基于监测

基于监测（精选12篇）

基于监测 篇1

在我国建设中国特色社会主义事业的进程中,国民经济水平快速提升,国家文明形象越来越有影响力,尤其以城市现代化建设的成就而彰显,高楼大厦林立,具有城市标志性的大型建筑物从大城市到中小城市甚至到县级城市都已经不足为奇。而且就目前来说,城市建设的规模还在扩大,大型建筑物还在一批又一批的拔地而起,成为城市建设和城市现代化的一道亮丽的风景线。不言而喻,随着社会经济的快速发展,城市现代化进程的步伐加快,国人对大型建筑的需求旺盛,特别是大型建筑在人们的眼中已经成为了城市形象和经济发展水平的代表,即便选择为家居购置住处,也都不再稀罕曾经的低矮楼房,都在瞄准具有大都市品位的摩天大楼和以大型建筑物成片构成的具有现代化水准的家居环境。然而随着大型建筑的不断增建和增多,潜在的安全问题也随之增加。因为大型建筑结构所使用的材料会随着时间的推移而出现老化现象,另外,大型建筑物更易受到大风、火灾、地震等自然灾害与人为破坏的影响,所以对大型建筑结构健康监测很重要,不能忽视,对大型建筑结构进行健康监测是对人们的生命财产负责,更是建筑企业对社会责任的应有担当。针对于中职学校建筑工程专业教育教学来说,即要从专业技术上加强教学,亦需要从专业责任感上给予学生以足够的培育和强化。

一、大型建筑结构健康监测的必要性

(一)积极探讨和丰富结构工程理论,在理论指导实践的意义上确保大型建筑结构的安全

理论指导实践,建筑结构理论是大型建筑结构建设的技术支撑和物质支撑,大型建筑结构建设必须在严格遵守其建筑结构理论的基础上进行,这是不能违背的客观规律。从目前我国所积累所遵循所教学的结构工程理论来看,多是在足尺模型或数值模型方面,在实践检验与证明方面较为缺失,落后于国外先进的结构工程理论,对大型建筑结构建设的指导也存在缺陷和不足。对于这种现状必须改变,从业界到理论界都应积极探讨和丰富结构工程理论,积极在实践中探索,通过进行大型建筑结构健康监测,进一步积累经验和数据,完善结构工程理论,提高大型建筑结构健康监测体系,更好地为社会经济发展进行服务,确保大型建筑结构的安全。

(二)质量可靠和安全是大型建筑结构的首要保障,加强大型建筑结构健康监测意义重大

质量可靠和安全是大型建筑结构的首要保障,这需要大型建筑的设计、施工、监理、检测、排查隐患、加大安全措施等各个环节予以实施和落实,更需要加强对大型建筑结构的健康监测。从目前来看,我国对大型建筑结构的健康监测多数是进行常规变形监测,时间周期长、时效性差,无法达到大型建筑结构安全的要求,这让大型建筑结构的安全面临着严峻的形势,所以,加强大型建筑结构健康监测意义重大,有利于及时、有效地为大型建筑结构提供安全的环境,排查与纠正存在的安全隐患问题,最大限度地在异常情况时减少生命财产的损失,在这方面还需要投入更大的重视程度和实施力度。

二、大型建筑结构健康监测的构成

建筑结构健康监测主要是对建筑结构外部负荷进行检测,从建设开始到整个使用时期,包括了传感器、数据采集、数据处理以及结构预警四个子体系。[1]

(一)传感器体系

建筑结构健康监测传感器体系通过利用对风速、温度、振动和位移等进行实时探测的技术和设备组成自身体系和实施过程,对风速监测利用风速仪;对地震可采用地面运动加速仪,对建筑物实际数据进行检测和记录;对温度可采用数学温度仪,对建筑结构昼夜温差、向阳背阳差异以及四季温差进行监测,通过一系列数据的监测,通过贯彻和分析各项数值的变化对建筑结构的健康程度进行预测。

(二)数据采集和运输体系

传感器体系获得数据后,数据采集和运输体系对相应的数据进行读取并上传到站点,下一步通过站点再上传至数据中心的服务器中,数据的上传可以通过无线、有线等途径和方式,这样建筑管理单位或监测部门可以实时通过局域网或互联网进行数据的读取和监测,为下一步数据的处理和分析做好充足的准备,进一步确保大型建筑结构的安全和质量。

