工程爆破振動無線網絡化記錄儀設計

張 慧，黃躍文，羅 熠

(長江科學院儀器自動化研究所，武漢 430010)

在工程爆破施工中，由于爆破所引起的振動、空氣沖擊波，飛石、噪音和有毒氣體等都對周圍的構筑物產生不同程度的影響，其中爆破振動的危害最為突出［1－2］。近年來國內工程爆破施工增多，因爆破振動對構筑物結構產生了不良影響而引發的民事糾紛也越來越多［3］。從而，需要采取科學有效的手段確保工程爆破中的構筑物安全。現有的振動監測技術已不能滿足實時性和靈活性的要求，從而提出了生產新一代的工程爆破振動無線網絡化記錄儀，從有線傳輸到無線實時傳輸，用戶能夠在線實時查詢爆破現場數據。它能夠大大降低現場人工布線工作量，綜合成本低、組網靈活、可擴展性好，達到爆破數據實時傳輸的目的。

1 工程爆破振動監測概況

1.1 工程爆破振動

目前工程爆破是我國水利水電建設，隧道開挖及礦山開采等工程的主要施工方法［4］，隨著我國經濟的持續高速發展，越來越多的爆破工程和爆破實驗在城市以及有重要工程建筑的地方進行，因此爆破振動對于建筑的影響受到愈來愈多的關注［5］。在工程爆破過程中，爆破引起的振動影響附近建筑物及相關設施的安全。因此，通過對爆破振動監測可及時調整爆破參數，制定防震措施，指導爆破安全作業，同時也可以了解和掌握爆破對建筑物的影響、破壞機理等。

國家對爆破施工作業產生的安全及環境的影響高度重視，出臺了多項強制標準與法規。如《爆破安全規程》［6］和《民用爆炸物品管理條例》①中華人民共和國國務院令(第466號).民用爆炸物品安全管理條例，2006.要求各級爆破企業應配備必要的監測設備，因此工程爆破振動監測應與時俱進，適應日益發展的現狀。

1.2 工程爆破振動記錄儀的發展

工程爆破振動監測技術經過幾十年發展，已有很大進步。過去常用的爆破振動監測包括檢波器、放大器和爆破自記儀［7］。檢波器用于把振動信號轉換為電信號并輸出;放大器用于信號的放大或衰減;爆破自記儀記錄對波形進行分析處理［8］。

第一代爆破振動記錄儀由檢波器和光線示波器組成［9］。光線示波器大而重，單根導線長幾十米，甚至幾百米，記錄時需要測試人員守候以控制曝光時間，且波形保存時間，后期量化處理難度大，誤差也大。

第二代爆破振動記錄儀是由檢波器、磁帶機或瞬態記錄儀［10］組成。它同樣需用幾十米或幾百米的信號傳輸電纜連接，工作量大，易出現系統誤差。磁帶記錄儀和瞬態記錄儀在波形處理上需要配接專用的分析儀器，因而價格過高。

第三代爆破振動記錄儀由檢波器和爆破自記儀組成［11］。這是國內目前使用較多的爆破監測設備，但爆破數據的傳輸為有線傳輸，不能滿足遠程實時監測的要求。

新一代的爆破振動記錄儀是由檢波器和無線網絡化爆破記錄儀組成，現場工作人員只需安裝好檢波器后記錄儀的開關，記錄儀自動記錄爆破數據，記錄儀的參數設置均可進行遠程設置，記錄數據無線實時發送到網絡中的數據庫，供有權限的相關人員分析和查閱。

2 工程爆破振動無線網絡化記錄儀

2.1 系統設計

工程爆破振動無線網絡化記錄儀包括檢波器、無線網絡化爆破記錄儀、中央服務器、終端監測管理系統。采用多路信號并行采集，實現了遠程實時監控區域內多個工程爆破點爆破情況。記錄儀內嵌的移動通訊模塊通過 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi網絡進行傳輸，爆破數據由指定中央服務器接收，中央服務器連接Internet網絡，用戶可在線登錄終端監測管理系統獲取爆破現場的數據資料。

工程爆破振動無線網絡化記錄儀如圖1所示。本系統能夠無線遠程監控多個爆破現場，如圖1中的爆破現場a，爆破現場 b，……，爆破現場n，區域內n個爆破點可同時被監控，被監控的爆破數據通過移動通訊模塊發送至服務器，用戶可輕松監測多點的爆破振動數據。

圖1 系統設計原理圖Fig.1 Principle of system design

2.2 硬件設計

工程爆破振動無線網絡化記錄儀的硬件設計框圖如圖2所示。無線網絡化爆破記錄儀包括依次連接的濾波電路、放大電路、A/D轉換器、ARM嵌入式處理器。ARM嵌入式處理器分別與移動通訊模塊、GPS模塊、RFID模塊連接。

