shí)間。

在通過(guò)拉氏變換與數(shù)字離散化之后，可得到式（2）（設(shè)采樣周期t=kθ，k為采樣序號(hào)；θ為輸出角度）：

式中，Ki為積分系數(shù)；Kd=Kpθ/Ti為微分常數(shù)；e（k）為系統(tǒng)偏差；為微分偏差；Kd為偏差變化率；e（i）為偏差積分。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 后臺(tái)軟件總體設(shè)計(jì)

采用VC++開(kāi)發(fā)控制程序，ACCESS 為數(shù)據(jù)庫(kù)。主程序、短信收發(fā)模塊等是后臺(tái)軟件的主要組成部分，具體如圖1所示。

圖1 后臺(tái)軟件框架圖

系統(tǒng)在運(yùn)行之后，要對(duì)串口進(jìn)行初始化，對(duì)手機(jī)模塊進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行。用戶在操作期間，可通過(guò)界面按鈕、菜單等進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后進(jìn)行初始化操作；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)提示，這樣用戶就能及時(shí)找到故障問(wèn)題；數(shù)據(jù)由緩存器接收之后，通過(guò)信息的質(zhì)量判斷，處理好數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；用戶可通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)設(shè)置用戶權(quán)限，確保數(shù)據(jù)的安全性；在系統(tǒng)運(yùn)行期間，用戶可通過(guò)程序登錄，可采取不同的操作方式。

2.2.2 短信收發(fā)模塊

1）RS-232 串口通信。規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)可在串口的接收緩沖區(qū)讀取，返回需超出設(shè)定時(shí)間。線程阻塞問(wèn)題可能是由于設(shè)定時(shí)超時(shí)較長(zhǎng)、接收緩存器數(shù)據(jù)較少引起的。在查詢時(shí)，可在進(jìn)程中的某一線程定時(shí)對(duì)串口的接收緩沖區(qū)進(jìn)行查詢。

2）Visual C++串行通信控件MSComm。當(dāng)用戶無(wú)法進(jìn)行直接操作PC 的串行端口時(shí)，可通過(guò)MSComm 控件進(jìn)行串行通信，這種方式在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)APL 函數(shù)進(jìn)行了解，且編程所需時(shí)間較少。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與管理

采集站信息、測(cè)量數(shù)據(jù)、管理員信息數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)所選擇的3 張表。在管理員信息表中包含的內(nèi)容較多，由用戶密碼和管理級(jí)別組成，通過(guò)不同的管理級(jí)別，用戶可進(jìn)行查詢、添加、修改、采集瀏覽數(shù)據(jù)信息等；ID 號(hào)、站點(diǎn)名稱等是采集站信息的主要內(nèi)容，進(jìn)入站點(diǎn)管理界面可通過(guò)一二級(jí)管理員進(jìn)入進(jìn)行操作；ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)需使用Microsoft Accsess 予以建立，并將其名稱命名為Result，數(shù)據(jù)源為ODBC，將數(shù)據(jù)源Result添加到“用戶DSN”中，然后對(duì)顯示記錄集的網(wǎng)格格式ActiveX 控件。

2.2.4 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸

選擇PcAny Where9.0 方案實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控的信息傳輸，控制端確定為PC 端微機(jī)，被控端可確定為現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)，上網(wǎng)可由電話線撥號(hào)實(shí)現(xiàn)。

初始化PcAny Where9.0 軟件，該軟件在第一次運(yùn)行時(shí)，Smart Setup Wizard 窗口會(huì)出現(xiàn)。對(duì)add modem 選項(xiàng)進(jìn)行選擇，然后對(duì)TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行選擇，對(duì)通信串口進(jìn)行選擇。將Login name 與password 填入，能確保本機(jī)的安全。被控端要合理設(shè)置，通過(guò)“Be A Host Pc”的選擇，對(duì)Modem 進(jìn)行點(diǎn)擊，然后對(duì)話框彈出后，設(shè)置PcAny Where9.0，這樣可在本機(jī)開(kāi)啟后自動(dòng)執(zhí)行。在設(shè)置遠(yuǎn)程被控端時(shí)，可通過(guò)“Be A Host Pc”的雙擊實(shí)現(xiàn)，然后可將其設(shè)置為待命狀態(tài)。在登陸時(shí)為確定身份，可通過(guò)“Remote Control”實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)查文件的傳輸，可通過(guò)“File Transfer”與“Modem”實(shí)現(xiàn)。

