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建筑基坑实时数据采集监控系统 摘要 本文将电子信息技术与建筑施工技术有机结合起来，设计了建筑基坑丌挖中 的一种实时数据采集监控系统，并在实际工程中得以应用。该系统主要由数据采 集模块、无线传输模块、主控计算机等部分组成，将基于无线传输技术的数字化 网络化数据采集技术应用到建筑工程施工过程中，具有结构简单、功能强的特点， 克服了以往人工测量数据周期过长、计算复杂、时效性差等缺点。 当前在许多工业测控系统中。传统的数据传输是通过有线电缆实现的，随着 射频技术、集成电路的发展，无线通信功能的实现越来越容易，与有线传输相比 具有成本低、建网快捷、适应性强、设备维护容易等优点，具有广阔的应用前景。 本论文阐述了数据采集系统的基本结构，提出了基于无线数据传输的分布式 数据采集系统的总体框架，主要研究的了基于p t r 4 0 0 0 的无线数据传输系统的 硬件电路设计；重点介绍了系统中采用的以n r f 2 4 0 1 为核心芯片的p t r 4 0 0 0 无 线数传模块、a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机，以及硬件设计：通过对软件功能和工作流程的 全面规划，圆满解决了基坑开挖过程中的实时轴力监控问题，有效的预防基坑事 故的发生。 最后论文对无线数据传输系统的研究设计工作进行了总结，并提出了以后需 要解决和完善的问题。 关键词：实时数据采集；监控；无线数据传输 ar e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mi n f o u n d a t i o np i t a b s t r a c t i nt h ep a d e ri tc o m b i n e se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw i t ha r c h i t e c t u r a l t e c h n o l o g yt od e s i g nak i n do f r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mu s i n g i nf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n a n dw a sa p p l i e dt ot h ep r o j e c ta l r e a d y t h es y s t e r ni s m a i n l yc o m p o s e do fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n da c o m p u t e r t h ed i g i t a l ，n e t w o r kd a t aa c q u i s i t i o nw h i c hb a s e do nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i su s e di nc o n s t r u c t i o n i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t r u c t u r ea n dp o w e r f u l f u n c t i o n s a n dg e t so v e rt h es h o r t c o m i n g st h a tt h ec y c l ei si o n g , t h ec a l c u l a t i o ni s c o m p l e xa n dt h ee f n c i e n ti sp o o r , w h i c hw a sf o r m e r l ym e a s u r e db yp e o p l e n o w a d a y si nt h e f i e l d so fi n d u s t r ym e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e t r a d i t i o n a lw a yo fd a t at r a n s m i s s i o nw a su s e db yc a b l e ，b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo fr a d i of i e q u e n c ya n di n t e g r a t ec i r c u i t ，t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni se a s i e rt h a nb e f o r e i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e f i t yd u et oi t s a d v a n t a g eo fl o wc o s t ，f a s tt ob u i l dt h en e t ，h i g ha d a p t a b i l i t ya n de a s yt om a i n t a i nt h e s e r v i c e sa n ds oo n h lt h ep a p e ri ti n t r o