(三)数据处理和分析体系

数据采集和运输至数据中心服务器后,需要对数据进行处理和分析进而获得建筑结构的健康情况。数据的处理和分析的流程主要包括数据检验、数据读入与编辑、分析项目和计算与绘图等步骤,开展错误数据解释、数据幅显示、数据时域显示、频域显示和频数计数等分析,全面获得数据的价值,进而通过数据的处理和分析掌握大型建筑结构健康的状态,并为下一步结构预警和纠正做好准备。有学者这样论述:“在大型建筑的结构健康监测中,要对大量不同类型的传感器采集到的数据信号进行处理.基于Oracle数据库开发平台,根据各传感器的分类、采集的时间,建立相应的数据库系统。该系统能有效地对采集到的海量数据进行存储、管理、查询及异常数据的预警处理”。[2]这些都说明,大型建筑结构健康监测的数据处理和分析体系是科学的严密的,需要通过专业的信息化的数据手段和数据信息平台来进行。

(四)结构预警体系

根据对数据处理和分析的结果,对大型建筑结构健康的情况进行判断。处理后的数据包括了对大型建筑结构负荷作用以及效果两个类别,其中通过对负荷作用阈值的设置,分为预期内和超出预期两种;在效果方面,又可分为上、中、下三种,通过设置一定的权重,依据处理后的数据对其进行判断是在预期内还是超出预期,综合两者的判断后,若都在预期内,则为健康,若都超出预期范围,则大型建筑结构存在安全问题,需要进行预警和纠正,进而保证使用者的人身财产安全。[3]

三、基于监测的建筑结构性态案例分析

(一)大型建筑结构在火灾后监测

对大型建筑结构火灾后监测,案例选取了大型体育场,体育场使用的是穹顶屋面,且按照规定和要求安装了结构监测体系。索力监测是穹顶屋面状态关键的指标,在发生火灾第一时间内需要对索拉力数据进行分析,在发生火灾后,通过前后数据对比分析,发现变化较小,说明造成的影响较小,不影响以后的正常使用。

(二)大型建筑结构在台风后监测

台风过后,由索网-钢管桁架构建而成的展览馆的铝板被吹落,依照结构健康测试体系,对风速、风压、索拉力等进行分析,通过对前后的各项数据进行对比,结构内部力在正常范围内,但是在风吸力的作用下,由于施工质量存在问题,导致了展览馆铝板被破坏。[4]这说明大型建筑结构不能缺少台风后监测这一环,这是由大型建筑结构的特点所决定。

(三)大型建筑结构在地震后监测

为证实地震对大型建筑结构的影响程度,选取了地震后的体育馆进行监测,在地震中体育馆发生了部分杆件弯曲、限位板损坏等现象。通过振动传感器的布局,进行振动监测数据,通过所获得数据来看,虽然地震对部分构件进行了破坏,但整体结构良好,通过加固和修复可继续使用。

参考文献

[1]张其林.大型建筑结构健康监测和基于监测的性态研究[J].建筑结构,2011(12):68.

[2]林建富,程瀛,黄建亮,程树辉.大型建筑结构健康监测的海量数据处理与数据库开发研究[J].振动与冲击,2010,29(12):55-59

[3]申国军,董秀良.超高层建筑结构健康监测研究[J].科技视界,2014(9):94.

[4]祝小龙,向泽君.大型建筑结构长期安全健康监测系统设计[J].测绘通报,2015(11):76.

基于监测 篇2

基于MODIS冬小麦长势监测研究

本文在对比分析MODIS NDVI与AVHRR NDVI的系统误差基础上,以MODIS/AVHRR卫星资料、地面农情观测资料为主要数据源,开发出淮北平原冬小麦长势监测旬、月MODIS NDVI比较模型和MODIS NDVI半定量监测指标模型,该模型在检验应用中得到与实际较一致结果.

