時間：2022-07-21 03:21:37
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇溫度監測系統，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
摘要:光纖通訊是利用光與光纖傳遞訊息,它是有線通訊的一種。像我們所知道的,光經過各種方法進行調變后便能夠攜帶資訊,傳遞出訊息。溫度是現代生產過程中的一個非常重要的參數,要保證產品質量和生產安全就必須對溫度有一個相當的控制權。所以,本文就光纖通訊的遠程溫度監測系統研制進行下探討。
關鍵詞:光纖通訊 遠程監測 溫度監測 系統研制
1、研究光纖通訊遠程溫度監測系統的目的
光纖通信具有攜帶容量比較大,保存數據良好等優點。當今最主要的有線通信方式已經被光纖通信所占領。我們簡要介紹一下它的傳輸方式:首先將客戶需要傳送的信息內容在發送端也就是輸入端輸入到發送機中,然后通過一系列的方法將信息疊加或調制到作為信息信號載體的載波上,我們傳送的是一種光物質,然后將已調制的載波通過不同的傳輸媒質傳送到遠處的接收端,也就是最終客戶需要發送的地方,再而由接收機解調出原來的信息。知道光纖通訊的傳輸方式,我們也就知道光纖通訊的優點,不僅僅傳送量大,而且保密性良好。
溫度是現代生產過程中的一個非常重要的參數,它可以決定生產最后的產物。對于“溫度”這個概念,我們應該用全新的理念去解釋,它不同于以往單純的“溫度”,現在以一種溫度監測系統而存在。所以對溫度的監測是保證產品質量和生產安全的重要手段。目前,溫度自動監測技術在我國的工業生產中應用已非常普遍。這為我國的工業發展作出巨大貢獻。
但是,如何把光纖系統和溫度監測系統有機的聯系在一起,我們還面臨著問題。在工業上,大多數是采用有線的傳輸方式。但是,遠距離的線路鋪設,后期維護的成本過高,引線過長等等問題導致整個系統的傳輸速率變慢,功耗上升、穩定性下降。所以,我們要研制一套通信可靠有保證、運行穩定不出差、采集速度快速迅捷、自動化程度相對較高的實時溫度監測系統,保障系統的安全運行是非常必要的。
2、光纖通訊的遠程溫度監測系統的總體設計
2.1 設計緣由及案例分析
我們就拿油田的開采為例來說明光纖通訊的遠程溫度監測系統的總體設計。在油田中剛剛開采的石油一般都呈稠狀,在低溫下,油很容易凍結呈塊狀,從而把導管堵塞,所以在石油的輸送過程中我們必須對輸油管線采取伴熱措施,以確保石油的正常輸送。在冬季這種低溫情況下,石油堵塞管道時有發生,這就說明管線能否及時伴熱是管道能否正常輸送的關鍵因素。現在主要采用高溫蒸汽與高溫燃氣水套爐伴熱這兩種的伴熱方式,而伴熱設備是否正常工作的重要指標以溫度作為考核的。
現在對于伴熱線管道檢測所采用的方法主要是人工現場檢測各管線溫度,但是在冬天這種環境惡劣,溫度低下,工作量又相當龐大等因素的影響,會使工作效率降低,有時管道的堵塞等顯而易見的問題都難以及時發現。因此,在冬季溫度極低的情況下,必然有不安全隱患。就拿大慶石化為例,它的輸油管道伴熱線在我國東北嚴寒地區,這個地區冬季氣溫很低,而且會持續出現低溫現象,造成石油輸出的困難。所以,研制一套完善的遠程溫度監測系統我們迫在眉睫。
2.2 系統總體設計原理
我們就對東北某石化煉油廠內輸油管道伴熱線研制的一套遠程溫度監測系統進行分析。根據石化煉油廠的實際情況,確定了使用太陽能供電的光纖網絡通訊方案。對于系統的下位機部分,使用溫度傳感器與智能采集模塊,采集和處理信息信號。研究了一種便宜的,低功耗的近距離無線組網通訊技和網絡拓撲結構的特點,對各層幀結構及協議結構的工作原理進行分析與探討,通過設置和調試S02系列通訊模塊,我們完成低功耗的近距離通訊技術的遠端數據采集與傳輸這一艱難的技術。并且確定了光纖通訊網絡的架構和網絡通訊所必須的硬件設備,并完成了對各種硬件設備的設計與選用以及設備間相互通訊的調試,我們更采用互聯網這一新穎快速的工業組態軟件實現了對溫度監測系統遠程監測的目的。而在系統的上位機的監測部分,通過對軟件的需求及功能分析,在網際組態的基礎上開發和研制出中心監測這一重要軟件。這個軟件的開發,使得我們實現對溫度和濕度等重要參數的隨時監測、遠程攝像監測、超越界限報警、數據隨時記錄和查詢以及用戶個人管理等功能,并設計了一套令客戶滿意的監控界面。這個控制界面簡潔易上手。我們經過一段時間的試運行,發現這個系統具有這些優點:通信穩定沒偏差,傳輸速度很快,操作簡單上手,數據可靠有保證,系統運行正常,可以滿足伴熱線管道溫度監測的需求。
遠程控制我們可以采用系統:以低功耗,高性能CMOS8位系列單片機為控制單元,并采用Dallas單線數字溫度傳感器DS18820采集現場溫度數據而設計的遠程溫度控制系統。這個系統具有的優點如下:結構新穎、電路簡單而且方便控制,其監控的溫度范圍為-55℃～99℃,完全符合當地的溫度,溫度值顯示的精度為0.01,可以自由設置控制溫度的上、下限。如果系統超過設置上、下限溫度,該系統還可以自動報警。
3、光纖通訊的遠程溫度監測系統的應用
隨著科學技術的不斷發展,光纖通訊的遠程溫度檢測系統應用于許多領域。光纖光柵溫度在線監測系統是一種全新的在線溫度監測報警系統,具有防爆的特點;煤礦安全也成為社會關注焦點,煤礦中各類系統相互獨立,通訊簡單可靠,在煤礦遠程通訊中的CAN-bus已被西北東北多個地方采用,大大減少了煤礦事故的發生,光纖通訊遠程溫度監測系統應用于各個行業。
4、結語
相信,光纖通訊的遠程溫度監測系統應用于各行各業,它具有廣闊的應用前景。想獲得更高的更好的經濟和社會效益就必須加大光纖通訊的應用與推廣,讓更多的人去了解,去使用。只有不斷完善,才能更好地為社會為人民創造更多的利益。它的出現,不僅僅是科技的發展,更是社會的不斷向前推進。
參考文獻
[1]趙遠飛.光纖傳感器的輸油管道遠程安全監測系統研究.2012,07(11);79-81.
[2]胡艷兵,李良庚.基于光纖通訊的水庫流量檢測系統.2008,3(09);69-71.
【關鍵詞】電站；溫度；在線監測系統
1 系統概述
電站分A、B廠，總裝機容量240萬千瓦，安裝8臺機組。采用西門子S7 400的PLC從溫度傳感器直接進行數據采集，并將采集到的數據通過MODBUS發送到計算機監控系統，考慮需要將數據接入到辦公網絡，已在西門子S7 PLC中安裝網卡模塊。
針對電站溫度采集系統現狀，構建溫度在線監測系統的最終目的是實現機組溫度數據的采集，搭建數據實時顯示和分析，提供對機組運行狀態的實時顯示和溫度變化的分析，方便員工的遠程辦公以及進一步提升“無人值守”的電站管理原則，實現遠程辦公需要。
2 構建方案
硬件部分，在AB廠房機房各新增1臺工控機，通過局域網連與西門子S7 PLC連接，工控機另一端連接辦公網絡。服務器新增應用服務器，保證與新增工控機數據通訊正常，接收并保存工控機采集到的數據。
軟件部分，工控機端安裝專業工控軟件WINCC，通過WINCC配置測點，編寫的數據采集程序，采集WINCC中的測點數據并通過UDP協議發送至辦公網絡應用服務器。應用服務器端部署UDP數據接收程序、應用服務及開發新的應用程序，實時展現最新測點數據及其他統計分析功能。
系統數據源來自運行核心區，數據通訊采用單向UDP模式。工控機安裝有WINCC工控軟件，負責對S7 PLC進行硬件組態及對測點進行部署，工控機編寫有數據采集程序，連接WINCC軟件獲取測點數據并通過UDP協議往辦公網絡發送數據。
應用服務器安裝有UDP數據接收程序，接收并存儲工控機發送過來的測點數據供應用功能實時展現及其他統計分析使用。根據電力二次安防的防護要求，在工控機和應用服務器之間安裝增加隔離網閘，對生產區和信息區進行隔離。
數據通訊結構圖如下所示：
使用UDP協議進行數據傳輸，但是UDP本身是種不穩定的協議，為了保證數據能夠正確傳輸到服務器，避免數據丟失，設計UDP數據交互流程規則。
在發送收到數據至應用服務器之前會先與應用服務器進行第一次握手，即發送數據準備信號，當在一定時間內未收到應用服務器的確認信號，工控機重發數據準備信號，正確收到應用服務器確認信號，將收到溫度數據發送至應用服務器，服務器收到數據后，會將收到數據的大小返回至工控機，工控機收到會與發送數據大小做比較，如果數據大小一致，發送數據一致命令至服務器，然后等待下次數據傳輸，如果數據大小不一致，會通知服務器進行數據重新傳輸。
3 業務功能
根據實際生產的需求，系統的功能設計如下：
WINCC數據采集，工控機端部署數據采集程序，連接WINCC軟件采集其部署的測點數據，全部為設備的溫度量，包括：發電機冷風溫度、鐵芯溫度、線圈溫度、下導油溫、水泵油溫、發電油溫、推力熱油、推力冷油、推力瓦溫、水導瓦溫、水導油溫、主軸密封溫度、迷宮環上溫度、迷宮環下溫度、上導油溫、上導瓦溫等。
工控機數據發送與服務器數據存儲，應用服務器部署數據接收程序并進行存儲。通過UDP協議接收工控機端發送過來的最新數據，并對數據精度存儲進行定義，保存存儲的最新數據及時有效。
實時數據圖形顯示，基于圖型的方式實時顯示對應采集點的溫度數據，方便電站專業人員對上導、下導、水導等設備運行狀態的查看。
實時數據曲線顯示，提供以曲線的方式實時查看溫度的變化情況。
歷史數據查詢功能，統計分析功能實現以下幾個方面的功能特點：
各種數據統計報表功能
多種統計數據視圖曲線
快捷查詢某個測點歷史數據
溫度量可以任意查詢變量及時間
可選擇和配置各數據存儲時間和歷史存儲時間段，數據存儲默認為時間為5秒，但可以由用戶進行歸檔時間設定。
對于歷史數據可以分多種模式進行統計，如曲線圖形分析，數據報表分析等等。
4 結束語
通過構建溫度在線監測系統，對機組溫度數據進行采集，搭建數據實時顯示和分析，提供對機組運行狀態的實時顯示和溫度變化的分析，實現了遠程辦公的需要，對電站實行高效科學的管理具有積極意義。
關鍵詞：igBee；無線通信；CC2430；溫度監測
Warehouse Temperature Monitoring System Based on igBee Technology
CHEN Weige1,YAN Youyun1,CHEN Chaojun2
(1.Electrical Engineering and Autornation School,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,454003,China;[J]2.Jiaozuo Sanhelizhong Power Co.Ltd.,Jiaozuo,454003,Chinaオ
Abstract：The development of communication and sensor technology speeds up the stride in industrial automation forward.As a communication means,wireless technology has broad application perspective.This paper focuses on the study of igBee technology network topology and research on CC2430,using igBee technology to the storage temperature monitoring to remote monitoring purposes.eywords：igBee;wireless communication;CC2430;temperature monitoringオ
我國是一個農業大國，每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓，由于儲存不當造成大量的糧食浪費，給國家和人民造成巨大的經濟損失。為了減少損失，以往采取用人工的辦法定期對糧食進行晾曬、通風、噴灑藥劑等，防止因存儲不當引起蟲害，但這樣做消耗人力和財力，且效果不佳，發霉變質等現象仍然仔在。
隨著科學技術的發展，傳統的人工定期定點查看糧倉溫度的方法，已逐漸被電子監測溫度設備所取代。本文設計了一套糧倉溫度監測系統。采用igBee技術的無線通信網絡對倉庫各點溫度進行監測，管理者可以在控制室隨時了解倉庫現場的信息，使糧倉管理實現自動化、智能化。
1 igBee技術的分析與研究
在工業控制、環境監測、商業監控、汽車電子、家庭數字控制網絡等應用中，系統所傳輸的數據通常為小量的突發信號，即數據特征為數據量小，要求進行實時傳送，如采用傳統的無線技術，雖然能滿足上述要求，但存在著設備的成本高、體積大和能源消耗較大等問題，針對這樣的應用場合，人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無線通信技術。igBee技術就是在這種需求下產生的。它是具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術。
igBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。在igBee技術中，其體系結構通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供服務。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。igBee技術的體系結構主要由物理(PHY層、媒體接人控制(MAC層、網絡/安全層以及應用框架層組成，其各層之間如圖1所示。
PHY層的特征是啟動和關閉無線收發器，能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估，以及通過物理媒體對數據包進行發送和接收。MAC層的具體特征是信標管理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求，且為應用合適的安全機制提供方法。
igBee技術有星型和對等兩種拓撲結構，每種都有自己的組網特點。本設計根據系統特點，選用組網結構簡單的星型網絡結構，盡管該方式只能組建包含較少的無線接點的無線網絡，但已經能夠滿足系統的需要。
星型拓撲結構有一個叫作PAN主協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調器必須是一個具有完整功能的設備，從設備可以使完整功能設備，也可以是簡化功能設備。當一個具有完整功能的設備(FFD第一次被激活后，它就會建立一個自己的網絡，讓自身成為一個PAN主協調器。所有星型網絡的操作獨立于當前其他星型網絡的操作，通過選擇一個PAN標識符確保網絡的惟一性。―旦選定了―個PAN標識符，PM主協調器就會允許其他從設備加入到它的網絡中，無論是具有完整功能的設備，還是簡化功能的設備都可以加入到這個網絡中。在星形拓撲結構中，PAN主協調器是主要的耗能設備，而其他從設備均采用2節干電池供電。
2 系統硬件設計
2.1 igBee芯片介紹
CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上igBee產品。該芯片延用以往CC2420芯片的結構，在單個芯片上集成igBee射頻(RF）前端、內存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051，具有32/64/128 kB可編成閃存和8 kB的RAM，還包含模/數轉換器(ADC、幾個定時器、AES-128安全協處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路。
CC2430還有21個可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設定一組SFR寄存器的位和字節，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART部件的設備I/O口使用。其I/O口引腳功能如下：
1～6腳（P1.2～P1.7）：具有4 mA輸出驅動能力；
8，9腳（P1.0，P1.1）：具有20 mA的驅動能力；
11～18腳（P0.0～P0.7）：具有4 mA輸出驅動能力；
43～46，48腳（P2.0～P2.4）：具有4 mA輸出驅動能力。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2.2 系統硬件電路
該系統采用星狀無線網絡系統，系統只有一個網絡協調器和若干個RFD節點。網絡協調器安裝在有人值守的監控室，負責建立網絡和管理網絡，并顯示當前整個網絡的狀況，且把收到的數據發送到計算機中。RFD負責安裝在各個倉庫中，負責采集溫度值，然后定期或有中斷時，把數據發送給網絡協調器。監控人員在控制室通過顯示器就可以對倉庫溫度進行監視，無須到倉庫現場。
網絡協調器有CC2430、串口部分、天線、按鍵和顯示模塊組成。天線用的是非平衡天線，它與非平衡變壓器連接，使天線性能更好。CC2430模塊通過天線接收到信號后，通過SPI口直接輸出到液晶顯示器上。串口部分用UART模塊，UART再外接一個RS 232模塊用于連接計算機，給計算機傳輸數據，將計算機外部來的串行數據轉換為字節，供計算機內部使用并行數據的器件使用。所連接的計算機的作用是用來觀察串口輸出的數據。
RFD節點有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節點通過溫度傳感器TC77檢測所處環境的溫度，然后通過天線發送給網絡協調器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產的串聯可訪問數字溫度傳感器，特別適合于廉價，小尺寸的應用中。溫度數據從內部溫度敏感元件轉換而來，隨時都可以轉化成13位數字。
為了減少對其他設備和系統的干擾和影響，在保證設備能夠正常地工作的條件下，每個設備的發射功率應盡可能地小。通常，igbee的發射功率在0～+10 dBm,通信距離范圍為10 m，可擴大到約300 m，其發射功率利用設置的相應服務原語進行控制。本設計中RFD節點的最小發射功率為-3 dBm。
在網絡協調器端，為保證設備能正常接收到RFD節點發射的信號，其有用信號不能太大，否則，將造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信號的最大輸入電平就是有用信號的最大功率值，本設計接收機的最大輸入電平值為-20 dBnb。
3 系統軟件流程
系統軟件分主機和分機兩部分，主機作為全功能系統，負責網絡協調和人機對話，分機作為簡單功能系統，等待主機命令，傳輸本機點數據。其系統流程如圖2所示。
4 結 語
igBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，其有廣泛的應用前景。該系統是在歸納國內外研究成果的基礎上，采用igBee技術構建的無線傳感器網絡，實現對倉庫溫度的監測，具有組網簡單、系統花費少、擴展網絡容易、通訊穩定、無需支付網絡費用等優點。在實際中有很好的應用價值。
參 考 文 獻
［1］李文仲，段朝玉.igBee無線網絡技術入門與實戰［M］.北[LL]京:北京航空航天大學出版社,2007.
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［3］孫利民，李建中，陳渝,等. 無線傳感器網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005.
關鍵詞：力設備;智能化;無線技術;溫度;數據收集
Abstract: Electric power equipment in normal working hours will have a fever, lines, equipment at the connection of this phenomenon will be more obvious, so long will accelerate haven line of power equipment such as aging, caused by electrical equipment insulation performance, coupled with the external environment to the port power equipment negative effect, it can cause the aging phenomenon aggravate, serious can cause serious accident, cause irreparable injury to personnel or major economic loss. In order to solve the above problems, the port electrical equipment intelligent wireless temperature monitoring system emerges as the times require.
Key words: power equipment; intelligent; wireless technology; temperature; data collection
中圖分類號：TM41
1.智能無線溫度監測系統的工作原理
智能無線溫度監測系統被設定成三個子系統，分別是采集系統、匯總系統、監測系統。三個子系統通力協調工作，實現了港口電力設備溫度的實時、準確、便捷的智能無線監測。
智能無線溫度監測系統的三個子系統間的連接方式是不同的，無線通信方式是應用于采集系統和匯總系統之間，而通信線纜則是使用在匯總系統與監測 系統之間，即一個無形，另一個有形。對應部位的熱感應元件將其所監測到的溫度信息通過無線通信設備傳輸到匯總系統的總站，總站將會對收集到的所有溫度信息 進行分類整理、分析并處理，再將處理完畢的數據信息傳輸到監測系統的監測計算機上。同時，調節端監測計算機也將收到同樣的數據信息。監測計算機對接收到的 數據信息進行二次處理分析，當處理所得數據結果超高設定的極限值時，監測計算機就會發出警示信號。每個總站可以管理數百個子站，信息量的采集將是非常巨大 的。
2智能無線溫度監測系統的組成
2.1采集系統
通過將熱敏電阻、傳感器等熱感應元件安裝在容易因工作而產生不正常散熱的部位，實時的對溫度數據進行測量與采集工作，并將采集到的信息發送出去。交流電作為長期供能電源及太陽能電池板作為的后備電源（確保突然斷電后的數據持續收集的）是采集系統的正常工作的依靠。
2.2匯總系統
信息匯總系統主要由無線接收裝置構成，在收集到采集系統所傳遞而來的數據信息后，再傳遞給總站，總站接收到分站的溫度數據之后，繼而再將其傳遞給當地監視系統，與此同時還將溫度數據傳遞給調節終端。實時溫度變化同樣被調節終端監視，如此便避免了無人監測的情況。
2.3監測系統
監測系統又可以細分為站級監測系統和調節端監測系統。用于監測系統的計算機直接接受總站所傳遞的溫度信息等數據，并與總站是直接通信的關系。 監測計算機對總站所傳遞來的數據信息進行匯總、整理、分析后，存儲于特定的數據存儲庫（可以對數據庫進行靈活改動，比如擴容）。監測計算機可以對數據信息 進行報表統計，準確記錄處于何時、何地、何種狀況下的溫度情況。同時，監測計算機在溫度越過某一設定極限值時會有警示信號出現。監測計算機的另一個便捷之 處在于，可以根據需要進行任何時間段的任何部件的溫度查詢。調節端監測系統的數據信息傳輸用到的是匯集系統的通訊管理器，通過數據傳輸線纜直接傳輸到 PCM設備之中，在經過線纜轉送給調節端，經PCM的數據信息還可以作為存儲資料被下載到調節端監測計算機。
3.智能無線溫度監測系統的特點
3.1免于布置排線
因為采用了無線傳輸設備，所以不用布置排線，熱感應元件的安裝更方便。
3.2免于經常的維護
智能無線溫度監測系統都是整體化設計，所以免于維護。
3.3節能
智能無線溫度監測系統的各個部分均采用節能、低功率消耗設置，同時應用太陽能電池板更是綠色節能。
3.4警示系統更完善
當溫度過高時，總站智能終端電源，后臺監控系統能夠及時發出警報。
3.5穩定性更高
智能無線溫度監測系統中的設備均有堅實的外殼保護，同時又有靜電保護。數據在傳遞過程中安全、穩定，能夠抵抗外界的干擾。
3.6具有較好的兼容性
能夠應用更多的應用軟件和控制系統。
4.智能無線溫度監測系統與傳統監測間的對比
4.1智能無線溫度監測系統由于裝有位于各個需要測量的部位的熱感應元件的幫助，這使得數據的采集與監測具有了實時性、連續性和準確性的優點，通過對每年、月、日甚至每小時的溫度數據的變化情況，總結出港口電力設備不同部位的相應溫度的變化規律，確定出其溫度規律的峰值，有效的對港口電力設備的工作 穩定性就行預見性分析，消除潛在的威脅。而傳統的港口電力設備溫度的監測是依靠監測人員定期的監測與測量才能得出的，傳統的港口電力設備溫度的監測耗費大量的人力 物力，由于人類生理的局限性，所測得的數據存在不確定誤差，甚至會出現錯誤，而且潛在的故障威脅不能及時發現并作出應有的處理，致使出現不必要的人員或財 力的損失。
4.2智能無線溫度監測系統對數據的處理速度以及對故障的預見性分析是人類所不能比擬的，其所存儲的數據信息能夠被極其方便的調閱，對數據信 息的存儲量也是相當的巨大。而傳統的監測數據信息要進行存儲就需要建立專門的存檔管理機構，而且常年所存儲的信息量是無妨想象的，要對某段數據進行查閱也 是極為不便的，費時費力，極不現實，而智能無線溫度監測系統則解決了上述所存在的所有問題。
4.3智能無線溫度監測系統的應用軟件簡單，操作方便，減少人員培訓上崗時間。而傳統的監測測量則需要專門的工作人員進行培訓。
5.智能無線溫度監測系統的后臺監控功能
5.1熱感應元器件所監測的部位的溫度能夠實時的傳遞給監控計算機并于顯示屏上呈現出來，出現警示溫度時的時間及故障位置都會以數據的形式保存起來，保存期限可長達數年。
5.2可設置警示音的類型，如可以以真人語音的形式播報出來或者以文字警示的方式顯示到屏幕上。
5.3監測計算機所監測到數據信息可以以年、月、日等為單位用線性圖或者表格的形式一目了然的展現出來，也可以直接抽查或打印出來。
5.4當智能無線溫度監測系統中的任何部件出現問題時（如電源故障、信號傳輸中斷等），都會有警示出現，及時警示給工作人員。
5.5都可以實現對監測位置的編碼、命名處理，方便系統化管理。
6.智能無線溫度監測系統國內外現狀
在國外許多國家，智能無線溫度監測技術的發展極為迅速，它被廣泛應用到了人們生活中的吃穿住行。當傳統的監測方式產生多年后，智能無線溫度監 測系統在萬眾期待中登上了歷史舞臺，監測技術從此掀開了新的一頁。現今已經不僅僅局限于港口電力設備的維護方面了，精密生產線、醫療系統、農業方面都已成熟融 合。智能無線溫度監測系統在電力方面的應用，也是國外首創的。
關鍵詞：自充電模式； 溫度監測； ZigBee； 倒F天線； 壓電微能源
中圖分類號： TN98?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0099?04
ZigBee?based wireless temperature sensing and monitoring system
with self?charging ability
WANG Erwei， CHOU Xiujian， LIU Li， ZHANG Peng
（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract： Since the traditional temperature monitoring system has the problems of high energy consumption， high cost， large volume and complex routing， a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed. The system′s power is supplied by its lithium battery directly in normal circumstances. In the vibration environment， the environmental vibration mechanical energy collected by the piezoelectric micro energy is converted into the electrical energy to charge the lithium battery. The low?power consumption chip CC2530 and peripheral devices are used to build the hardware circuit. The Z?stack compiling software developed by TI company and IAR Embedded Workbench software are employed to design the upper computer with LabVIEW software. The temperature data is received and sent by virtue of the small?volume inverted?F antenna （IFA）. The test results show that the transmission distance of the system can reach up to 80 m in the open area， the system can read the temperature in the needing monitoring area through the upper computer in real time， and has a certain reliability.