d u c e st h eb a s i ca r c h i t e c t u r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e r n t h e f l a m eo fd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t o mb a s e do nw i r e l e s st r a n s m i s s i o ni s p r e s e n t e d c i r c u i td e s i g no fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do np t r 4 0 0 0i s r e s e a r c h e d t h ew i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e rm o d u l en a m e dp t r 4 0 0 0 ，w h i c ht a k e s n r f 2 4 0 1a sk e m e lc h i p ，t h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rn a m e da t 8 9 c 2 0 51 ，a n dt h e i r c i r c u i tc o n n e c t i o ni si n t r e d u c e d t h es o f t w a r ed e s i g ni se l a b o r a t e di n c l u d i n gt h em a i n p r o g r a ma n ds e v e r a lp r i m a r ys u b p r o g r a m s i ts o l v e st h ep r o b l e m o f r e a l - t i m em o n i t o r i n go f a x e s s t r e s sd u r i n ge x c a v a t i n g ，a n de f f e c t i v e l yp r e v e n t sa c c i d e n t s t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi ss u m m a r i z e d ，a n da s p e c t st o b ei m p r o v e di nt h ef u t u r ea r el i s t e da tl a s t k e yw o r d s ：r e a i - t i n 侍d a t aa o q u is i t i 0 1 1 ，b l o n i t o r i n g ，w ir e i o s s d a t a t r a n s m i s s i o n n 独创声明 小人j f 叫所。l ? 炎的学f z 论史址小人相：甘| i l j 指圩卜逍i r 的研究l ：1 1 ；及墩彳 jn 0 研究成果。 扪我所戋除了文- l 特别加以 ，j ：泣和致谢的地方外论文1 1 j 4 ：包含j 他人已经发表或撰写 过的研究成果。也不包含未获得 i 适i ! ! ! 湮直甚i i i ；煎噩拄剔彦盟 曲：奎拦互窑2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材幸斗与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：工窍磅 签字同期：j 7 年t 月3 。同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王暗l 寿 签字日期：加7 年 月和日 学隹j 0 支f 1 者毕、l l ：后去同 丁仃! i 缸： 通讯地址： 翮粹弘 导师签字t r 扩 辩嗍。冲 中 1 乜1 青 邮编 建筑早坑实时效抛采壤临拧系统 0 前言 0 1 选题背景 随着社会经济的发展，我国的基础建设币处在一个飞速发展的阶段。电子信 息技术不断渗透到建筑施工领域，解决了诸多传统建筑施工方法中比较棘手的问 题。在现代化的建筑施工过程中，施工现场的数据采集及监控系统的实时性、准 确性已成为施工安全和工程质量的重要保障。因为在施工过程中往往会出现一些 难以预料的变化，监控信息的实时反馈分析能较好的预测系统的变化趋势，当出 现险情预兆时，可做出预警以便及时采取应急措施。如何把电子信息技术和建筑 施工方法完美结合起来，是当前建筑施工信息化发展急需解决的课题。 在基坑开挖过程中支护轴力的监控关系到整个施工系统的安全，数字化的 监控已成为施工安全和质量保障的重要手段。本文将电子信息技术与建筑施工技 术有机结合起来，设计了建筑基坑丌挖中的一种基于无线传输的实时数据采集监 控系统，并在实际工程中得以应用。 0 2 课题任务及论文安排 本课题来源于基坑开挖过程中支护轴力的监控项目，并致力于提高施工过程 中应力数据采集监控的实时化、自动化程度。课题要完成的工作： 1 总体方案的研究。 2 系统软硬件的设计。 3 系统的调试与试验。 在论文中第一章主要对基坑支护施工监控系统作简要的介绍，第二章介绍 了基坑支护轴力的实时数据采集系统的采集原理及其硬件组成。第三章介绍本系 统的数据传输部分：无线数据传输。第四章介绍系统软件设计以及人机交互界面 的实现。第五章对本论文进行总结分析并对以后的发展进行展望。第六章介绍了 系统的试验及分析总结。 