遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)智能檢測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究

姚陶榮

（廣西壯族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，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孔框架支轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)。該高層建筑在建設(shè)過程中由于施工難度高，且易受到地震的影響，安全問題非常重要。為確保施工的安全性，本項目決定應(yīng)用遠(yuǎn)程智能檢測技術(shù)，通過土木工程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，對施工全過程進(jìn)行有效監(jiān)測。

2 遠(yuǎn)程智能檢測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)由控制器、分線器、主控機等組成，前端屬于硬件部分，采集數(shù)據(jù)信息，后端屬于軟件部分，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1]。分線器、控制器屬于前臺部分，主控機屬于后臺部分。將待測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，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通道，讓控制器與傳感器進(jìn)行信號傳輸?？刂破鬟€要與前臺通信設(shè)備連接，主控機命令可由其接收，同時還能對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。傳感器數(shù)據(jù)可控制前臺控制器，實現(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)成及功能見表1。

表1 不同硬件的構(gòu)成及功能

2.1.2 存儲與讀取

存儲芯片為AT24C64，生產(chǎn)公司為Atmel。AT24C64 含有字節(jié)8 192 個，32 字節(jié)頁緩沖器，操作時要通過I2C 總線連接。I2C 總線的基本協(xié)議是I2C 總線為時鐘芯片與存儲芯片的串聯(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 總線的信號分為起始信號、停止信號與應(yīng)答信號。

2.1.3 時鐘

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

2.1.4 顯示

采用液晶顯示器，型號為LCM141。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→開振蕩器命令→顯示器命令。

2.1.5 上機位與下機位

PC 計算機為上機位，控制程序與數(shù)據(jù)庫是主要組成部分。VC++開發(fā)屬于控制程序，ACCESS 為數(shù)據(jù)庫。上機位的功能主要表現(xiàn)為：檢測指令、校準(zhǔn)時間指令等可由前端控制器發(fā)送，在數(shù)據(jù)庫中存儲回傳的數(shù)據(jù)。

8～16 個單元與128～256 個回路組成一套小型檢測系統(tǒng)。下機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)，在無須預(yù)知數(shù)學(xué)模型中可適用。PID 算法見式（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為積分時間；Td為微分調(diào)節(jié)系數(shù)；t為時間。

在通過拉氏變換與數(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；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

2.2.1 后臺軟件總體設(shè)計

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

圖1 后臺軟件框架圖

系統(tǒng)在運行之后，要對串口進(jìn)行初始化，對手機模塊進(jìn)行自動化監(jiān)測，并開始自動運行。用戶在操作期間，可通過界面按鈕、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)故障時會出現(xiàn)提示，這樣用戶就能及時找到故障問題；數(shù)據(jù)由緩存器接收之后，通過信息的質(zhì)量判斷，處理好數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；用戶可通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)設(shè)置用戶權(quán)限，確保數(shù)據(jù)的安全性；在系統(tǒng)運行期間，用戶可通過程序登錄，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)定時間。線程阻塞問題可能是由于設(shè)定時超時較長、接收緩存器數(shù)據(jù)較少引起的。在查詢時，可在進(jìn)程中的某一線程定時對串口的接收緩沖區(qū)進(jìn)行查詢。

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

2.2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理

采集站信息、測量數(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別組成，通過不同的管理級別，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、站點名稱等是采集站信息的主要內(nèi)容，進(jìn)入站點管理界面可通過一二級管理員進(jìn)入進(jìn)行操作；ACCESS 數(shù)據(jù)庫需使用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，被控端可確定為現(xiàn)場的微機，上網(wǎng)可由電話線撥號實現(xiàn)。

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

2.2.5 前臺軟件實現(xiàn)

1）測頻儀。激勵電壓發(fā)生器由控制器（MCU）進(jìn)行控制，由傳感器施加一個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，對頻率值進(jìn)行讀取，然后換算后可得到采集的數(shù)值。

2）存儲與時鐘。存儲芯片與時鐘芯片在操作上基本相同，都是使用I2C 總線，I2C 總線的讀寫可由函數(shù)完成。

3）短信收發(fā)。前臺與后臺的短信收發(fā)機制相同，在編寫期間相對比較復(fù)雜，且調(diào)試量較大。利用中斷進(jìn)行單片機接收短信處理，在沒有短信時，單片機也可進(jìn)行其他工作。

3 鋼弦頻率式傳感器與單片機

3.1 鋼弦頻率式傳感器

傳感器屬于一種電量信號傳輸?shù)难b置，其目的是測量，可對被測量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行確定。對于輸出信號，經(jīng)過傳感器的處理，可形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號。本項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)簡單、穩(wěn)定性強的優(yōu)點。鋼弦頻率式傳感器在實際運行中，鋼弦振動頻率可由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化得到，具體計算依據(jù)式（5）、式（6）：

式中，f為鋼弦的振動頻率；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的張拉應(yīng)力；L為鋼弦的長度。外來應(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)用時會受到環(huán)境的影響，且因為要對項目進(jìn)行長期檢測，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。同時傳感器還要避免出現(xiàn)損壞，質(zhì)量能得到保障，能滿足實際工程需求。

3.2 單片機

本項目所選擇的單片機為P89C51RD2，屬于非易失性FLASH 程序存儲器，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 在獲取新代碼時可在系統(tǒng)中實現(xiàn)編程重新進(jìn)行，遠(yuǎn)程編程可通過調(diào)制調(diào)解器連接實現(xiàn)。P89C51RD2 的優(yōu)勢顯著，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 程序存儲器具有ISP 與IAP 功能、在UART 下載程序，可由片內(nèi)的Boot ROM實現(xiàn)。

4 結(jié)語

遠(yuǎn)程智能檢測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，要求能從軟件、數(shù)據(jù)庫等設(shè)計入手，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€環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)度。在系統(tǒng)構(gòu)建期間，要結(jié)合實際情況，選擇好傳感器與單片機（本項目中的傳感器為鋼弦頻率式傳感器、單片機為P89C51RD2），通過對系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用過程的有效控制，強化對土木工程的高質(zhì)量檢測力度，滿足土木工程檢測的實際需求。