Keywords： self?charging mode； temperature monitoring； ZigBee； inverted?F antenna； piezoelectric micro energy
0 引 言
在科技迅速發展的今天，無線傳感網絡（WSN）顯得尤為重要。它由各種傳感器節點組成，相互之間進行無線通信，將感知到的結果呈現給觀察者。無線傳感網絡也被美國著名雜志《技術評論》列為對人類生活產生影響的十大新興技術之首[1]。作為一種新興的網絡技術和產業模式，物聯網成為信息領域一次重大的發展和變革，受到國內外廣泛的關注[2]。它通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡[3]。ZigBee技術是開發物聯網可以用到的一個組網技術，具有省電、可靠、廉價、時延短、網絡容量大、安全的優點[4]。借助TI公司開發的Z?Stack協議棧，就可以較為方便地進行編程。基于這種技術，考慮到環境中存在著浪費的振動機械能，開發一套簡單的低成本、小體積且具有自充電能力的無線溫度監測系統其具有一定的現實意義，如應用在礦井下煤機上來監測其在工作時轉軸的溫度變化。本文主要通過芯片LT3331進行電源管理，由鋰電池供電并可在振動環境實現自充電，利用測溫范圍為-55～125 ℃的可編程數字溫度傳感器芯片DS18B20和射頻芯片CC2530來完成溫度數據的采集和無線傳輸，最終由計算機串口來讀取溫度數據，進行監測。
1 總體功能框架
在正常情況（環境中無振動）下通過鋰電池給無線節點供電，保證溫度傳感器和射頻單元的正常工作；在振動環境中，利用壓電微能源收集環境中的振動能，給鋰電池充電，實現自充電。通過ZigBee技術實現無線數據傳輸，最終由上位機進行監測，如圖1所示。
2 電源模塊
本系統選用Volture系列的V21B壓電式振動微能量采集器為節點供電，其體積小、可靠性好、靈敏度高、壽命長。當環境中有振動時，該采集器收集振動機械能，利用壓電效應，將其轉換為電能為節點供電[5?6]。它包含4個引腳，通過串聯方式輸出較大電壓，通過并聯方式輸出較大電流。采用串聯方式獲取較大電壓，通過給振動臺測試系統設置1 g垂直方向加速度來測試能量采集器的電學輸出性能。從8～200 Hz進行掃頻測試，觀察其諧振頻率。測得器件輸出電壓與振動頻率的關系如圖2所示。通過測試：在8～200 Hz振動頻率范圍內，器件開路輸出電壓范圍為0.124～13.204 V，并在諧振頻率41 Hz下輸出達到最大。
能源管理部分采用LTC3331芯片，根據外部環境振動狀況和電池電量狀況，LTC3331內部輸入優先級排序器控制選擇降壓轉換器或降壓?升壓轉換器，完成環境采集能量輸入模式和電池輸入模式的切換。當處于振動環境時，壓電式環境振動能量收集器采集振動能量，電容上開始積累電荷，當Vin電壓高于UVLO上升閾值時，降壓轉換器激活，LTC3331采用環境能量輸入模式為Vout供電，同時內部并聯電池充電器為鋰電池充電；當Vin逐漸耗盡至UVLO下降閾值以下或無振動時，能量輸入模式切換為電池模式供電。基于LTC3331的能源管理電路如圖3所示。
3 射頻模塊
作為發射和接收電磁波的一個重要無線電設備，天線自然也是無線通信系統中的重要一環，它的性能將直接影響到通信系統的品質。對于所設計的無線溫度傳感監測系統來說最重要的就是射頻模塊，它的好壞直接影響到溫度數據的傳輸質量，尤其是天線部分。本模塊采用CC2530與IFA天線相結合。
3.1 原理圖
如圖4所示，本原理圖主要涉及射頻模塊CC2530芯片及其元器件分布以及巴倫電路。本系統采用的是CC2530F256，即具有256 KB的FLASH存儲器。此外，CC2530十分適合需要超低功耗的系統。在原理圖中，元器件在滿足芯片功能的情況下還有濾波及去耦的功能，巴倫電路能使射頻芯片和天線更好地實現阻抗匹配。該電路包含兩個晶振，分別為四引腳32 MB和兩引腳32.768 kHz，CC2530選用兩個晶振確保電路正常工作，X1是主晶振；X2是可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用。P0口、P1口和復位等均全部引出。
3.2 天線部分
考慮到小體積，天線部分沒有采用一般的外置天線，而是印刷在PCB電路板上的倒F（Inverted?F Antenna，IFA）天線。不僅具有交叉極化特性，而且具有等向輻射性[7]。本系統使用的倒F天線的原型是單極子天線，具有體積小、結構簡單、易于匹配和制作成本低等優點，這是本系統選擇它的主要原因。
所用倒F天線用HFSS軟件進行建模并進行仿真，模型如圖5所示。基板選用的是PCB中最常用的玻璃纖維環氧樹脂（FR4），其相對介電常數=4.4，損耗正切=0.05。天線位于模型中介質層的上表面，用一個矩形理想導體平面來代替過孔與地相連[8]。各部分具體參數如圖6所示，H=4 mm，S=5 mm，L=16 mm。
仿真結果如圖7所示，S11參數如圖7（a）所示，可以看出天線的諧振頻率非常接近2.45 GHz，滿足ZigBee可使用的2.4 GHz的ISM頻段，10 dB帶寬約為400 MHz。在諧振頻率點時，S11=-34.81 dB。在射頻微波頻段，使用的饋線通常是50 Ω標準阻抗。所以天線的輸入阻抗盡可能在50 Ω，保證在工作頻帶內能有盡可能小的駐波比。通過查看天線輸入阻抗結果報告，如圖7（b）所示，可以看出天線的輸入阻抗為（51.279 1-1.097 2j） Ω，與50 Ω已非常接近。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發射機的阻抗不匹配，高頻能量就會發生反射折回，并與前進的部分干擾匯合發生駐波。通過仿真，電壓駐波比為1.033 8。圖7（c）為天線平面增益方向圖，仿真結果最大增益為2.893 4 dB。
3.3 電路板
最終設計射頻模塊電路板為30 mm×37 mm，厚度為1.2 mm，相比外置天線體積上小了很多。在設計電路板的過程中，過孔的增多和巴倫電路部分元器件的擺放非常重要，會直接影響到天線的傳輸質量[9]。本設計鋪銅厚度為35 μm，布線寬度為10 mil，模塊PCB圖如圖8所示，實物電路板如圖9所示。
4 程 序
程序借助TI公司的Z?stack協議棧，大大簡化并節省時間，系統所用的編譯軟件為IAR Embedded Workbench，它是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發的一個集成開發環境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片群似教āIEEE 802.15.4標準定義了ZigBee協議棧的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4標準的基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）框架。
波特率為576 000 B/s，每隔2 s發送一個溫度數據，通過接收機實時接收溫度數據給上位機，通過上位機實時讀取溫度數據。部分程序如下：
溫度數據接收程序：
static void appDataRx（） {
BYTE i；
basicRfConfig.myAddr = LIGHT_ADDR；
if（basicRfInit（&basicRfConfig）==FAILED） {
HAL_ASSERT（FALSE）； }
basicRfReceiveOn（）；
while （1） {
while（！basicRfPacketIsReady（））；
if（basicRfReceive（pRxData， APP_PAYLOAD_LENGTH，
NULL）>0） {
if（pRxData[0] == WENDU_CMD ） {
for（i=0；i！=4；i++） {
Tx_buffer[i]=pRxData[i+1]； }
UartTX_Send_String（UartData，5）；
UartTX_Send_String（Tx_buffer，APP_PAYLOAD_
LENGTH?1）；
halLedToggle（LED_BlUE）；
Wait（1）；
halLedToggle（LED_BlUE）；
} } } }
5 溫度顯示
上位機界面計劃采用LabVIEW軟件來設計，它是目前國際上惟一的編譯型圖形化編程語言，把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能（圖形），使用線條把各種功能連接起來的簡單圖形編程方式[10]。由它設計出的界面相當的直觀漂亮。在底板上通過PL2303芯片實現串口轉USB。該芯片是Prolific 公司生產的一種高度集成的RS 232?USB接口轉換器，它的高兼容驅動可在大多操作系統上模擬成傳統COM 端口，并允許基于COM 端口應用可方便地轉換成USB接口應用，通信波特率高達6 Mb/s。使用的溫度傳感器為DS18B20，精度為±0.5 ℃，與CC2530芯片的VCC，P0.6，GND三個引腳相連接[11?12]。將裝有DS18B20的發射機置于需要監測溫度數據的區域，它會每隔2 s發送所處位置的溫度數據，接收機在一定范圍內就能通過電腦串口實時讀取相應的數據，如圖10所示。
最終在開闊的場地和振動臺測試，發現當發射機與接收機的距離為80 m時，溫度數據仍然可以被較為準確的監測，表明該系統具有一定的可靠性。
6 結 語
本文對基于ZigBee的無線可充電溫度監測系統從硬件原理圖到無線節點程序設計再到上位機都進行了比較詳細的介紹。由于測試條件有限，只是在正常情況下和振動臺上測得節點最大有效距離為80 m，在振動環境中微能源能為鋰電池進行續航，實現自充電。但是，系統并未在實際環境如礦井下的煤機上進行實測，距實際應用還有一定的距離，能夠為一些惡劣環境尤其是振動環境的溫度監測提供設計依據。
參考文獻
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【關鍵詞】 CAN總線;DS1820數字溫度傳感器;自動測試系統
一、系統工作原理
(一)CAN總線的特點和工作原理
CAN(controller area network)是一種先進的串行通信協議,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線是一種多主站總線,各節點都有權向其它節點發送信息。通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。它可以通過簡單的協議,實現在電磁干擾環境下的遠距離實時數據的可靠傳輸,且硬件成本較低。主要特點可概括如下:CAN總線任一節點均可在任一時刻主動向網絡上的其它節點發送數據,不分主從;CAN總線上的節點可分為不同的優先級,可以滿足不同的實時要求;借助接收濾波實現多地址的幀傳送;數據采用短幀結構,受干擾率低,數據幀的信息CRC校驗及其它錯誤檢測措施;發送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發;對于嚴重錯誤具有自動關閉總線功能,使總線其它操作不受影響。