矬筑堆坑实时数摧采集啦挣系统 1 基坑支护施工监控系统 1 1 问题的提出 近十几年来随着我国经济和城市建设的飞速发展，地下工程越来越多，丌发 和利用地下空白j 的需要f 1 渐迫切。与此同时，高层、超高层建筑物的兴建随处可 见，据不完全统计我国已有高层建筑7 0 0 0 幢以上，仅上海市就已有2 0 0 0 幢以上。 这些高层建筑多有较深的地下室，有的平面尺寸已达数力j 平方米，深度最深达 2 6 6 8 米。需要解决高层、超高层建筑基础工程方面的技术问题不仅越来越多而 且越来越复杂。近年来全国发生的高层建筑基础工程重大事故中仅深基坑的事故 就达上百起，据不完全统计，一般的发生率约占基坑数量的2 0 左右，有的城市 甚至占3 0 左右，基坑事故的频频发生，给国家和人民生命财产及安全造成了重 大的损失0 1 。 由于高层、超高层建筑多建在市区内，建筑场地狭窄且周围环境复杂( 地质 条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它因素的复杂影响) ，很难单纯 从理论上预测工程中可能遇到的问题，而且，理论预测值还不能全面而准确地反 映工程的各种变化，这已经成为当前高层、超高层建筑施工的难点。引起基坑事 故频频发生的原因有很多，如支护类型选择不当、对水土压力及施工荷载估计不 足、施工方法不当或施工过程中受到外界因素的干扰等，都可成为引发事故的主 要原因。对有关现象作进一步分析可知，除管理因素以外，目前在基坑支护设计 中尚不成熟的可兼顾考虑多种因素影响的计算理论和方法，对施工监测尚无形成 较为完整的规章制度，以及尚不能依据现场采集到的量测信息对基坑开挖的安全 性及时做出预测预报，并针对可能出现的险情及时确定对策等都是基本原因。因 此建立一套可用于基坑安全监测及变形预测预报的系统是当前亟需解决的课题。 在施工过程中跟踪施工活动，对支护结构本身、附近建筑物、地下管道等保护对 象的变形及受力情况建立监控系统，将所取得的数据，与预测或计算相比较，能 可靠的反映工程施工所造成的影响，能较准确地以量的形式反映这种影响程度。 为了减少工程事故，保证工程的施工质量和安全，提高工程效益，近几年来在深 基坑丌挖与支护工程中引入监控技术和动态信息化施工，使得设计、施工和监控 三位一体化，对于较为复杂的大中型工程或环境要求严格的项目，就必须在施工 2 建筑草坑实时数据采集舱拧系统 组织设计中设置和实施监控系统。 1 2 基坑工程发展及其现状 基坑是建筑工程有机组成部分，也是一个古老而有时代特点的岩土工程课 题，其发展与建筑业的发展密切相关。它是随着大量高层、超高层建筑以及地下 工程的不断涌现而出现的有效利用土地资源的有效方式之一。人类土木工程活动 促进了基坑的发展。特别是二十世纪未三十年代( 我国主要是八十年代) 以来， 高层建筑的兴起对基坑的要求越来越高，出现的问题也越来越多，这就促使工程 技术人员不断以新的观点去关注基坑这一古老课题，从而使许多新的经验和理论 及研究方法得以涌现。 二十世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人已经开始研究基坑中的岩土工程问题，以 后的时间里，世界各囡的许多学者都投入到这项研究中来，并不断在这一领域取 得丰硕的成果。基坑工程在我国的广泛出现，起于上世纪8 0 年代初期，随着十 一届三中全会的召开，改革开放热潮在全国兴起，高层、超高层建筑大量出现， 相应的基础埋深不断增加，开挖深度也就不断增加，特别是到了9 0 年代，大多 数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区进行深基坑开挖给人们提 出新的课题。那就是如何控制深基坑开挖的坑壁稳定及其环境效应问题，这一现 实需要推动了我国深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方 法，众多的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多先进技术和成功实例，但是由 于基坑工程的复杂性、地带性、时效性以及设计、施工的不当，工程事故的概率 仍然偏高。 t e r z a g h i 和p e c k 等人早在上世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支 撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用至今，只不过有了许多改进和修 正。5 0 年代，b j e r r u r n 和e i d e 给出可分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代开 始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资 料提高了预测的准确性，并从7 0 年代起，产生了相应的指导丌挖的法规。从8 0 年代初开始我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一含深基坑支 护工程率先应用了信息施工法，大大节省了工程造价。进入9 0 年代后为了总结 建筑单坑实时数据采集雌拧系统 我国深基坑支护设计与施工经验，丌始着手编制深基坑支护设计与施工的有关法 规，并于1 9 9 9 年9 月l 同丌始施行建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) ( 中 国建筑科学研究院主编) 。 