作 者：刘惠敏 黄勇 荀尚培 Liu Huimin Huang Yong Xun Shangpei  作者单位：安徽省气象科学研究所,合肥230031 刊 名：气象科学  ISTIC PKU英文刊名：SCIENTIA METEOROLOGICA SINICA 年，卷(期)：2007 27(2) 分类号：P462 关键词：MODIS/AVHRR   植被指数   冬小麦长势监测  

基于监测 篇3

关键词：网络监控　WinPcap　嗅探　PDH

中图分类号：TP39　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973（2012）003-075-02

1 WinPcap的功能

Winpcap(windows packet capture)是Windows平台下一个免费的SDK，它为win32应用程序提供访问网络底层的能力。Winpcap不能阻塞、过滤或控制其他应用程序数据报的发收，它仅仅只是监听共享网络上传送的数据报。

它提供了以下的各项功能：

(1)捕获原始数据报，包括在共享网络上各主机发送/接收的以及相互之间交换的数据报；

(2)在数据报发往应用程序之前，按照自定义的规则将某些特殊的数据报过滤掉；

(3)在网络上发送原始的数据报；

(4)收集网络通信过程中的统计信息。

2 WPcap.dll

动态链接库wpcap.dll。它也是提供给开发者的API，它输出一组与系统有关的函数，用来捕获和分析网络流量。

3 主要设计与开发的内容

本系统实现的功能主要实现网络流量监测与统计分析。在用户方面，该系统实现了计算网络流量与网络协议分析等具体功能；在整个项目方面，该系统作为网络异常告警与智能分析的基础模块。

流量监测是以图形的方式实时显示出流量的大小。

流量统计分析包括ARP数据包统计、TCP数据包统计、UDP数据统计、ICMP数据包统计、广播数据包统计等。包括的子项有：

(1)每个数据包的时间、源IP地址、源MAC地址、目的IP地址、目的MAC地址、端口号、数据包大小。

(2)统计一段时间内某种协议的数据包个数及总大小。

(3)按源IP和目的IP统计某个IP地址到另一个目的IP的某种协议的数据包时间、源IP地址、源MAC地址、目的IP地址、目的MAC地址、端口号、大小。

(4)按源IP或者目的IP统计某个IP地址的某种协议的数据包总大小及总大小。

4 总体设计方案

整个软件分为三个子模块。三个模块为：数据包统计分析模块、流量监测模块、用户模块(界面模块)。

统计分析模块主要基于WinPcap捕包原理，通过截获整个网络的所有信息流量，根据信息源主机，目标主机，服务协议端口等信息按照ARP、TCP、UDP、ICMP、广播协议过滤分析、统计。

本模块要将网络中各种层次中的协议进行对比分析，对已知数据字段进行分析，这种分析是逐层进行的。因为数据包的结构都是自顶向下层层的添加数据包头，而且每层的包头都有固定的长度，所以根据特定位置来判断协议类型也就变得简单。在本系统中，采用的是网络中的OSI标准，即网络的七层结构。

流量监测是流量的短期分析。该模块主要实现如下功能：网络总流量的实时查看，网络输出流量的实时查看，网络输入流量的实时查看。

用户模块（界面模块）本系统主要采用Visual studio 2008平台来设计用户界面，使其界面与Windows保持最大的一致。

5 统计分析模块详细设计

编写WinPcap应用程序首先获得主机的所有网卡。WinPcap用函数pcap_findalldevs()来实现，该函数返回一个pcap_if的链表，链表中包含了每一个网卡的详细信息。

打开设备的函数是pcap_open()，它有三个参数snaplen、flags和to_ms。snaplen参数用来制定捕获包的特定部分。如果网卡设置成混杂模式，Winpcap能获得其他主机的数据包。to_ms 参数指定读数据的超时控制，超时以毫秒计算。当在超时时间内网卡上没有数据到来时，对网卡的读操作将返回。

当设备被打开，调用函数pcap_dispatch()来捕获数据包。pcap_dispatch()可以不被阻塞。这个函数都有返回的参数，一个指向某个函数的指针，Libpcap调用该函数对每个从网上到来的数据包进行处理和接收数据包。另一个参数带有时间戳和数据包长度等信息，最后一个是含有所有协议头部数据包的实际数据。MAC的冗余校验码一般不出现，因为当一个帧到达并被确认后网卡就将它删除。