CAN總線的接收數據長度最多為8個字節,因而不存在占用總線時間過長的問題,可以保證通信的實時性。通信速率最多可達1Mbps(通信距離40m),通信距離最遠可達10km(傳輸速率5kbps)。通信介質可以是同軸電纜或光纖,甚至可以是雙絞線,其硬件接口簡單,編程方便,系統容易集成。基于CAN總線的以上特點,它特別適用于系統分布比較分散、實時性要求高、現場環境干擾大的場合。智能節點能夠采集現場數據,并根據接收到的命令或者主動將數據發送到CAN總線。通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節點從總線上接收哪些數據或命令。如果某些數據需要進一步復雜的處理,則上位計算機可以從總線上接收數據。當上位機需要對某個節點施加控制動作時,可以采用點對點方式與該節點通訊;當它要同時對所有節點施加控制動作時,可以采用廣播方式將命令發送到總線。這樣當系統正常運行時完全可以沒有上位機的參與。大大減少了數據的傳輸量,同時提高了系統的實時性和可靠性。
(二)DS1820數字溫度傳感器特點
DS1820是美國DALLAS公司生產的一種溫度測量傳感器,以數字形式串行輸出溫度測量值,改變了以往溫度傳感器需要加A/D轉換器才能轉換為數字量的模式,可直接與單片機連接,接口電路大大簡化。DS1820的64位ROM存放著序號,前8位是產品類型編號,接著的48位是每個DS1820的唯一序號,最后8位是前美國微芯公司的PIC18F458 單片機集成了CAN 通信接口,執行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協議。它能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B 協議的舊版本和CAN2.0B現行版本。使用PIC18F458 單片機的嵌入式系統,可以很方便的利用CAN總線與外界進行數據交換。它的優點是電路接口比較簡單,只需很少的電路就可實現CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實現所需功能,只需對相關寄存器進行正確設置即可。
DS1820的特點如下:僅一條線便可以完成讀或寫數據,一條總線上可掛任意多個DS1820 不需要外接元器件;溫度測量范圍為-55℃～125℃,分辨率為0.5℃;溫度轉換為數字量的時間為1s(典型值),DS1820含有兩個字節的寄存器,第一個存放著溫度值的符號,如溫度為正則全為1,否則全為0。第二個存放著溫度值的補碼。具體計算如下:先將寄存器中的溫度數字量求補,再轉換為十進制并除以二,即得被測溫度值。
二、系統的硬件構成
系統硬件由PIC18F458 單片機為控制核心,通過并行DS1820溫度傳感器,檢測出通風機測點溫度,通過PIC18F458單片機信息處理,由CAN 通信接口信號處理器MCP2551進行遠距離信號傳輸,系統通過LCD1602進行就地溫度顯示,同時溫度信號通過MAX232串口與PC機進行組態監測顯示。系統還具有溫度超限報警功能。美國微芯公司的PIC18F458 單片機集成了CAN 通信接口,執行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協議。使用PIC18F458 單片機的嵌入式系統,可以很方便的利用CAN 總線與外界進行數據交換。優點是電路接口比較簡單,只需很少的電路就可實現CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實現所需功能。
三、系統的軟件設計及抗干擾設計
1.初始化CAN 控制。在使用CAN 之前,必須對它的一些內部寄存器進行設置,如CAN 控制寄存器CANCON、波特率寄存器BRGCONx 的設置以及對郵箱進行初始化(初始化流程圖如圖1 所示)。
2.信息的發送。PIC18F458 有3 個發送郵箱緩沖器,每一個發送緩沖器的數據長度可以設置為1～8 個字節長度,信息發送的具體步驟如下:(1)初始化發送郵箱;(2)設置相應的發送請求位為1,即TXBxCON bits.TXREQ=1(x=1,2,3);(3)若CAN 總線允許發送,則啟動最高優先級信息的發送;(4)若發送成功,則TXREQ 被清零,TXBxIF 被置1,如果中斷被使能,則會產生中斷;(5)若信息發送失敗,則TXREQ 保持為1,并置位相應的狀態標志。
3.息的接收。IC18F458有2個具有多重接收濾波器的完全接收緩沖器和1 個單獨信息組合的緩沖器。接收郵箱初始化時,要設置其標識符及相關的屏蔽寄存器、接收優先級等。MAB 寄存器接收所有來自總線的下一條信息,RXB0 和RXB1 則接收來自協議驅動的完整信息。MAB 接收所有信息,只有滿足過濾條件的信息才被傳送到RXBx 中。程序實現的是發送緩沖器0向接收緩沖器0發送數據的正常模式,其中接收采用中斷方式,發送采用查詢方式。
煤礦通風機主軸溫度自動監測系統運行一年的情況表明,系統信號傳輸距離長,信號傳輸質量高,系統抗干擾能力強,工作穩定。
參考文獻
關鍵詞：涵閘工程；溫控防裂；自動化數字測溫系統；混凝土絕熱溫升；水化熱參數
中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0177-06
Abstract：To control the temperature and prevent cracks of concrete in culvert projects，we developed a fully automatic digital temperature measurement system.The hardware was composed of digital temperature sensors，an acquisition unit，and GPRS DTU.The software part included the central server and client software.The system has realized unattended operation，multi-point remote measurement，and real-time data sharing within the coverage of GPRS public wireless network.It is small in size，requires no wiring，runs steadily，and has high accuracy.Through several practical applications，it was proved to be stable and reliable.Based on the measured data and the numerical calculation of 3D unsteady temperature field，we retrieved the hydration heat parameters of a specific project.The specifications for P.O 42.5 were：m= 0.69，n= 0.56；and the inverted results were：m=1.85，n=0.79.According to these two groups of parameters，we calculated the 3D temperature stress，and obtained completely different results.The former did not exceed the standards，but the latter exceeded several standards and required crack-control measures to ensure the safety of the structure.Therefore，temperature monitoring and parameter inversion are very necessary for practical projects.
Key words：culvert project；temperature control and crack prevention；automatic digital temperature measurement system；adiabatic temperature rise of concrete；hydration heat parameter
中型水工涵l工程面廣量大，經常出現混凝土施工期溫度裂縫[1-3]。此類工程溫控防裂經費投入非常有限，一般沒有條件針對具體工程進行絕熱溫升試驗，溫度場溫度應力計算所需要的絕熱溫升曲線一般采用規范公式[4]。近年來，由于水泥生產工藝的改進，水泥細度和比表面積增加，使得水化熱釋放速度加快，與規范推薦的計算公式相比較偏差很大。對于土基上的涵閘工程，底板部位一般不會出現裂縫，裂縫一般出現在底板以上具有強約束的墩墻部位[5]。為了準確確定混凝土絕熱溫升，一般對先期澆筑的底板進行混凝土溫度監測，記錄其溫度變化過程，由此反推混凝土絕熱溫升，作為后期墩墻不穩定溫度場和溫度應力的計算條件。因此，開發高精度、高性價比的自動化測溫系統對涵閘溫控防裂設計是非常必要的。
自動化測溫系統在大壩工程中已經普遍采用，一般由后方服務器、通訊光纖、信號轉換設備、NDA 數據采集模塊、自動化監測專用電源線等組成[6-8]，但是這類系統并不適用于中型涵閘工程。大壩測溫系統服役時間長，往往需要數年的運行時間。為了確保傳感器的高可靠性，使用的傳感器多為熱敏電阻感溫元件[9]，一般是模擬信號輸出，在采集單元中進行模/數轉換，精度較低。此類系統可靠性高，但結構復雜[10-12]，鋪設線路工作繁瑣，投資大，對一般涵閘工程沒有條件也沒有必要。
涵閘工程施工期一般為1～2年，混凝土結構的壁厚一般在0.8～2.5 m范圍內，溫度變化過程從澆筑溫度上升到最高溫度再下降到準穩定溫度一般在一個月左右，最長不超過三個月。本文針對涵閘工程的測溫需求，成功開發了一種高精度、高密度、高性價比的全自動測溫系統，并在工程中得到成功應用。根據測量數據反演得到水化熱參數，在此基礎上溫控防裂數值模擬，根據數模結果采用相應的溫控措施，取得了預期的防裂效果。