1 3 建筑基坑监控与预测预报研究 1 3 1 建筑基坑监控与预测预报研究的发展 深基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题，边坡丌挖和简易木 桩支护可以追溯到远古时代。人类土要工程活动促进了基坑的发展，但是由于本 世纪初以前的建筑基坑一般具有工程小、丌挖面积少的特点且那时的监测仪器尚 不发达，极少采用仪器监测基坑的开挖及其运行情况。本世纪初以来，在国外由 于高层、超高层建筑的大量涌现，部分建筑基坑开始采用仪器进行监测，在2 0 世纪6 0 年代初期，已经开始在奥斯陆和墨西哥软土深基坑中使用仪器进行全方 位的监测，经过近3 0 年的发展，国外2 0 世纪9 0 年代已经出现了监测电脑数据 采集系统，实现了监控的自动化。我国的深基坑的全方位监测于2 0 世纪9 0 年代 才开始起步叫。在深基坑的研究方面，国外主要侧重于支护设计和施工技术的研 究，缺乏对监测分析、信息反馈及预测预报的自动化研究。安全监测工作的蓬勃 发展在国内外带动了一大批监测仪器研制生产部门的发展，一些先进监测仪器在 工程中得以应用。如g e o k o n 仪器主要用于大坝、隧道、边坡、桥梁等工业及民 用结构的安全监控，已经在我国的三峡工程，小浪底水利工程等工程中得以应用； s l o p ei n d i l e t o r 公司已提供可用于岩士及结构位移、应力监测的传感器及一些 相应的数据处理等软件；在我国的北京、武汉、南京等地也有监测仪器研制生产 单位。 近十多年来，国内外对建筑基坑安全监测开始越来越重视，许多学者开始 对基坑边坡安全监测工作进行研究。张文波”研制了边坡监测信息微机管理系 统，该系统利用f o x b a s e 、f o r t r a n 、t u r b o 混合编程，具有对边坡监测资料纪念 性数据管理、数据处理、变形预报以及绘图等功能。袁宝远”1 研究了一个具有监 测信息管理，可视化查询分析、边坡不稳定先兆分析等功能的边坡监测信息系统， 该系统具有面自对象风格和可视化特征，具有在专家参与下对监测信息分析预报 4 让组堆坑实时效据采浆临托系统 的特点。钟矿雄”研究建立了基坑监测数据库管理系统，该系统能全面地将基坑 监测信息的各种信息按数据库格式输入，其中包括一些不确定的信息，并能客观 地评价监测项目的稳定状态，设置含报警及相应的规程和规范指标等窗口。故友 健”1 研究了深基坑监测数据处理与预测报警系统，该系统对深基坑的监测数据实 施数掘库管理，利用狄色系统理论建立变形预测模型，采用若干定性和定量指标 进行深基坑工程极限状态的分析判别与险情预报。 近年来，由于动态设计及信息化施工技术的提出，国内外学者对建筑基坑 预测预报在技术进行了更加深入地研究。现在常用的建筑基坑预测预报分析方法 有神经网络预测预报方法，实时建模时序分析预测预报法、模糊数学预测预报分 析法及狄色系统预测预报法。 1 3 2 建筑基坑支护施工监控系统的设置原则 施工监控工作是一项系统工程，监控工作的成败与监控方法的选取及测 点的布设直接相关。监控系统的设计原则可归纳为以下5 条。“。 1 3 2 1 可靠性原则 可靠性原则是监控系统设计中所要考虑的最重要的原则。为了确保其可 靠，必须做到：第一，系统需采用可靠的设备。一般而言，机械式测试仪器 的可靠性高于电子测试式仪器，所以如果使用电测仪器，则通常要求具有目 标系统或与其它机测式仪器互相校核；第二，应在监控期间内保护好测点。 1 3 2 2 多层次监控原则 多层次监控原则的具体含义有4 点： ( 1 ) 在监控对象上以位移为主，但也考虑其它物理量监控。 ( 2 ) 在监控方法上以仪器监控为主，并辅以巡检的方法。 ( 3 ) 在监控仪器选型上以机测式仪器为主，辅以电测式仪器，为了保证监控的可 靠性，监控系统还应采用多种原理不同的方法和仪器。 ( 4 ) 考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施内布点以形成具 有一定测点覆盖率的监控网。 矬筑壮坑实时数据采鬣临拧系统 1 3 2 3 重点监控关键区的原则 掘研究，在不同支护方法的不同部位，其稳定性是各不相同的。一般地说， 稳定性差的部位容易失稳塌方，甚至影响相邻建筑物的安全。因此，应将易出问 题而且一旦出问题就将带来很大损失的部分，列为关键区进行重点监控，并尽早 实施。 1 3 2 4 方便实用原则 f 为了减少监控与施工之自j 的相互干扰，监控系统的安装和测读应该尽量做到 方便实用。 1 3 2 5 经济合理原则 考虑到多数基坑都是临时工程，因此其监控时间较短。另外，监控范围不大， 量测者容易到达测点，所以在系统设计时应尽量考虑实用而低价的仪器，不必过 分地追求仪器的“先进性”，以降低监控费用。 基坑支护工程施工监控的关键是在通过监控获得准确数据之后，强调对监控 数据的定量分析与评价，以便及时进行险情预报，提出合理化措施与建议，并进 一步检验加固处理后的效果，直至解决问题。任何没有仔细深入分析评价的监控 工作，充其量只是施工过程的客观描述，决不能起到指导基坑施工进程和实现信 息化施工的作用。 1 3 3 监控系统预警的实现途径 完善的信息施工法基坑施工监控体系和恰当的趋势预报方法是做好基坑安 全预警的前提条件。在基坑施工中根据要求对需要监控的对象进行全面连续的监 控，对监控数据进行采集、整理和分析，并采用适当的数值方法对变形发展趋势 进行超前预测，为基坑安全预警提供数据资料。 险情发生时刻是现场监控数据达到了险情发生模式中的临界极限指标的时 刻。险情发生时刻，预报的实现途径可归纳如下。 ( 1 ) 首先进行支护方案、场地地质条件及基坑周围环境的综合分析。