当对网络数据包的分析的时候，必须先分析链路层，其次分析网络层，之后是传输层，最后分析应用层。

由于本程序只分析以太网的协议，所以去掉以太网协议的部分，剩下的就是IP协议的数据；IP协议部分包括 TCP和UDP协议的数据包；之后分析TCP和UDP等传输层的协议，将传输层协议部分舍去，留下来的是应用层协议；最后解析应用层协议。

基于以太网协议内容的进行分析，判断以太网类型的值：如果是0x0806，表示ARP协议，则分析ARP协议；如果是0x0800，表示协议为IP协议，则分析IP协议,在分析IP协议时，根据协议类型的值判断传输层协议类型：如果IP协议类型字段的值是6，表示协议为TCP协议，则分析TCP协议。

统计分析模块将分为五个功能的详细设计分别是ARP数据包统计、TCP数据包统计、UDP数据统计、ICMP数据包统计、广播数据包统计。

6 流量监测模块详细设计

网络流量监测的思想是：对流入和流出网卡的数据包进行检测并对数据包的长度进行累加，从而得到流量数据。由于Windows NT/2000/XP/7提供了一个系统性能的接口（注册表），所以需要做的就是访问这个接口，得到数据流量。

具体实现通过PDH和读取注册表中的系统性能数据来实现流量的监测模块。PDH是英文Performance Data Helper的缩写。随着PDH逐渐成熟，为了使该数据库的使用变得容易，Microsoft开发了一组Performance Data的API函数，包含在PDH.DLL文件中。使用PDH API基本上包括5个步骤。

创建一个查询；向查询中添加计数器；搜集性能数据；处理性能数据；关闭查询。

在本系统中将采用查询注册表的方式完成PD的查询。本系统中用到了一个注册表函数RegQueryValueEx，该函数根据一个开放的注册表键值和一个具体的名字值查找相关的类型和数据。

参考文献：

[1]　刘敏,过晓冰,伍卫国,等.针对网络扫描的监测系统[J].计算机工程,2002,28(2):77-78.

[2]　循序渐进学习使用WINPCAP．http://www.cnpaf.net/Class/winpcap/index.html.

[3]　Joao B.D. Cabrera,Lundy Lewis,Raman K.Mehra.Compositive Detection and Classification of Intrusions and Faults using,2002.

[4]　张宏莉,方滨兴,胡铭曾,等.Internet测量与分析综述[J].软件学报,2003,14(1).

基于监测 篇4

城市桥梁的变形监测是对被监测桥梁进行量测, 以确定其空间位置及内部结构随时间的变化特性。桥梁的变形监测是对桥梁整体结构性能的监测, 是用工程量测原理、技术和方法以及特种精密工程量测仪器, 量测桥梁变形控制点的坐标, 通过对每次量测所得到的桥梁变形控制点坐标对比和结构计算分析, 绘制相应的位移变形影响图表, 结合设计构造、配筋等结构基本情况, 就能从宏观判断桥梁结构的安全性, 提出针对性的处理措施, 从而达到监测预报警示的目的。对城市桥梁进行变形检测工作, 是桥梁维护中进行检查和保养工作中的重要内容。通过变形检测, 监视桥梁结构使用中的变形情况, 当发生非常情况时, 能及时给出预报, 及时采取相应措施, 将事故防卷与未然。不仅仅如此, 还将为桥梁进行承载力鉴定提供可靠的数据, 为以后的桥梁结构设计、施工、管理和科研工作提供参考数据。

桥梁结构产生可两类变形, 一类变形能反映结构的整体工作情况, 例如挠度、角度、位移等, 叫做整体变形, 桥梁随时间老化, 表现最突出的是桥梁挠度的变化。整体变形能力能够涵盖结构整个工作状态的全貌, 整体变形常常是最基本的, 一般测量几何变形进行数据获取;一类变形能反映结构的局部工作情况, 如纤维变形、裂缝、钢筋滑移等, 这叫做局部变形。突出表现缺陷的特征是裂缝, 裂缝的位置、方向反应了桥梁老化的部位和性质, 局部变形数据常常靠常规检测和结构的定期检测。