1 混凝土溫度自動監測系統
本項目研制的混凝土全自動測溫系統由溫度傳感器，數據采集模塊，GPRS數據傳輸模塊，中心服務器軟件，桌面客戶端軟件構成，系統結構見圖1。1.1 數字溫度傳感器
DS18B20數字溫度傳感器（圖2）在數字測溫計、測溫儀、倉庫溫度采集系統中廣泛應用[13-15]，但用于混凝土溫度測量尚不多見。選用該傳感器的理由是其性能指標符合混凝土短期溫度量測要求，高精度溫度測量范圍在-10 ～ +85℃之間，恰好在混凝土囟缺浠范圍之內，精度為，高于常用的熱電阻和熱電偶。另一優勢是其內部適配了微處理器，可將溫度信號直接轉換為數字信號，實現了與單片機的直接接口，從而省去了復雜模/數轉換電路，避免了線纜電阻對精度的影響。因此選用DS18B20數字溫度傳感器組成混凝土測溫系統的一部分是比較理想的一個選擇。
1.2 溫度數據采集模塊和GPRS數據傳輸單元
溫度數據采集模塊采用51系列單片機，模塊擁有LED四字數碼管（圖3），可以循環顯示傳感器相關信息，包括傳感器總數量，有效編號傳感器數量，各個傳感器的編號及采集的溫度值等，現場也可以通過數碼管查看所測數據。數據采集模塊提供了RS485總線接口，可以達到多個模塊通過485總線共同組網的應用，并且能夠實現500 m（或更遠距離）單總線數據傳輸，同時驅動30個單總線溫度傳感器。
GPRS數據傳輸單元（GPRS DTU）是通過GPRS網絡將串口數據和IP數據互換進行長距離傳送數據的無線終端設備。后臺不需要計算機支持，充分發揮了GPRS網絡永遠在線、快速接入的優勢，性價比很高，穩定可靠。GPRS DTU的構造見圖4。
1.3 中心服務器軟件
自主開發的中心服務器軟件TCP Water是一個TCP轉發程序，它運行在一個具有公網IP地址的服務器上（項目長期租用阿里云的一臺云服務器）。TCP Water在監測期間一直保持運行狀態，等待現場數據傳輸模塊和桌面客戶端程序的主動連接。其功能是在現場采集單元和客戶端之間起到中間人作用，其本身不存儲數據，來自客戶端的測量指令立即發往現場采集單元。采集單元返回的溫度數據立即發往客戶端。
1.4 桌面客戶端軟件
測溫系統的客戶端軟件界面見圖5，具有以下功能。（1）發送測量指令，可以設置隨時測量和自動測量，測量間隔5 min到24 h任選。（2）接受現場溫度數據，以表格形式進行顯示，表頭可以設置傳感器的名稱位置等信息。（3）以圖形顯示溫度變化過程線，數據保存，打開，編輯功能（圖5）。（4）一對多連接模式。一個現場監測點的所有數據可以在不同的地點進行查看和管理，項目業主、施工單位、工程監理可以同時查看現場數據。不受距離的限制，實現現場無人值守的遠程監測。
2 工程應用與混凝土水化熱參數反演
此測溫系統在江蘇省運東船閘、西直湖港泵站等工程進行了多次實際應用，分別對船閘上、下閘室底板、輸水廊道、流道側墻，頂板等部位進行測溫。在使用中每個采集模塊接入5～10個溫度傳感器用于測量一個斷面上的溫度分布和大氣溫度的變化過程。結果表明系統運行穩定可靠，測量間隔設置在10 min/次，準確獲得了澆筑后溫度上升和下降的過程。建設單位、施工單元和科研單位可以同時查看實時的測量結果。
以下根據實測數據對混凝土實際水化熱參數進行反演分析。
2.1 規范指數式絕熱溫升曲線
根據《水工混凝土結構設計規范 SL191-2008》，混凝土在齡期t時的絕熱升溫Tt可用式（1）計算
工程采用普通硅酸鹽水泥42.5級水化熱參數和工程實際配合比，每立方米凝膠材料用量為340 kg，摻入20%粉煤灰；取比熱C=0.017 kJ/（kg?℃），密度ρ=2 400 kg/m3。計算得到的絕熱溫升曲線見圖6：
可見規范計算得到的溫升曲線較平緩，在齡期2 d時溫升接近絕熱總溫升的60%，6 d達到90%，30 d溫度基本穩定，最大溫升為42 ℃。
2.2 實測混凝土核心溫升曲線
采用本文開發的測溫系統對運東船閘底板和側墻澆筑前后的溫度進行監控。運東船閘幾何模型及測點布置見圖7。實測底板的溫度曲線見圖8（測溫系統在澆筑開始前24 h開機，澆筑溫度為25 ℃），虛線是根據規范參數計算的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線。
由于實際工程中混凝土存在表面散熱，顯然實測溫度曲線在升溫階段的任何時刻都不應該陡于絕熱溫升曲線。但是通過本文監測數據，發現混凝土實際溫升曲線在澆筑后一段時間內大幅超過規范參數計算的絕熱溫升，說明規范的水化熱參數和工程實際數值偏離較大。監測結果顯示，水泥水化熱在短時間內大量產生，溫度急劇升高，澆筑后大約12 h溫度即釋放水化熱的60%（根據規范公式需要48 h），溫升幅值（約）和規范公式基本一致。澆筑72 h后溫度開始下降，澆筑30 d后，混凝土內部熱量基本散發完成，溫度接近氣溫。
澆筑初期由于混凝土溫度高于環境溫度，混凝土一定存在熱量散發，實測溫度最大應不超過（澆筑溫度+絕熱溫升）。如果實測溫度大于澆筑溫度+同期絕熱溫升，說明絕熱溫度曲線是不符合實際情況的。本例發現在澆筑后12 h，實測溫升超過20 ℃以上。說明絕熱溫升嚴重偏離實際情況，必須進行水化熱參數的反演分析。
2.3 水泥水化熱參數反演
運東船閘底板厚度為2.5～3 m，由于混凝土體積較大加之放熱迅速，其核心溫度在早期較短的時間
內受環境溫度影響較小，數值計算結果顯示，48 h內底板中面（即3號和6號測點）的溫度曲線和絕熱溫升非常接近。利用式（2），根據實測核心溫度曲線，調整其中水化熱參數m和n，通過多次試算，當取m=1.85，n=0.79時，計算得到的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線和實測溫度曲線基本一致，見圖9。
用調參后的公式（2）計算流道側墻絕熱溫升，計算的溫度曲線與實測核心溫度曲線相吻合（圖10）。由此可見，反演后的放熱曲線在混凝土澆筑初期和實測溫度基本吻合。
2.4 溫度場數值模擬
根據上文水化熱參數的反演結果，對運東船閘上閘首輸水廊道進行了三維溫度場數值模擬，得到的計算結果和實測溫度過程基本一致（圖11-圖13）。
本工程在以上工作的基礎上，采用反演后的水化熱參數對后期澆筑的其他墩墻進行了溫度場溫度應力數值模擬，根據計算結果采取了相應的溫控防裂措施。工程取得了理想的防裂效果，未發現溫度裂縫。
3 結語
目前關于混凝土溫控防裂的相關理論已經趨于成熟，溫度場溫度應力的數值計算的研究也比較充分，但涵閘工程施工期混凝土溫度監測尚缺少低投資的自動化設備，本文開發的測溫系統為解決這一問題提供了一種技術途徑。對一般中小型涵閘工程，在缺少準確熱學參數的情況下，借助于測溫系統，可以采用以下技術路線進行較為準確的溫控防裂數值分析：底板測溫熱學參數反演上部結構溫度場溫度應力數值計算確定溫控防裂措施。由于土基上的涵閘工程底板很少出現裂縫，裂縫主要在上部墩墻結構，而底板和上部墩墻結構一般采用相同的水泥品種，所以利用底板混凝土取得較為準確的熱學參數，對上部結構的數值計算就具有很強的實用意義。
同時，在溫控防裂措施的實施過程中，需要隨時掌握混凝土溫度變化情況以選擇恰當的時機采取適當的溫控措施來達到預期的防裂效果。比如在混凝土早期溫升階段需采取溫降措施來降低最高溫度；在后期溫降階段需采取保卮朧樂刮露認陸堤快產生過大的溫度應力。因此溫控監測也必不可少。
總體上，本文開發的測溫系統具有體積小、無需布線、無人值守、運行穩定、精度高、遠程測量等特點，能夠隨時隨地監控混凝土的溫度，滿足溫控防裂的實際需求，已在多個工程得到成功應用。目前系統的軟件和硬件已經基本完成定型，推廣使用將大大節省混凝土測溫的人力財力。
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【關鍵詞】大橋；結構；健康監測
橋梁經過長期使用難免會發生各種各樣的結構損傷，損傷的原因有地震、洪水等自然災害，也有車輛超載、車禍、船舶撞擊等人為因素，以及腐蝕、氧化、風雨、振動等環境因素。隨著大跨橋梁設計的輕柔化以及結構形式與功能的日趨復雜化，為了把握橋梁結構在運期間的承載能力、營運狀態、安全性和耐久性，需要建立橋梁結構健康監測系統[1]。橋梁結構健康監測系統是在橋梁內部關鍵部位安裝各種類型的傳感器來對橋梁的整個使用壽命期間的結構健康狀況和性能進行監測的一種完整的在線實時監測系統。其基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大橋在特殊氣候交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護維修與管理決策提供依據和指導。
1 工程概況
上海崇明至江蘇啟東長江公路大橋（崇啟大橋）全線采用雙向六車道高速公路標準建設，主橋為雙幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續梁橋，引橋為60×50m節段梁拼裝混凝土連續梁橋和20×30m現澆混凝土連續梁橋，其主橋聯長和單跨跨徑均為國內同類橋型第一。為確保崇啟大橋施工及營運期的安全性和耐久性，崇啟大橋建立了橋梁結構健康監測系統。
2 系統構成
崇啟大橋結構健康監測系統設計主要從三個方面考慮：結構安全監測、運營期養護、驗證橋梁結構設計，以主橋為主、兼顧50m跨引橋，重點關注主橋風場特性、結構應變、振動、位移、鋼結構疲勞和引橋體外預應力束索力等。其健康監測系統包括以下四個部分：①傳感器子系統；②數據采集與傳輸子系統；③數據管理與控制子系統；④結構健康預警與評估子系統。
這四個子系統構成了崇啟大橋結構健康監測系統，具體工作步驟如下：①傳感器子系統的各傳感器在線拾取大橋關鍵部位的信號；②將采集到的傳感器信號轉換成數字信號存儲在本地工業用計算機內，同時通過計算機光纖網絡傳輸到數據處理與管理子系統；③由計算機系統完成數據的后處理、歸檔、顯示及存儲；④結構健康評估系統根據監測系統送來的數據進行分析、統計、閾值判別給出評估意見及報警信息，并為養護工作提出建議。
2.1 傳感器子系統
崇啟大橋結構健康監測系統監測對象分為2類9項：①荷載監測：風、大氣溫濕度以及結構溫度、路面溫度、交通荷載；②結構響應監測：加速度（主梁振動、地震船撞）、主梁撓度、應力應變、支座及伸縮縫位移、體外預應力索索力。
結構健康監測系統設計的關鍵是布點設計，崇啟大橋設風速測點2個，溫濕度測點8個，結構溫度測點72個，伸縮縫位移測點8個，撓度測點9個，應變測點72個，振動測點26個，地震及船撞測點21個，體外索索力測點16個。
（1）風荷載監測
和普通的混凝土梁式橋不同，大跨徑鋼連續梁橋由于剛度較小、自重較輕，在風荷載作用下，可能產生風致振動。崇啟大橋在實際運營中，需要實時監測風荷載的影響，并分析評估大橋的結構響應。
（2）空氣溫濕度及結構溫度監測