2.2.5 前臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

1）測(cè)頻儀。激勵(lì)電壓發(fā)生器由控制器（MCU）進(jìn)行控制，由傳感器施加一個(gè)110 V 高壓脈沖，然后可與鋼弦產(chǎn)生作用力，這樣就可在控制器的作用下，放大整形傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，對(duì)頻率值進(jìn)行讀取，然后換算后可得到采集的數(shù)值。

2）存儲(chǔ)與時(shí)鐘。存儲(chǔ)芯片與時(shí)鐘芯片在操作上基本相同，都是使用I2C 總線，I2C 總線的讀寫(xiě)可由函數(shù)完成。

3）短信收發(fā)。前臺(tái)與后臺(tái)的短信收發(fā)機(jī)制相同，在編寫(xiě)期間相對(duì)比較復(fù)雜，且調(diào)試量較大。利用中斷進(jìn)行單片機(jī)接收短信處理，在沒(méi)有短信時(shí)，單片機(jī)也可進(jìn)行其他工作。

3 鋼弦頻率式傳感器與單片機(jī)

3.1 鋼弦頻率式傳感器

傳感器屬于一種電量信號(hào)傳輸?shù)难b置，其目的是測(cè)量，可對(duì)被測(cè)量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行確定。對(duì)于輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳感器的處理，可形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。本項(xiàng)目中所選擇的傳感器為鋼弦頻率式傳感器，該傳感器在應(yīng)用中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。鋼弦頻率式傳感器在實(shí)際運(yùn)行中，鋼弦振動(dòng)頻率可由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化得到，具體計(jì)算依據(jù)式（5）、式（6）：

式中，f為鋼弦的振動(dòng)頻率；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的張拉應(yīng)力；L為鋼弦的長(zhǎng)度。外來(lái)應(yīng)力P是引起鋼弦張拉力的主要因素。

式中，f0為壓力傳感器未受壓后的鋼弦頻率；K為標(biāo)定系數(shù)。

在土木工程領(lǐng)域，傳感器在安裝與應(yīng)用時(shí)會(huì)受到環(huán)境的影響，且因?yàn)橐獙?duì)項(xiàng)目進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，所以，需確保傳感器具備特殊功能，能承受壓力、拉力，能適應(yīng)特殊的溫度與濕度環(huán)境。同時(shí)傳感器還要避免出現(xiàn)損壞，質(zhì)量能得到保障，能滿足實(shí)際工程需求。

3.2 單片機(jī)

本項(xiàng)目所選擇的單片機(jī)為P89C51RD2，屬于非易失性FLASH 程序存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)編程ISP 上串行器件。用戶板上安裝MCU，新代碼可由用戶下載。MCU 在獲取新代碼時(shí)可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)編程重新進(jìn)行，遠(yuǎn)程編程可通過(guò)調(diào)制調(diào)解器連接實(shí)現(xiàn)。P89C51RD2 的優(yōu)勢(shì)顯著，在脈寬調(diào)制中得到廣泛應(yīng)用。其主要特性為80C21 中央處理單元、FLASH 程序存儲(chǔ)器具有ISP 與IAP 功能、在UART 下載程序，可由片內(nèi)的Boot ROM實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程智能檢測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，要求能從軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等設(shè)計(jì)入手，提升系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果，確保系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)度。在系統(tǒng)構(gòu)建期間，要結(jié)合實(shí)際情況，選擇好傳感器與單片機(jī)（本項(xiàng)目中的傳感器為鋼弦頻率式傳感器、單片機(jī)為P89C51RD2），通過(guò)對(duì)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用過(guò)程的有效控制，強(qiáng)化對(duì)土木工程的高質(zhì)量檢測(cè)力度，滿足土木工程檢測(cè)的實(shí)際需求。