城市桥梁的变形监测主要包括:桥梁结构下部监测。桥梁结构下部包括桥墩、桥台、桥塔和桥桩基础, 承担着结构的自重及活荷载, 并将其传递给地基。因此, 下部结构的工作情况对桥梁结构的安全使用具有重要的影响;桥梁结构上部 (主梁) 的监测。桥梁结构上部是直接承受活荷载的承重构件, 主梁的内力和变形量随着活荷载的作用位置及荷载大小的变化产生相应的变化并引起主梁的挠度变形, 变化的不均匀性可以诱发桥梁平面产生扭转, 所以结构上部几何变形可直观地反应了桥梁结构的工作状态;桥梁结构环境参数变化监测。主要包括桥梁处的温度、风速、风向等, 在桥梁运营期间的健康判断监测中作为重要参数进行采集。

桥梁的变形监测实施要点为:监测点应设置在最能反映桥梁结构受力的特征的点、线、面上, 兼顾一点多用的原则;变形监测可以确切反映桥梁的变形程度或变形趋势, 这是作为确定监测方法和监测精度的基本要求;变形监测的周期由变形大小、速度及监测目的所决定, 以全面反映桥梁变形规律为标准, 也可根据变形量的大小和速率来调整监测周期。城市桥梁的变形监测可采用常规量测方法, 因该法理论成熟, 量测数据可靠, 量测费用低廉等优点, 并且现在已有较大改善:可利用高精度测距来代替精密量测角度, 从而提高工作效率;使用电子水准仪替代光学水准仪观测, 可提高观测数据的准确性;采用量测机器人代替经纬仪量测, 可实现量测和数据处理的自动化及智能化[1]。

城市桥梁的正常运营事关社会公众事业, 近来桥梁事故频发, 这对桥梁管理部门敲响了警钟, 一定要及时准确取得桥梁的健康情况, 科学有效地进行桥梁维护。但是城市桥梁数量巨大, 并且城市桥梁的造价决定了其健康监测系统要具备操作性强、成本小的特点, 现提出基于变形监测的城市桥梁健康监测系统。

第一, 建立完善的城市桥梁档案, 对城市桥梁结构定期量测, 结构定期检测应记录桥梁构件的侵蚀情况, 受损的程度和位置等, 并依据桥梁状况指数BCI评估桥梁的完好状态等级, 定期检测的数据进行整理, 把桥面系、上部结构和下部结构的完好状况、缺陷类型等都进行归档存放。

第二, 根据桥梁检测数据, 评价桥梁完好情况, 考虑桥梁实际运行状况和结构类型、所处环境、交通压力、资金多少等实际情况分级、分批次对城市桥梁建立基于变形的桥梁健康监测系统。变形监测网的设置要能准确反映出桥梁结构的变形程度或趋势, 结合周期检测数据, 考虑桥梁结构的实际情况和受损情况进行布置, 各测点之间以及监测系统之间可以相互检验, 保证整体系统的协调统一, 也可以保证数据分析的准确可靠[2];与此同时注意桥梁各项环境参数的数据采集, 如温度、风速、流量等, 充分保证监测系统的针对性、完整性、可靠性。

第三, 依据健康监测系统的运行, 即定期检测、变形监测以及环境参数的相关数据, 科学建立有限元模型计算分析, 提出桥梁的运营状况安全性评估报告, 使用于管理维护。如不能满足正常运营需求, 要采取相应的加固维修措施或停止运营以确保安全, 达到监测预警的目标。

基础设施建设的蓬勃发展, 致使我国城市桥梁数量激增, 然而桥梁安全事故也屡有发生, 现如今桥梁逐步由大规模建设时期逐步转入到维修管理的时期。如何确保城市桥梁的安全运营, 如何及时提供科学合理的可靠数据, 建立和健全桥梁健康监测系统日益重要。对于城市桥梁, 因为缺少结构内力等相关数据支撑, 如何成立健康监测系统以保证桥梁安全运营, 均需要桥梁工作者积极探索研究;随着城市桥梁使用的年代增长, 结构老化和损伤, 一定要对其进行连续不间断的健康监测;总之城市桥梁健康监测不能是传统的桥梁检测技术的简单改进, 而要运用现代传感器与通讯技术, 实时不间断的监测桥梁运营阶段在各种条件下的结构数据, 实时获取反映结构状况和环境因素的各种数据, 科学分析结构健康情况和评估结构的可靠性, 为桥梁的管理维护给出科学的依据。