空氣溫濕度及結構溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，溫度變化對混凝土構件及鋼構件有很大的影響，是監測的重要內容。崇啟大橋主橋為鋼連續梁橋，更需要監測鋼箱梁內的溫濕度。
（3）結構振動監測
橋梁結構的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構件和結構的疲勞損傷的累積結果，而橋梁結構疲勞損傷主要是由于動荷載作用下的交變應力作用的結果。崇啟大橋結構健康監測系統實時監測大橋主橋主梁及主墩各部位在風、交通、地震等作用下引起的振動加速度響應，評估結構的整體動力特性，為橋梁結構整體健康狀況評估、驗證大橋設計理論及運營管理提供依據。
（4）應力應變監測
應力監測的目的是了解在交通荷載、風荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構件的應變、應力情況，為評價結構工作狀態及疲勞壽命提供依據。
（5）支座、伸縮縫位移監測
崇啟大橋主橋中間墩采用墩梁固結，其他墩設置縱向滑動支座。健康監測系統監測主橋主梁的縱、橫向位移，為評估風荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據。同時橋梁進入運營階段，伸縮縫是易于損壞的構件，實時監測伸縮縫處的位移，能夠了解伸縮縫處變化情況。由于主橋主梁是一個整體，為提高效率節省資源，支座位移與伸縮縫位移合并監測。
（6）撓度監測
崇啟大橋結構健康監測系統實時監測大橋的主梁幾何線形及其變化，研究撓度變化與環境變化（風、溫度、交通荷載）的關系，為大橋工作狀態動態顯示及結構健康評估提供資料。
（7）體外索索力監測
崇啟大橋引橋水中段采用預制節段整跨拼裝50米連續梁橋，其體外預應力束工作狀態使其正常使用的關鍵所在，通過加速度傳感器使用振動法測量索力能夠較準確地測量出體外索索力，從而達到實時掌握體外索拉力情況，為評估各構件的工作狀況提供依據目的。
2.2 數據采集與傳輸子系統
數據采集與傳輸系統負責傳感器信號的采集、調理、預處理、顯示、傳輸和保存等。數據采集與傳輸子系統由數據采集單元（工作外站）和數據傳輸網絡，以及數據采集與傳輸軟件組成。
2.3 數據管理與控制子系統
崇啟大橋結構健康監測系統軟件采用C/S（客戶機/服務器）結構，中央數據庫采用Oracle，監測系統應用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
2.4 結構健康預警與評估子系統
崇啟大橋結構健康評估系統目前主要分為綜合評估以及監測評估兩部分。綜合評估主要是對大橋日常人工養護所提供的數據并且結合實時健康監測數據，根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTGT H21-2011）進行相應評估打分，最后以分數形式表示橋梁養護狀態。
“崇啟大橋結構健康監測評估”通過對大橋的風荷載、大氣溫濕度、結構溫度、撓度、支座位移、體外索索力、地震船撞、應變等監測數據進行計算最終以百分制的分數形式直觀提供給用戶。
3 結語
崇啟大橋根據自身結構的特點，建立了結構健康監測系統，實現了實時監測與狀態評估。目前，該系統已運行一年多時間，在運行期間，運營單位定期對系統、外場設備進行分析、檢測及維護，按月出具崇啟大橋結構健康監測數據月報，為崇啟大橋提供了大量的監測數據。同時結構健康監測系統的監測數據也表明了系統的合理性、可行性和大橋的安全可靠性。
橋梁結構健康監測系統涉及土木工程、力學、測試技術、計算機、圖形學、通信等多門學科，隨著系統和網絡技術的不斷提高、完善和研究內容的不斷深化，系統的自動化程度將不斷提高，最終可以實現一整套完善的橋梁結構監測與評估報警系統，從而提高橋梁運營期的結構安全。
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關鍵詞：無線傳輸； 輪胎氣壓； 溫度監測； 監測系統
中圖分類號：TN911.734; U472 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09016103
基金項目:國家自然科學基金(51105124)資助;浙江省自然科學基金(Y1090199)資助0 引 言
輪胎是汽車上與路面接觸的惟一部件，行駛過程中通過輪胎花紋與地面間產生驅動力和制動力［1］；充氣后的輪胎具有一定的剛度和硬度，可以用來承載整車質量［2］；充氣輪胎又具有一定的彈性，可以緩和來自于車上質量和路面不平帶來的沖擊，提高車輛的平順性和乘坐舒適性。而輪胎的剛度、硬度及其他性能，除了與輪胎本身的材質和生產工藝有關外，在很大程度上還受到其工作狀態時的氣壓和溫度的影響。實踐證明，適當的氣壓和溫度可以有效地減少輪胎的磨損、提高輪胎的附著性能、改善汽車的行駛安全性。
1 輪胎氣壓和溫度對汽車使用的影響
當輪胎的氣壓過低時，汽車行駛時輪胎的彈性遲滯損失明顯變大，不僅會增加汽車的行駛阻力，還會使胎面過早地出現龜裂和老化現象；當汽車高速行駛時，又會由于輪胎內外摩擦使得輪胎溫度升高，進而輪胎氣壓上升［3］，嚴重時可能會出現爆胎現象，導致交通事故，危機生命財產安全。據統計，約有30%的交通事故是由于輪胎氣壓和溫度不正常引起的，高速公路上這一比例更高。
實踐表明，當輪胎充氣壓力與額定值不一致、輪胎溫度超過90℃時，輪胎的磨損程度就會加劇，壽命將會大大縮短，如壓力低于額定值0.03 MPa，壽命縮短［4］25%；壓力高于額定值0.06 MPa，壽命縮短15%以上；輪胎溫度高于95℃且高速行駛時，就有可能導致爆胎發生［5］。因此，需要對輪胎的氣壓和溫度進行實時監測。
2 輪胎氣壓和溫度監測的意義
在行車過程中駕駛員很難依據感覺和經驗來判斷輪胎的氣壓和溫度，也不可能經常停車使用專用儀器來檢測，因此輪胎氣壓和溫度的監測具有以下幾個方面的意義：
(1) 能夠實時監測輪胎氣壓和溫度，可以及時發現輪胎氣壓和溫度狀況，便于駕駛員盡快調整汽車的行駛狀態，使輪胎的氣壓和溫度能夠盡快恢復常態，能夠有效防止爆胎和交通事故的發生，屬于“主動”型安全保護；
(2) 通過監測可以使汽車輪胎盡可能多的處于標準氣壓下工作，從而延長輪胎使用壽命，并能在一定程度上降低油耗；
(3) 可以保證各個輪胎氣壓均勻，減少造成制動跑偏和側滑的發生，避免轉向系統和懸架系統等相關部件的磨損。
3 國外輪胎監測系統的類型及優缺點
國外的輪胎監測系統的研制起步較早，配置的車型也較多，因輪胎溫度與氣壓存在一定的數值關系，所以國外輪胎監測系統直接監測的指標均為氣壓，歸納起來可將其分為直接式、間接式和混合式三種。
3.1 直接式系統
直接式系統是將壓力傳感器直接安裝到各個輪胎上，各壓力傳感器將監測到的壓力值以電信號的形式通過無線發射器傳至中央處理模塊，經信號轉換后將壓力不正常的輪胎位置在駕駛室內的監視裝置上顯示出來。直接式系統的優點是能夠監測出各輪胎的瞬時氣壓，且定位準確、顯示醒目，但結構較復雜，傳感器安裝不方便。
3.2 間接式系統
間接式系統相對于直接式系統結構簡單、成本較低。它不是直接監測輪胎的氣壓，而是通過對輪胎其他參數(如輪胎的振動或輪胎的滾動半徑)的分析間接計算出輪胎的壓力［6］。如果計算出來的各輪胎壓力的差值超過報警閾值，監視器將會報警顯示有輪胎氣壓不正常情況，具體是哪一個輪胎氣壓不正常，無法顯示；另外如果有兩個以上輪胎的氣壓同時下降時，系統也不能報警［7］；另外受車速的影響較大，車速升高，間接式系統的監測精度也會隨之下降。
3.3 混合式系統
混合式系統是直接式系統和間接式系統的綜合，同時兼顧了兩個系統的優點。在四輪汽車上僅安裝兩個壓力傳感器，這樣便可以對多個輪胎同時出現壓力不正常的情況進行監測，克服了間接式系統的缺點；由于結構上進行了簡化，其成本也較低；但是無法測出每個輪胎的實時氣壓。
4 國內輪胎監測系統的應用及其特點
目前，對于輪胎監測系統國家沒有相應的強制性規定要求必須安裝，許多車主也沒有意識到輪胎狀況監測的重要性，安裝時又要產生一筆額外的費用，因此無論是私家車主還是運輸企業主，都不會去主動安裝此類系統；而且系統安裝時需要在車內接線和固定，影響美觀等，這也在一定程度上影響了我國輪胎監測系統的應用。
目前裝配了輪胎監測系統的車型有：奧迪系列、寶馬系列、奔馳系列、雪鐵龍的CS、上海通用的別克、朗逸1.6 L品軒版、朗逸2.0 L品軒版、榮威550G1.8 T品仕版等，這些車型裝配的都是輪胎氣壓監測系統。其特點是當汽車上的某一輪胎出現氣壓不正常現象時，位于駕駛室內的顯示裝置將會點亮一黃色報警燈，并顯示“LOWTIRE”或其他警示字樣,以提醒駕駛員采取相應的措施，從而確保行車安全。就目前國內這些車型所安裝的輪胎監測系統的組成及其工作原理來看，主要存在以下不足之處：
(1) 沒有與車型綁定，需人工設定標準胎壓，而且需用的傳感器較多，系統結構復雜，安裝較繁瑣；
(2) 系統工作受車速的影響較大，當車速超過30 m/s時，所監測氣壓值的誤差較大，無法在汽車高速行駛時起到安全報警的需要；
(3) 必須使用原廠輪胎，如果換用其他輪胎，系統無法消除由于輪胎不一致而造成的影響［8］；
(4) 語音抗干擾能力較差，射頻效率不高，編碼糾錯性較差；
關鍵詞：人造衛星定位系統結構健康監測系統結構評估懸吊體系橋梁
一、引言
大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運狀態的一個重要標志。普遍大橋的結構設計是基于導量位移。任何索塔和主梁軸線偏高于設計軸線，都直接影響大橋的承載能力和構件的內力分布。目前香港的三座懸吊體系橋梁，均設有橋梁結構健康監測系統，簡稱"橋監系統"。用以監測大橋在營運期間的結構健康變化，繼而進行結構評估。雖然大橋主梁及索塔軸線監測已包括在大橋每年一次的大地測量范圍內，可是現存的"橋監系統"還未能對大橋主梁和索塔軸線作實時的監測。鑒于近年人造衛星定位系統（GlobalPositioningSystemorGPS）的實時位移測量精度有顯著的提升（垂直面誤差約20mm，而水平面差誤約10mm），因此香港特別行政區政府路政署引進GPS技術用作監測大橋主梁及索塔軸線，提供全橋整體的度量位移。路政署在擬定橋梁結構健康檢測和評估項目的過程中，亦曾考慮其他測量技術方案，如運用紅外光線和激光科技，可是這些技術均需要一定視野清晰度，故在現階段仍未適合在惡劣天氣下操作。
二、GPS監測范圍和目的[1,2]