从险情 的形成因素入手，找出险情发生的必要因素，如岩土特性，支护结构，有效l 临空 6 建筑壮坑实时数据采策临拧系统 面，临近建筑物及地下设施等和某些相关的诱发因素，如地下水、地震、丌挖施 工、气温、雨雪等，再结合设计支护结构稳定性分析计算，综合得出是否会发生 险情的初步判断。 ( 2 ) 现场监控手段是实现险情预报的必要i ；i 提。现场监控的目的是使用各种 有效的监控方法，及时捕捉险情发生前所暴露出的各种静兆信息，以及诱发险情 的相关因素。监控成果不仅要准确显示出险情发生动态要素的定量数据，更重要 的是要利用恰当的方法体现出监控动态信息的演变趋势。因此要求及时绘出位 移、应力应变数值及其速率等随时间的变化曲线，并及时进行综合分析评价。 ( 3 ) 可以通过模拟试验确定各种可能的险情发生模式，确定临界状态时的相 关极限指标和险情预报根据，对超过上下警戒线的情况进行报警。 ( 4 ) 以往成功的险情预报实例表明，大多数的险情是可以通过肉眼巡视在早 期发现的。因此应安排有相应技术经验的人目测巡视和一般的量测手段及时捕捉 险情发生的宏观前兆信息。 1 4 数据采集系统在基坑施工监控中的应用 1 4 1 数据采集系统概述 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段。数据采集技术作为 信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为 基础而形成的一门综合应用技术。数据采集系统是利用计算机、通信、测控等 技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，以供管理人员和现场操作者参考的 系统；是现代测控系统的基础，用于获取各种现场测量数据。数据采集系统起始 于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中 不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高 速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可 以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。 大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据 采集设备和系统多属于专用的系统。 建筑艰坑实时数据采浆航拧系统 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶 为一体的数掘采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自 动检测仪表和专用数掘采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数掘采 集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业 现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线， 工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开 始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类， 一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准 i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在 工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成， 例如：s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相 应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场 应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系 统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专 用系统灵活得多。 2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机 和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成 倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不 断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。目前有的d a s 产品 精度己达1 6 位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专 门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模 块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程， 就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统 向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有v x i 总线系统，p c i 、p x i 总线 让筑毕坑j 娈时数抛采集骼拧系统 系统等。