摘要：城市桥梁, 因为建设年代跨度大, 受到许多不确定性因素和复杂工作环境的影响, 为了确保城市桥梁的安全使用, 及时为桥梁管理、维修和加固提供科学合理的可靠依据, 建立和健全桥梁健康监测系统日益重要, 提出基于变形的城市桥梁健康监测系统, 能及时进行桥梁安全预警。

关键词：城市桥梁,变形,监测

参考文献

[1]熊海贝, 李志强.结构健康监测的研究现状[J].结构工程师, 2006 (5) .[1]熊海贝, 李志强.结构健康监测的研究现状[J].结构工程师, 2006 (5) .

[2]岳建平, 方露, 黎昵.变形监测理论与技术研究进展[J].测绘通报, 2007 (7) .[2]岳建平, 方露, 黎昵.变形监测理论与技术研究进展[J].测绘通报, 2007 (7) .

基于监测 篇5

基于机器视觉的飞行员疲劳监测技术

航空事故中约有75%与人的失误有关,而飞行疲劳导致的工作能力下降是造成事故的重要原因.经过长时间大规模的研究发现,疲劳产生的主要原因是飞行员睡眠不足和昼夜节律的改变.昼夜节律改变可引起缺眠.长期缺眠能导致工效降,而工效下降在飞行过程中最容易产生人为失误,也最容易发生飞行事故.研究表明.疲劳与飞行计划、睡眠状况和工作负荷密切相关.在民用航空医学研究中,对飞行疲劳的`关注和研究的时间最长,但至今仍没有一种方法能对飞行疲劳进行客观测量和有效预防,因此飞行疲劳仍然是当前航空研究的重点内容.开发一个在飞行实际过程中监控飞行员是否疲劳的系统具有很重要的意义.

作 者：犹轶 作者单位：中国民航飞行学院新津分院,四川新津,611431刊 名：中国科技博览英文刊名：ZHONGGUO BAOZHUANG KEJI BOLAN年，卷(期)：“”(17)分类号：V32关键词：机器视觉 疲劳监测 飞行

基于监测 篇6

关键词： 石油生产； 流量； 光纤； 湍流； 振动

中图分类号： TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.003

Study of optical fiber fluid flow monitoring system

using pipe vibration frequency characteristic

LIU Xiaohui1， LIU Suxiang2， SHANG Ying1， WANG Chang1

（1.Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，

Laser Institute of Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；

2.Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China）

Abstract： Fluid flow is an extremely important parameter in the oil production field. Realtime monitoring of fluid flow parameter provides a scientific basis for increasing reservoir recovery. An optical fiber fluid flow monitoring system based on pipe vibration frequency characteristic is proposed. The vibration of the pipe is induced by turbulent flow when fluid flow passes through the pipe. The fiber optic sensors wrapped around the pipe outside the wall are used to detect the vibration information. The frequency characteristics of the vibration of the pipe are summarized. Then the relationship between mean flow rate and standard deviation of the vibration of the pipe induced by turbulence is determined.

Keywords： oil production； fluid flow； fiber optic； turbulent flow； vibration

引言石油生产中，流量是油气井下的重要物理量，实时流量监测能够为提高原油采收率提供可靠的科学依据。石油工业中被测流体的成分复杂，流态多种多样，工作现场的条件十分恶劣，传统电子传感器在井下恶劣环境诸如高压、高温、腐蚀、电磁干扰下无法正常工作。与传统电子传感器比较，光纤流量传感器具有如下优点：（1）灵敏度高，动态范围广，准确性高；（2）易于远距离测量；（3）耐高压高温，电气绝缘性好，抗电磁干扰，安全可靠；（4）体积小，质量轻，集传感与传输于一体[15]。本文利用湍流诱发振动特性以及光的相位特性，提出了一种光纤流量监测系统，该系统的光信号在光纤传输的过程中会受到管壁振动信号调制，采用相位载波（phase generated carrier，PGC）调制解调技术完成流量信号的提取。光纤作为感知流量信号的传感器，结构简单可靠，灵敏度高，在石油测试仪器中具有广阔的应用前景。1光纤流量监测系统原理