在上述三座懸吊體系橋梁上本已設置傳統的傳感器來測量橋身的位移狀況。包括在橋身兩端的位移儀用作量度橋身的縱向位移，及高精度加速儀用作量度橋身的垂直和橫向加速度。高頻率的加速數據經過二次積分運算后只能提供局部振幅的導量，未能準確地運算橋身整體的擺動幅度，這是因為橋身整體的慣性偏移速度較緩慢，加速儀不能準確測量；另一方面，在監測橋身固溫度變化而產生的相應位移時，雖然另設有一組創新設計的水平儀系統來直接量度橋身的垂直位移，但由于這系統是利用液壓原理運作，鑒于液體的慣性限制，系統只能以每秒一數據的采樣率來提供位移信息，未能錄取瞬間的振幅，錯過了一些較大的瞬間振幅，因而數據難免有誤差。以往路政署曾考慮應用GPS技術在懸吊體系橋梁監測上。經過近年在青馬大橋上安排的多次實地測試為驗證及改進精度，最后決定在"橋監系統"中增設備有RTK實時動態測量功能的GPS監測系統，直接量度橋梁的獨立三維實時位移，增強對橋梁結構健康監測的可靠度。現時GPS系統安裝工程已接近完成階段、數據收集會在竣工后立即開始。這GPS監測系統主要用作度量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬時位移，以及推算其相應的導量（截面中線）位移及各相應主要構件的應力狀態。
三、GPS監測系統簡介[3]
1．GPS監測系統概要
GPS監測系統是一套實時監測系統，主要由四組系統組成，通過固定光纖綱絡傳輸數據而進行運作。這四個系統分別是：（l）GPS測量系統；（2）信息收集系統；（3）信息處理和分析系統；（4）系統運作和控制系統。其硬件包括：GPS測量儀（其中包括GPS天線和GPS接收器），接駁站，信息收集總控制站，光纖網絡，GPS電腦系統，顯示屏幕等。
GPS接收器備有24個衛星跟蹤通道，以雙頻（LI及L2）同步跟蹤測量12顆GPS衛星的偽距與全波長的載波相位；GPS監測系統以劃一的高速度采樣率，利用27組的GPS測量儀同步進行定點位移測量，以每秒10次的點位更新率提供獨立三維RTK實時的點位解算結果，高精度點位輸出的時間延遲小于0.05秒，令到GPS信號的同步接收、RTK厘米級點位數據輸出，光纖網絡傳輸、數據及圖像處理及橋梁位移圖像屏幕顯示之過程都在2秒內完成，提供實時位移監測。另方面，GPS監測系統可以在無人值守的情況下進行24小時作業，配合可調校的數據備份系統，將貯存的GPS位移數據與其他現存的橋梁監測數據加以整合，再作多樣化的結構分析和評估；利用大橋主梁及索塔軸線的整體變化周期和幅度資料，及選定時段的橋梁整移變化資料，來改進橋梁結構健康檢測和評估工作。
2．GPS定點測量
GPS測量儀的定點測量位置主要安裝在橋身的兩旁和橋塔的頂端，在三座橋上總共有27個定點測量位置。GPS測量儀的選位配合現存位于跨中的加速儀。在青馬大橋橋面上共裝有四對GPS測量儀，主懸索纜有一對。另外在汲水門大橋橋面及訂九大橋橋面上分別裝有一對及兩對GPS測量儀。除了提供每秒10個的定點實時測量，GPS監測系統更能運算橋身主軸線的三維瞬間位移，和橋身扭轉振動的時程數據。同樣，從塔頂的點位解算結果，GPS監測系統能運算出汀九大橋單腳塔頂的位移，和另外兩座橋之雙腳塔頂的個別位移。經數據及圖像處理后，信息屏幕可顯示全橋實時擺動的活動圖像。現時路政署采用GPS接收器的定位延遲誤差為0.03秒，突破早期GPS定位數據與實際點位不能完全一致的難題，這技術可應用于速度不均的運動狀態，
足夠應付高速度實時位移監測的基本要求。
GPS接收器采用抗電磁干擾金屬外殼密閉封裝，并加上振動隔離裝置，進一步減除振動操作環境對GPS設備的影響，加強其抗震性能。在橋上的GPS定點測量位置均采用精密微帶天線，為減低對人造衛星信號接收的障礙，所有天線的安裝高度須維持水平15度以上的無屏障朝天范圍，及避免頻繁的雙層和高身車輛在使用慢線行車道時形成的障礙。位于貯物大樓房頂的基準站則采用扼流圈環狀天線，進一步減少多路徑效應對定位測量的影響，確保不斷發送至定點測量站的差分改正信息準確無誤。基本上GPS測量儀在出廠后毋須定期校對，從而減省養護工作。
3．GPS信息傳輸系統
GPS監測系統是一組不停運作的實時監測系統，當懸吊體系橋梁遇上惡劣天氣和運作環境時，GPS監測系統所得的數據更為寶貴，故此對數據傳輸的穩定性和可靠性都有較高要求。GPS信息傳輸系統采用了高效率和高穩定性的光纖網絡。由于光纖不受電磁波干擾，在惡劣作業環境下，如雷暴、高壓電流的電磁場影響、強風等，光纖通訊網絡仍能維持高水平的數據傳輸質素和速度，先進的光纖收發儀器更能偵測光纖網絡信息的中斷并發出警號，讓維修人員即時知道通訊網絡出現問題的位置，確保系統工作效率。信息收集總控制站設于青衣行政大樓，在每座橋上均設有一組網絡接駁站，用以匯集各處GPS定位測量站的數據傳輸分支網絡。聯接總控制站與接駁站的光纖網絡使用單模光纖，最長距離約3km；而聯接定位測量站與接駁站的分支光纖網絡則使用多模光纖，最長距離約l.3km。每組GPS測量儀需要三條非同步串列傳輸管道（AsyncSerialChannel）操作，這三條管道分別用作資料收集、差分改正信息傳送及遙距監控，而每條管道傳輸速度達19200Baud。光纖傳輸速度能力高，一條多模光纖已能取代多條傳統的銅蕊資料傳輸電線。GPS信號從多模光纖傳送至網絡接駁站后，即被匯集成更高頻信號，由更高質素的單模光纖傳輸至信息收集總控制站，使原本需要百余條鋼資料傳輸電線的傳統通訊網絡簡化為每座橋只需一條單模光纖的光纖通訊網絡，大大改進了網絡的操作效率和養護維修工作。
4．GPS信息處理的運作
從27個GPS定點測量儀輸出的GPS大地坐標經緯數據，分別以每秒10個的采樣率透過光纖網絡信息收集系統同步傳送至信息處理和分析系統。信息處理和分析系統安裝于青衣行政大樓的橋梁監察室內，由兩臺電腦工作站組成：（1）第一臺為運作工作站（GPS-OWS），用作信息和圖像處理，以活動圖像實時顯示初步的橋身和塔頂三軸向位移動態，及運算橋身扭轉振動的幅度，同時以時程數據形式顯示各定點的度量位移，GPS一OWS亦負責系統運作和控制，用作監察GPS測量儀和光纖通訊網絡的運作狀況，當系統出現問題或位移數超出預設極值時，這系統會發出警號和紅色燈號，提醒系統管理員。（2）第二臺為分析工作站（GPS-AWS），將經過初步處理和分析的信息進行結構分析和評估，并用作進階圖像處理和執行圖輸入蹦出工作。這兩組電腦工作站均與現存的"橋監系統''''充腦系統聯系在一起，供數據整臺之用。表1及表2列出了這兩臺工作站的主要硬件和操作軟件，在需要的情況下，GPS-AWS操作系統作為后備工作站以維持正常運作。
四、橋架結構侵康檢測和評估的應用[1,2]
GPS監測系統為"橋監系統"中的一個新增設施，其主要作用為直接測量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬間度量位移，并推算其截面中線相應的導量位移，繼而再配合其他結構分析軟件來評估各相應主要構件的應力狀況。目前"橋監系統"對大橋結構的評估有三大方面，分別為承載能力、營運狀態和耐久能力。承載能力是有關大橋結構或構件的極限強度、穩定性能等，其評估目的是要找出大橋結構的實際安全儲備，以避免橋梁發生災難性的損毀。營運狀態則與大橋結構或其構件在日常荷載下的變形。裂縫、振動等有關，其評估結果有助于安排合適的定期養護維修，而這類評估亦較為重要。耐久能力的評估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對材料物理特性的影響。
GPS監測系統對大橋整體結構的位移監測，可更直接改進"橋監系統"的一般檢測和評估工作，例如：（1）報告大橋整體結構的位移從而反映其工作環境和荷載的變化；（2）進一步分析運算主要構件的實際內力分布，例如主懸索纜、縱向主梁等；（3）驗證不尋常荷載記錄，例如臺風、地震、超重交通荷載或被車船撞擊事故等；（4）從而推算大橋主要構件有否損壞或累積性的損壞；（5）推算大橋的承載能力及論證設計施工假設和參數的有效性；（6）為大橋營運和維修決策者提供大橋超載的警告信息。
五、橋梁整體性營運狀態監測【1，2】
1．風力效應監測
大橋設計中所進行的抗風能力分析和風洞測試，是基于一所離開大橋橋址較遠的氣象站所收集到的風結構資料。由于橋址和氣象站所處的位置有高度上的和地形上的差別，再加上懸吊體系橋梁對風振有較大的反應，因此測量大橋橋址的風結構和論證大橋的抗風設計假設和參數的有效性，成為大橋抗風振監測的主要部分。配合"橋監系統"的風速、風向監測，利用從GPS監測系統得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可對大橋進行風力效應監測及結構的抗風振驗算復核；測量特定風速的持續周期，用以檢測橋梁的渦激共振的平均持續周期。另外，亦會與在橋身中同步測量的加速儀數據互相驗證，確定大橋結構的抗風振的效應。
2．溫度效應監測
由于溫度變化是與太陽輻射強度、材料熱能散發率、環境溫度及風速風向等因素有關，因此大橋的溫度參數的極值不能從個別因素去推論。監測大橋環境溫度和橋梁結構上溫度的分布狀況，可用作推算大橋的有效橋梁溫度和差別溫度的極值，此為大橋溫度荷載監測的主要部分。GPS監測系統長時間監測大橋整體結構的位移變化，可引證因環境溫度而引發的日夜和季節性的位移變化周期，例如主懸索纜的垂直位移。橋身的縱向、橫向及垂直位移，與相應的塔頂的橫向及垂直位移等，再與"橋監系統"的結構有效溫度和差別溫度的極值互相驗證，增強大橋整體溫度荷載監測的可靠性。
3．交通荷載效應監測
對一般大跨度橋梁而言，交通擠塞是交通（車輛）荷載的主要設計考慮因素，而大橋的交通荷載長度（LoadedLengths）設計是基于：（1）每天交通擠塞形成的次數；（2）交通擠塞發生的位置，持續時間和車輛的分布模式；（3）交通擠塞時的交通流量等假設。測量和論證交通荷載設計假設和參數的有效性，是大橋交通荷載監測的主要項目。從GPS監測系統得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可與"橋監系統"的交通荷載及分布狀況的監測資料互相驗證，協助進一步制定橋梁結構的各級應力階段，并用作大橋主要構件的疲勞估算。
4．鐵路荷載效應監測
對青馬大橋和汲水門大橋而言，鐵路機車的荷載亦成為另一主要的設計考慮因素。青馬大橋和汲水門大橋的鐵路路軌承臺是由縱向工字鋼梁承托的，鐵路機車荷載從縱向工字鋼梁傳到大橋橋身的加勁梁構件，再分布到其內的橫向框架上。由于"橋監系統"中沒有傳感器能直接測量鐵路機車在大橋上所產生的荷載，因此，只能通過安裝在大橋中跨的縱向工字鋼梁上的應變儀，進行鐵路荷載的監測，繪制相應的感應線來推算單一機車車盤的荷載，再進一步推算整列車的荷載。同樣地，GPS監測系統得出的橋身、塔頂住懸索纜的三軸向位移資料，可作進一步驗證結構應力與位移的相互關系系數。
5．大橋鋼索索力的監測
大橋的鋼索索力狀態是衡量大橋是否處于正常運作狀態的一個重要標志。利用GPS監測系統的青馬大橋主懸索纜得出的三軸向位移資料，運用有關的素力公式去推算鋼索承受的拉力，定期監測鋼索索力的狀況，并進一步分析橋身和主懸索纜的應力分布相互關系。
6．大橋主要構件應力監測