数据位已达到3 2 位总线宽度，采样频率可以达到l o o m s p s 。由于采用了 高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性， 但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系 统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和 智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用r s 4 8 5 、 双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业 现场数掘采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发 展，一个工厂管理层局域网，车自j 层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连 接在一起，可以有效地把多台数据采集设备连在一起，以实现生产环节的在线实 时数据采集与监控 1 4 2 数据采集系统在基坑施工监控中的应用 建筑施工过程中基坑支护构件轴力大小分布及变化状况数据采集的传统方 法是在各个支护构件表面等间距安装传感器，然后由专门的测量人员用应力计逐 个测量，将测量的应力数据记录在表格中或者输入电脑，最后将所测得的数据代 入公式计算做出相应的分析处理。这样的应力值检测是由专业测量人员每隔一段 时间定时完成的，并不断将采集的数据反馈到上级监控部门，作为下一步数据分 析并作为安全预警的主要依据。 虽然现在各个厂家生产的应力计的精度在不断的提高，数据的准确性程度有 了很大的提高，但是因为一方面这些不同位置传感器所采集到的数据并不是同时 测得的，各个监控点的应力值的测量存在时间间隔，这样就不能准确反映某一时 刻整个基坑支护的受力状态。另一方面，这些采集到的数据的录入计算也要花费 大量的时间，并不能真正达到数据的实时采集与及时的安全预警，可见只有解决 好应力数据采集的实时性，才能从根本上有效避免事故的发生。 本文设计了一套分布式数据采集系统进行数据的实时采集处理。分布式数据 采集系统的结构如图1 1 所示，它是计算机网络技术的产物，它由若干个“数 据采集模块”和一台上位机及通信线路组成。 9 让筑筚坑实时数捌采集舱拧系统 图1 1 分布式数据采集系统 分布式数据采集系统的主要特点是： ( 1 ) 系统的适应能力强。无论是大规模的系统，还是中小规模的系统，分 布式结构都能够适应。 ( 2 ) 系统可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，若某 个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其它部分造 成任何影响。 ( 3 ) 系统的实时响应性好。各个数据采集站之间是并行工作的。 ( 4 ) 对系统硬件的要求不高。由于每个单片机只完成数量十分有限的数据 采集任务，可以用低档的硬件组成高性能的系统。 这种结构适合于大型、高速、动态的数据采集系统。 0 矬筑堆坑实时数据采颦畸挣系统 2 数据采集模块 基坑丌挖中支护构件轴力的测量采用了基于单片机的数掘采集模块，该数据 采集模块包括钢筋计传感器和数字变送器两部分，系统选用的钢筋计传感器为振 弦式传感器。振弦式传感器在受到电信号激励时会产生和受力情况相对应的j 下弦 波振荡信号，再由数字变送器将振荡信号采集处理后转换为数字信号，以适应数 据传送的要求。 数据采集模块的结构框图如图2 1 所示。 图2 1 数据采集模块结构框图 振弦式传感器需要一个激励信号，所以从处理器输出一个激励电流信号给振 弦式传感器，以使振弦式传感器输出足够强的频率信号。振弦式传感器输出的频 率信号本身很微弱，并且经过一段距离的传输会产生一定的失真，所以需要一个 放大整形电路对输出的频率信号进行预处理。 2 1 钢筋计传感器及其应用 在基坑丌挖过程中，现在测量支护轴力常用的方法是使用轴力计，但轴力计 与支护埋件表面无法紧贴或存在角度，致使轴力计无法准确地测量实际受力情 况，安装过程复杂，长距离传输信号易受干扰，成本又高。本系统采用钢筋计传 感器来代替轴力计，既能较为实时准确地反映轴力的实际情况，安装简单易操作， 让筑毕坑实时敏据采囊舱拧系统 又可以利用数字变送器将采集到的模拟信号转变为数字化信息，使系统具有精度 高、稳定性好、反应速度快、易于进行温度补偿等特点。 2 1 1 传感器的选择 该系统选用的钢筋计传感器为振弦式传感器，振弦式传感器克服了一般应变 传感器稳定性较差的缺点。它没有零漂，温度修正效果明显，输出信号为频率信 号抗干扰能力强，有利于传输和远程测量，因此，可获得非常理想的测量效果。 振弦式传感器的这些技术特点非常适合长期监控。 2 1 1 1 振弦式传感器工作原理 任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力( 激励) 可以克服阻尼力 时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性以及激励特 性有关。若激励的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗 时，该弹性体即可做等幅连续振荡，振荡频率为其自身的固有频率。振弦式传感 器就是利用这一原理来测量物理量的嗡1 。 振弦式传感器测量应力的原理如图2 2 所示。 肚 型 警f 卜口。 