爆破信號經過濾波電路，放大電路，由A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，并由嵌入式系統進行實時采集和儲存，以ARM為主控芯片的處理器對爆破信號進行實時數據處理和分析。ARM負責數據采集和數據發送，數據采集是在爆破現場安裝N路檢波器用于采集爆破振動信號，被采集的爆破信號接收于爆破記錄儀中，數據發送由移動通訊模塊發送給指定服務器。同時爆破記錄儀具有RFID唯一標識碼認證和GPS定位定時功能，保障了爆破數據的同步性和有效性。

2.2.1 移動通訊模塊

移動通訊模塊的硬件設計如圖3所示。移動通訊模塊包括移動通訊CPU及與之連接的指示燈模塊、電源模塊、狀態指示燈模塊、看門狗模塊、無線天線、SIM卡接口、RS232/485串口、存儲器模塊單元，移動通訊CPU與ARM嵌入式處理器連接。

圖2 硬件設計框圖Fig.2 Diagram of hardware design

圖3 移動通訊模塊硬件設計Fig.3 Hardware design for mobile communication module

移動通訊模塊通過 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi網絡進行傳輸，爆破數據由指定服務器接收。在沒有第三方無線網絡信號覆蓋時，可通過自建無線網絡，通過數字信號無線傳播模式，實現爆破數據的實時監測。管理人員能夠通過Internet網絡，登錄到終端監測管理系統對爆破記錄儀的測試參數進行設置，對實時數據和歷史數據進行查看和查詢，對實測波形進行分析和處理等。

2.2.2 通道切換電路

通道切換電路設計如圖4所示，包括依次連接的地址譯碼電路、開關電路和通道譯碼電路，通道切換電路與ARM嵌入式處理器連接。

通道切換電路通過數據幀來進行通道切換，ARM嵌入式處理器發送信號控制地址譯碼電路，將多路輸入切換至有效輸出。地址譯碼電路用于將多路輸入端信號地址轉換為開關電路可識別地址，開關電路進行通道電路開關切換，通道譯碼電路用來選擇有效的輸出通道，選中指定的端口，從而切換到相應通道上。

圖4 通道切換電路設計Fig.4 Design of channel switching circuit

2.3 軟件設計

工程爆破振動無線網絡化記錄儀的移動通訊模塊軟件流程圖如圖5所示。

圖5 移動通訊模塊軟件流程圖Fig.5 Software flow of mobile communication module

工程爆破振動無線網絡化記錄儀的軟件設計重點難點在于數據的實時傳輸，爆破振動數據的特點是數據時間短，數據量大，具有瞬時性。按照國家規定各級爆破企業均需配備爆破監測設備，然而對大多數企業而言配備專職測試人員有一定困難，每年的測試工作量也不大，若采用工程爆破振動無線網絡化記錄儀的用戶，就只需購買少量設備，如需同時測量多個測點時，可向系統管理中心租賃設備，由項目安全員在現場安置檢波器即可，其余的工作均可由終端監測管理系統完成。

2.4 系統測試指標

目前樣機正在測試階段，系統測試指標如下:振動速度范圍為±35cm/s，精度為±0.02cm/s;頻率響應范圍為5～300 Hz，精度為±0.1 Hz;采樣速率為5 kS/s;量程為±10 V;動態范圍＞80 dB;工作模式分為全自動運行模式和手動模式，2種模式都需要手動設置觸發閾值;通過設備USB口連接導出數據。工作溫度范圍為－10℃～60℃，鋰電池供電，適應長時間野外監測;爆破數據丟失率約為萬分之一，實時性在30 s以內，較好地實現了爆破振動的無線網絡化實時監測，滿足設計要求。

3 結語

工程爆破振動無線網絡化記錄儀采用嵌入式操作系統，以ARM為主控芯片，結合移動通訊模塊實現了工程爆破安全監測的無線遠程實時管理，相比有線傳輸網絡而言，大大降低了現場布線工作量，綜合成本低、組網靈活、可擴展性好、維護費用低，性能穩定。在任何能夠上Internet網絡的地方查看爆破數據，用戶僅需在終端用戶界面登陸即可獲取爆破現場的實時數據，保證了爆破數據的真實性和有效性，能夠遠程在線設置記錄儀參數。每臺記錄儀都有唯一RFID標識碼認證，并具有GPS精確定位功能。工程爆破振動無線網絡化記錄儀的設計進一步推動了爆破振動測試儀器的無線網絡化發展，在提高爆破數據傳輸的效率的同時保證爆破數據的真實性和有效性，從而使爆破振動監測技術發展提高到一個新階段。

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