大橋的結構設計普遍上是基于導量位移，任何索塔和主梁軸線偏離于設計軸線，都會影向大橋的承載能力和構件的內力分布，結構評估工作先從GPS監測系統得出的橋身截面中線度量位移，將其輸入其模擬橋身等效剛度的魚骨結構分析電腦模型，藉矩陣運算，得出全橋整體的內力分布；再利用局部的結構分析模型來模擬橋身的主要構件，再推算出主要構件的個別應力狀況。在恒載和交通荷載作用下，大橋主梁與各構件有著不同的內力分布，通過"橋監系統"對主要構件部位進行的應力監測，整臺GPS位移數據對相應構件的應力推算，不僅能多方面驗證各構件的應力和位移相互關系，從而為評估大橋的承載能力、營運狀態及耐久能力提供更有力的依據；此外還能通過監測應力或位移的變異來偵查大橋結構有否損壞或潛在損壞的狀態。
【關鍵詞】溫濕度；監測系統；主控電路；PIC
目前，大部分常用的溫濕度監測系統是以晶體管電路或51單片機為核心部件，再配以相應的傳感器和A/D轉換電路組成的溫度和濕度實時監測系統。這樣的系統，在實際工作中存在諸如在線調節不方便、數字化和智能化程度較低等缺點。
因此，本文研究了基于PIC16F877A單片機的蔬菜大棚溫濕度監測系統相關技術，對主控電路進行了改進，提出了相應的對策和解決方案。
1 設計思路
通常情況下，溫室內的溫度和濕度對作物的影響巨大。如若要使得這些植物在非本季節處于較佳的生長狀態，就必須嚴格控制溫室內的溫濕度。而不同類別的植物，所需溫濕度也不盡相同。嚴格監測和控制溫室內溫度和濕度環境參數，能夠有效保障植物時刻處于較佳的生長狀態，有利于提高生產質量和產量。
首先，本文分析了溫室溫濕度監測系統基本原理和性能要求，針對農業生產所使用的普通MCU與PIC系列PIC16F877A進行性能比較，對優化主控電路做出理論依據，并提出相應的優化方案和整改對策。然后，分析了目前農業生產所使用的模擬量傳感器和直插式數字傳感器進行性能差異，從非電和電兩個方面著手對影響溫濕度監測精度及可靠性的原因進行分析，并在優化的主控電路。最后，采用了以PIC16F877A對直插數字集成式溫濕度傳感器DHT11進行循環控制，達到對蔬菜大棚溫濕度實時監控的目的[1]。
2 硬件電路設計
本文選用DHT11作為溫濕度環境信號監測系統的主要傳感器件。DHT11數字溫濕度傳感器含有已校準數字信號輸出，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。DHT11傳感器的校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，非常適合溫室內的溫度和濕度環境參數信號監測系統的技術特點[2]。
本設計利用DHT11直插式數字溫濕度傳感器對蔬菜大棚溫濕度進行實時監測，并把實測溫濕度值實時顯示在LCD1602上，可以通過鍵盤設定溫濕度極限值，如果實測溫濕度超過設定極限值，則進行LED或者蜂鳴器報警操作。
基于PIC16F877A單片機的蔬菜大棚溫濕度監測系統主控電路如圖1所示，監測過程大體如下：當產品上電時，PIC16F877A與DHT11傳感器通訊，當PIC做好數據接收準備時，DHT11通過單總線將數據發到至PIC，最后再由PIC將處理過的檢測數據發送至LCD1062進行顯示，從而達到蔬菜大棚溫濕度的實時檢測。在此基礎上，用戶可以通過按鍵輸入溫濕度極限值，對溫濕度報警值進行設定，之后以達到峰值超標自動報警的目的。
3 主函數初始化和外部中斷流程圖設計
我們對需要的特殊寄存器進行初始化后，使其進入while循環，等待外部中斷。
①初始化
初始化函數包括了系統初始化函數sys init（）；，LCD初始化函數lcd_init（）；等。系統初始化函數主要是對外部中斷的I/O口，和使能端進行設置[3]。LCD初始化函數lcd_init（）；主要是多LCD的I/O口進行方向設置，LCD指令輸入等操作。如圖2所示，對主函數進行初始化設計。
如圖3所示，本文對中斷入口和外部信號進行了設置，使得設計的主控電路能夠更好的響應其他優先級更高的事件，從而完成了外部中斷流程的設計。
從上述設計的主控電路來看，本文在對傳統主控程序進行分析后，才給出基于PIC16F877A的溫濕度監測系統主控程序的設計，并設計主要模塊的流程圖。不難看出，通過PIC單片機設計監測系統的主控電路，能夠使得整個監測系統的主要部分實現模塊化設計，這將有利于系統將來的升級改造，并降低了整個程序復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化。從而使得整個監測系統相對與傳統的監測系統而言，能夠體現出智能化、數字化的特點。
【參考文獻】
[1]孫安青.PIC單片機實用C語言程序設計與典型實例[M].北京.中國電力出版社，2008：21-31.
關鍵詞：實時監測技術;粉塵濃度;電機運行;水害
當前，我國煤礦安全生產技術已有了顯著提高，生產環境得到了相應的改善和優化，煤炭開采事故率和死亡率都迅速下降。但是，在煤礦安全生產過程中依然面臨著較為嚴峻的形勢，煤礦井下存在的安全隱患并沒有得到徹底有效的治理，而實時監測技術的發展應用，則為排查解決這些隱患提供了科學的技術支持。通過采取煤礦井下實時在線監測技術，可以對煤礦生產過程中存在的典型危險因素進行實時監測，隨時關注相關變化，顯著提高煤礦井下安全生產水平。在下文中分析探討的內容主要有粉塵濃度、電機運行狀況以及水害等幾個方面。
一、粉塵濃度實時監測技術在煤礦井下生產中的應用
煤礦井下粉塵不僅直接影響到生產工人的身體健康，導致工人患上煤肺病，而且當礦井中的粉塵濃度與氧氣濃度達到一定的界限時，容易出現明火時，引發煤礦粉塵爆炸，給礦井生產安全帶來極大的威脅。因此，對煤礦井下粉塵濃度進行實時監測尤為必要。
在對煤礦井下粉塵濃度進行監測的過程中，主要采用礦用測塵儀對礦井中的粉塵濃度進行在線檢測。其中，光電式測塵儀因為其精度較高、可靠性好而被廣泛的應用。其檢測是基于粉塵對光線的投射損耗與散射原理而實現的，能夠對不變濃度進行精確的測量。但是，在煤礦井下的實際生產過程中，因為作業環境內粉塵濃度在不同的生產工藝、工序以及作業地點的變化有很大的差異，使用傳統的采樣器在現場采樣然后再到地面分析的方式已經不能滿足當前對生產現場的實際需要，因此，構建一套基于光電式測塵儀的煤礦粉塵濃度實時在線監測系統尤為必要（如圖1）。
圖1 粉塵傳感器系統結構
該粉塵濃度實時監測系統使用一臺主機與多臺分機相連，對井下多個位置同時測量，傳感器獲得的電信號通過RS485總線與計算機進行數據通信，實現及時獲得粉塵濃度信號的目的。需要注意的是，在構建檢測系統的過程中，應該注意到光電式粉塵傳感器中，LED點光源在給檢測系統提供光源的過程中還會產生熱量，使得周圍的溫度隨之上升，從而使得光源強度會隨之衰減，尤其是在長期使用該系統進行在線實時監測時，所導致的檢測誤差將會更加明顯。因此，在設計粉塵實時監測系統及相關算法的過程中，應該對此進行適當的修正，從而為檢測系統提供更準確的數據信號。
二、電機運行狀況實時監測技術在煤礦井下生產中的應用
電機是煤礦機電設備的重要動力來源，因此，保證電機正常工作，是確保煤礦生產用設備處于長期穩定運行狀態、提高煤礦生產效率、保證煤礦生產安的必要條件。
（一）煤礦電機運行實時監測系統工作原理。在待測電機的各個位置設置高精度的傳感器，對電機運行過程中的轉矩、溫度、速度、電壓以及電流進行實時檢測;之后使用傳感器將檢測信號輸出，然后通過信號采集和放大電路、A/D轉換電路對信號進行處理，并將處理后的信號傳遞給DSP控制系統。通過DSP對電機的運行參數進行實時在線計算和分析，將電機的實時運行狀態參數顯示出來，并將主要參數傳遞給上位機進行對應的處理，實現對電機的監測和反饋控制。
（二）煤礦電機運行溫度和電流監測。（1）溫度監測。溫度是衡量礦用電機正常工作與否的關鍵指標，對電機本體、逆變單元等部分的工作溫度進行實時監測是確保電機安全、可靠工作的重要途徑。以AD590型溫度傳感器為例，該傳感器屬于電流式集成溫度傳感器，在把它用于電機溫度測量的過程中，相當于形成一個恒流源，能夠輸出大小為1μA/K、并與絕對溫度成正比的電流信號，具有較強的抗干擾能力和線性度。將傳感器設置在礦用電機的待測量部位，隨著電機工作溫度的升高，傳感器的溫度也隨之上升，輸出的電流將隨之增大，系統將獲得的電流信號轉換成為電壓信號，并通過后續的信號放大、經
A/D轉換處理之后，將信號發送至DSP，從而獲得電機的實時工作溫度。（2） 電流監測。在傳統的電流監測系統設計過程中，一般使用串聯的分壓電阻作為傳感器對電流信號進行檢測，這種檢測方式具有監測方法簡單的優點，但是容易受到檢測環境溫度的影響，較難保證電阻值的恒定不變，導致所采集到的電流值精度不高，而且通常情況下，控制系統的反饋電路沒有與主電路相互隔離，一旦功率電路中的高壓電流通過反饋電路進入到控制電路后，將直接破壞整個控制系統的安全程度。因此，現在大多使用高精度霍爾電流傳感器作為電流檢測裝置，對礦用電機的三相電流進行實時監測，而且該傳感器只需要使用
12V的電源供電，系統架設較為方便。
三、水害實時監測技術在煤礦井下生產中的應用
在生產中，隨著煤礦開采深度的增加，水害的威脅也更大，對水害的潛在威脅實施在線監測也是現代化礦井的必備條件。
（一）煤礦井下水害實時監測原理。在煤礦井下設置足夠的分布式水文觀測孔，對觀測孔中的水壓、水位進行測量，逐步形成“一線多點”的測量體系，從而實現超遠距離的實時水害監測。當前，許多礦井所采用的水害監測系統使用的都是高速數據傳遞技術，這項技術能夠保證系統監測的實時性。利用所測得的監測數據可以及時的反映不同地質層水位的實時水壓、水位等動態信息，并結合歷史監測數據以及組織管理經驗，采取對應的治理措施，從而實現對煤礦井下水害的防范和治理。
（二）煤礦井下水害監測系統的基本構成。建立礦井水壓實時監測系統的地面監測中心站，利用檢測系統軟件（系統控制、數據通信以及數據處理等應用軟件）處理來自系統子站傳遞的相關數據，將檢測結果實時顯示在對應的設備中。煤礦井下子站（水壓、水位測量孔）主要由水壓/水位數據收集裝置、壓力/液位信號傳送器、數據通信模塊和安全保護罩等構成，該監測系統總共包含1-258個子站，通知對這些子站的實時檢測能夠實現對整個礦井的水害情況的監測。在信號通信的過程中，該系統使用了基于現場總線的控制技術，使得所有的檢測子站都能夠有內置的計算機系統進行控制，從而實現對各個水文觀測孔中的水壓、水位進行數據采集，通過對應的轉換以及存儲之后，利用地面的監測中心站完成對水害情況進行實時在線監測的任務。
通過前面的分析可以看出，實時監測技術在煤礦井下生產作業中發揮著重要的作用，提高了礦井的安全生產系數和經濟效益，減少了災害性事故的發生率，在井下安全管理中獲得了廣泛的應用。本文中，筆者只選擇了幾個比較具有代表性的應用實例，如粉塵、電機、水害等進行了粗略的分析，而在實際的煤礦井下生產中，監測技術的應用絕不是僅僅局限于這三個方面，適合其發揮作用的工作場所還非常多，具有一定的普遍性，值得同仁繼續做進一步的研究。
參考文獻：