冈励 图2 2 振弦式传感器工作原理图 振弦式传感器包括振弦( 金属弦) 、激励电磁铁、夹紧装置等主要部分。将 一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一端与被 测物体的运动部分连接，并使振弦拉紧，作用于振弦上的张力就是传感器被测量 振弦的张力，振弦的振动频率，与弦的内部张力0 之间的关系为： 一- - 7 刀居 ， 式中，f 为振弦的振动频率，h z ： 建筑举坑实时投捌采策：临拄系统 ，为振弦的长度i 1 ； o 为振弦的内部张力，n ； p 为振弦的质量密度，k g m 。 受压时弦增加的应力o 与传感器所受的力p 成乖比，即：血r _ 尹。出以上两 式可得：p = k ( 刀一刀) ( 2 2 ) 式中，p ：振弦式传感器所受的力； k ：与弦及传感器有关的常数； z ：振弦式传感器受力时弦的振动频率； 五：振弦式传感器的初始频率； 振弦的激振方式有连续激振和间歇激振两种。连续激振方式如图2 3 中( a ) 所示。连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦 的振荡信号。振弦被激励后，接收线圈1 产生感应电势，经放大后，正反馈给激 励线圈2 以维持振弦的连续振荡。间歇激励方式如图2 3 中( b ) 所示，当激励电路 产生脉冲电流给激励线圈后，电磁铁将把弦吸住，电流为零时，电磁铁松开振弦， 振弦产生振动衰减，为克服振弦振动的衰减，须间隔一定时间激励一次。因连续 激振方式存在以下缺点：需要双线圈，工艺结构相对复杂：输入和输出形 成闭环，容易产生高频电磁干扰振荡，可靠性不高所以本设计中采用了间歇激 励方式，数字变送器根据主控计算机的命令对振弦式传感器进行激励。 址筑皋坑实时数据采集：忾挖系统 ( a ) 连续激振方式( b ) 间歇激振方式 图2 3 振弦式传感器激励方式图 2 1 1 2 振弦式传感器精度影响因素及措施 从公式2 1 中可以看出振弦的振动频率与弦的内部张力呈平方根关系，传感 器的特性曲线是非线性的，其特性曲线如图2 4 所示。 丘 厶 五。 qt t o如 图2 4 振弦式传感器特性曲线 测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定，对该曲线作线形处理可大幅 度减少运算量。在选择了较佳的传感器工作频段时，从实测数据对比，其线性误 差可小于2 0 ，能保证较高的测试精度。 4 毛墼筑皋坑j 实时数据采集雌拧系统 ( 1 ) 长度微变化对测量精度的影响。当振弦内部存在应变或温度的影响时 会造成振弦长度与内部张力的变化，则振弦基频公式2 1 变为： 厂= 万i 刖l ( a + 珂a a l i + a ：1 + 血1 0 - - 6 兰l ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 公越s 可简慨= ( 竽 - c z s ， 由上式可以看出，振弦的自振频率的变化主要由振弦自身张力的变化决定 的，与长度变化关系不大。 ( 2 ) 温度对振弦式传感器测量的影响。在温度恒定时，振弦的张力与应变 有着确定的关系，当应变产生时，振弦的张力会发生相应得变化。温度升高时张 力降低，温度降低时张力升高。这时无法分辨频率变化是由外界温度变化还是由 外界形变( 应变) 引起的。故需要考虑振弦热膨胀和应变同时存在的情况，式 2 6 即为此情况下的基本运算公式： s = ! 竺f 2 + r 口= k ，2 +(26)l a t a 式中：m ：振弦单位长度的质量； e ：振弦的弹性模量； 彳：振弦的截面积； 口：振弦金属材料的热膨胀系数； a t ：温度变化。 要保证侧量的精度，须根据实际情况对公式2 6 进行温度修e ，除了计算振 弦本身的热膨胀外，还应该考虑被测物体自身的热膨胀，由此得到温度修正公式： s = k , f 2 + a r a - a r , p ( 2 7 ) 式中：口：混凝土的热膨胀系数； 1 5 建筑单坑实时数据采览：忾挣系统 a t ：传感器本身的温度变化： a t , ：混凝土表面的温度变化： 传感器实际安装时，按照公式2 7 进行计算，但混凝土的实际热膨胀系数口 很难确定。在实际中是在无荷载的情况下读数，此时公式2 7 的左边值为零，则： = k , f 2 石+ a t c t ( 2 8 ) 实际中根据温度传感器采集的温度值计算出与初始标定时的温差，然后根据 上述公式2 7 和2 8 进行误差修j 下，这个可以在主计算机中完成。 2 1 2 支护轴力的计算 在安装支护时先把钢筋计传感器安装在支护上，使得传感器与被测支护同 步变化。考虑到在安装过程中受电焊加热的影响，在安装时应做好降温措施，安 装后应立即测出传感器的频率，设此时的频率厶为零点力的频率。当支护受力 后钢筋计传感器同时受力，频率发生变化生成新的频率l ，此时钢筋计传感器 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 因传感器安装后与被测支护同步变化，所以传感器的应力与被测支护所受应 力相同，晚感器= 嚷测支撑。在钢支护中，因传感器直接安装在支护上，则被 测支护的轴力尸= 支撑宰= 壤感暑导宰支撑 在被混凝土包围的混合体中通常传感器安装在钢筋上，所以支护轴力 = p 钢筋+ 凝i ：。钢筋和混凝士都属于弹性材料，都有其相应的弹性模量e ，因 钢筋燃地嗣步变黼所以等2 等 眨 - 钢筋v 钢筋 建筑捧坑实时数据采浆惦拧系统 钢筋的轴力p 钢筋= 6 蠢感器爿ca 钢筋等效i 且i 积 ( 2 1 3 ) 混凝土轴力 气刖：= 专业宰晚感器幸( 如撑面积- a 铡筋等效血积) ( 2 “) 。