遠程網絡智能檢測技術在土木工程中的應用研究

姚陶榮

（廣西壯族自治區建筑工程質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換梁結構。該高層建筑在建設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，本項目決定應用遠程智能檢測技術，通過土木工程監測系統的應用，對施工全過程進行有效監測。

2 遠程智能檢測技術在土木工程中的應用

2.1 總體設計

系統由控制器、分線器、主控機等組成，前端屬于硬件部分，采集數據信息，后端屬于軟件部分，對數據進行處理[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行信號傳輸。控制器還要與前臺通信設備連接，主控機命令可由其接收，同時還能對傳感器數據進行采集。傳感器數據可控制前臺控制器，實現數據的有效采集與處理[2]。

2.1.1 硬件功能

不同硬件的構成及功能見表1。

表1 不同硬件的構成及功能

2.1.2 存儲與讀取

存儲芯片為AT24C64，生產公司為Atmel。AT24C64 含有字節8 192 個，32 字節頁緩沖器，操作時要通過I2C 總線連接。I2C 總線的基本協議是I2C 總線為時鐘芯片與存儲芯片的串聯接口，總線可與慢速器件通信，由主控器件與多個從器件組成。I2C 總線的數據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、停止信號與應答信號。

2.1.3 時鐘

本項目選擇的時鐘為PCF8563，生產公司為飛利浦公司。該芯片在實際應用中優勢顯著，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，控制程序與數據庫是主要組成部分。VC++開發屬于控制程序，ACCESS 為數據庫。上機位的功能主要表現為：檢測指令、校準時間指令等可由前端控制器發送，在數據庫中存儲回傳的數據。

8～16 個單元與128～256 個回路組成一套小型檢測系統。下機位的智能控制算法由OID 參數模糊自整定方法予以確定，可調整參數，在無須預知數學模型中可適用。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；Ti為積分時間；Td為微分調節系數；t為時間。

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

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

2.2 軟件設計

2.2.1 后臺軟件總體設計

采用VC++開發控制程序，ACCESS 為數據庫。主程序、短信收發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

系統在運行之后，要對串口進行初始化，對手機模塊進行自動化監測，并開始自動運行。用戶在操作期間，可通過界面按鈕、菜單等進行相應的操作，然后進行初始化操作；系統出現故障時會出現提示，這樣用戶就能及時找到故障問題；數據由緩存器接收之后，通過信息的質量判斷，處理好數據，確保數據的精準性；用戶可通過系統的數據庫服務設置用戶權限，確保數據的安全性；在系統運行期間，用戶可通過程序登錄，可采取不同的操作方式。

2.2.2 短信收發模塊

1）RS-232 串口通信。規定數目的數據可在串口的接收緩沖區讀取，返回需超出設定時間。線程阻塞問題可能是由于設定時超時較長、接收緩存器數據較少引起的。在查詢時，可在進程中的某一線程定時對串口的接收緩沖區進行查詢。

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

2.2.3 數據庫設計與管理

采集站信息、測量數據、管理員信息數據是本系統所選擇的3 張表。在管理員信息表中包含的內容較多，由用戶密碼和管理級別組成，通過不同的管理級別，用戶可進行查詢、添加、修改、采集瀏覽數據信息等；ID 號、站點名稱等是采集站信息的主要內容，進入站點管理界面可通過一二級管理員進入進行操作；ACCESS 數據庫需使用Microsoft Accsess 予以建立，并將其名稱命名為Result，數據源為ODBC，將數據源Result添加到“用戶DSN”中，然后對顯示記錄集的網格格式ActiveX 控件。

2.2.4 遠程網絡傳輸

選擇PcAny Where9.0 方案實現遠程網絡傳輸監控的信息傳輸，控制端確定為PC 端微機，被控端可確定為現場的微機，上網可由電話線撥號實現。

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。對add modem 選項進行選擇，然后對TCP/IP 協議進行選擇，對通信串口進行選擇。將Login name 與password 填入，能確保本機的安全。被控端要合理設置，通過“Be A Host Pc”的選擇，對Modem 進行點擊，然后對話框彈出后，設置PcAny Where9.0，這樣可在本機開啟后自動執行。在設置遠程被控端時，可通過“Be A Host Pc”的雙擊實現，然后可將其設置為待命狀態。在登陸時為確定身份，可通過“Remote Control”實現。數據查文件的傳輸，可通過“File Transfer”與“Modem”實現。

2.2.5 前臺軟件實現

1）測頻儀。激勵電壓發生器由控制器（MCU）進行控制，由傳感器施加一個110 V 高壓脈沖，然后可與鋼弦產生作用力，這樣就可在控制器的作用下，放大整形傳感器產生脈沖信號，對頻率值進行讀取，然后換算后可得到采集的數值。

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完成。

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

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的裝置，其目的是測量，可對被測量數據之間的關系進行確定。對于輸出信號，經過傳感器的處理，可形成標準統一信號。本項目中所選擇的傳感器為鋼弦頻率式傳感器，該傳感器在應用中具有結構簡單、穩定性強的優點。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應力的變化得到，具體計算依據式（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力；L為鋼弦的長度。外來應力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為標定系數。

在土木工程領域，傳感器在安裝與應用時會受到環境的影響，且因為要對項目進行長期檢測，所以，需確保傳感器具備特殊功能，能承受壓力、拉力，能適應特殊的溫度與濕度環境。同時傳感器還要避免出現損壞，質量能得到保障，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中實現編程重新進行，遠程編程可通過調制調解器連接實現。P89C51RD2 的優勢顯著，在脈寬調制中得到廣泛應用。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，可由片內的Boot ROM實現。

4 結語

遠程智能檢測技術在土木工程中的應用，要求能從軟件、數據庫等設計入手，提升系統的整體應用效果，確保系統在數據采集、傳輸等各個環節的精準度。在系統構建期間，要結合實際情況，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），通過對系統建設應用過程的有效控制，強化對土木工程的高質量檢測力度，滿足土木工程檢測的實際需求。