俐筋 支护轴力： = + ：= 书锄。积+ 挚宰幸( 钿蝴一钿蝴) o 钢筋 2 2 数字变送器 数字变送器中采用成熟的单片机技术，电路简单可靠，精度较高。利用单片 机a t 8 9 c 2 0 5 1 的i o 口来实现对激励电路的控制，信号采集等功能。数字变送器主 要完成信号采集发送功能，主要由高压发生电路、触发电路、接收电路、放大电 路、整形电路组成，并有配套的存储芯片、通信驱动电路。 信号采集系统的工作原理：由单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 通过i o 口控制信号，经 晶闸管m c r l 0 0 启动触发，将激励信号送至振弦式传感器线圈，使振弦振动，其 反馈信号是一个m v 级的正弦波振荡信号，经过接收、放大、整形后变为同频率 t t l 电平的方波信号，送至单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的中断日，启动片内计数器对传感 器的频率信号计数，并由单片机分析处理计算出达到预定脉冲个数的时间长度， 从而计算出弦的振动频率。 选择晶闸管m c r l 0 0 是因为它独特的性质：当阳极接反向电压，或者阳极接正 向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时， 它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没 矬筑毕坑妾时数据采鬣髓柠系统 有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。要想关断，只 有把阳极电压降低到某一临界值或反向。 2 2 1 单片机的选择 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 是出a t m e l 公司生产的，低电压，高性能c m o s8 位单 片机，片内含2 kb y t e s l 拘可反复擦写的只读f l a s h 程序存储器和1 2 8b y t e s 的随机 存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术 生产，兼容标准m c s 5 1 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元。 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 是一个功能强大的单片机，但它只有2 0 个引脚，1 5 个双 向输入，输出( i o ) 端口，其中p 1 是一个完整的8 位双向i o e l ，两个外中断口， 两个1 6 位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同 时a t 8 9 c 2 0 5 1 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系 统的唤醒方式有r a m 、定时，计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继 续工作状态。省电模式中，片内r a m 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止 工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的主要功能特性是： 与m c s 5 1 系列产品兼容； 片内含有2 k b 的f l a s h 程序存储器，擦写周期为1 0 0 0 次； 片内含有1 2 8 字节的r a m ： 具有1 5 线可编程i o 口； 含有两个16 位的定时器t o 和t 1 ； 中断系统是具有6 个中断源、5 个中断矢量、2 级中断优先权的中断结构； 具有可编程的串行u a r t 通信口； 低功耗节电模式为空闲模式和掉电模式； 2 级程序存储器锁定位； 全静态操作为0 2 4 m h z ； 电源电压为2 7 6 v ； 直接驱动l e d ： 让娩壮坑实时数据采壤舱拧系统 片内含有模拟比较器。 2 2 1 1 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 引脚及其功能 图2 5 为a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚排列( p d i p s o i c ) 。 r s t ，p p ( r x d lp 3 0 ( t x d ) p 3 1 x t a l 2 x t a l l n 而) p 3 2 l n l l lp 3 3 ( t 0 1p 3 t i lp 3 5 g n o p d i p s o i c l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 2 1 1 v c c p 1 7 p 1 6 p 1 5 p 4 p 1 3 p 1 2 p 1 a i n ) p 1 0 ( a i n o p 3 7 图2 5a t 8 9 c 2 0 5 1 引脚排列( p d i p ) 其引脚功能为： p 1 口8 位双向i o e l 。 p 1 2 - p 1 7 内含上拉电阻，p 1 0 和p 1 1 需要外接上拉电阻。p 1 0 和p 1 1 又是 片内模拟比较器的同相输入( a i n 0 ) 和反相输入( a i n l ) ，端口结构图如图 2 6