1.1管壁振动测试原理研究表明，流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式，故压力是流体与管壁传递能量的主要形式[6]。关于圆管湍流的研究表明，压力脉动和流速脉动成正比[7]，即p∝u—v—（1）式中：u—为轴向平均速度；v—为径向平均速度。充满液体的油管可以简化为一维梁，具有关系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V为剪切力；M为弯矩；x为轴向位移；p′（x）为单位长度载荷函数。光学仪器第37卷

第2期刘小会，等：基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统

由工程力学可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y为径向位移；EI为抗弯强度。由梁的振动式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t为时间；g为重力加速度；A为截面积；γ为比重。结合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振动的加速度和压力脉动成正比。根据文献[8]中湍流强度的推导可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u—2∝u—（6）式中N为采样点数。由式（6）可以看出管道振动的标准方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振动的标准方差和平均流量成正比。由以上公式的推导可以得出平均流量与振动加速度标准方差有定量关系，这是光纤流量测量系统的理论基础。

1.2光纤相位调制原理光相位信息由光纤波导的总物理长度、折射率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸决定。假定光纤波导折射率分布保持恒定，并已知施加在光纤上的扰动（外界信号），光通过长度为L的光纤后，出射光波相位延迟为[9]φ=2πnLvc（7）图1光纤流量传感单元

nlc202309032139

Fig.1Optical flow sensing unit式中：n为光纤纤芯折射率；c为真空中光速；v为光频。由此得出光相位的变化式为Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位变化的因素可分为温度效应和应力应变效应。温度效应所引起的相位变化较为缓慢，可采用信号处理的办法消除其引起的相位变化，因此本文的光纤流量监测系统主要采用应力应变效应。光纤流量传感单元如图1所示，在油管外壁选择流量监测点，在流量监测点处缠绕特定长度的高灵敏传感光纤，并在传感光纤末端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。当流体经过油管时，光纤流量传感单元感应湍流引起的压力脉动，经过PGC技术解调出相应的流量信息。

1.3相位载波调制解调原理迈克尔逊干涉仪干涉信号可表示为I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A为平均光功率；B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度；Φ（t）为干涉仪的相位差。设Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），则式（9）可写为[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C为调制深度；ω0为相位载波角频率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D为传感器信号幅值，ωs为传感器信号的角频率，Ψ（t）是扰动信号等引起初始相位的缓慢变化。根据Bessel函数，式（10）可表示为I=A+BJ0（C）+2∑∞k=0（-1）kJ2k（C）cos（2kω0t）cosφ（t）-

2∑∞k=0（-1）kJ2k+1（C）cos（（2k+1）ω0t）sinφ（t）（11）图2PGC解调原理图

Fig.2Diagram of PGC图2是PGC解调原理图，迈克尔逊干涉仪的输出信号I分别与二倍频、基频相乘，为了克服信号畸变和消隐现象，分别对两路相乘后的信号进行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算后变换为信号S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G为基频系数；H为倍频系数。将φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信号S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，积分后得到的信号包含传感信号Dcos（ωst）和外部干扰信号，后者通常是慢变信号，通过高通滤波器（HPF）消除外部干扰信号，光纤流量监测系统的最后输出信号S为S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纤干涉流量计实验系统

2.1光路设计连续稳定的激光被声波调制器调制为重复频率为100 Hz、脉宽为1 μs的脉冲激光，脉冲激光信号在经过马赫曾德尔干涉仪后形成两个脉冲激光信号，如图3所示，两个脉冲激光信号依次注入光纤流量传感器，经过一系列光纤光栅反射，在接收端信号形成含有传感信号的脉冲序列。

2.2实验系统设计液体循环系统如图4所示，系统主要由油管、阀门、注水口、出水口、水泵、光纤流量传感器以及电磁流量计组成。首先通过注水口往油管内注入液体，使得液体充满整个循环系统，然后开动水泵，使得液体在油管内循环流动起来，通过调节阀门A和阀门B控制流过光纤流量传感器的流量，在光纤流量传感器附近安装一个电磁式流量计用于标定光纤流量传感器。本系统为了能够检测到0～40 kHz的传感信号，在实验中采用了频率为80 kHz的载波频率。通过分析解调油管中传感信号的频率特性，确定流体振动信号频率范围主要集中于10～30 kHz，实验结果如图5所示，在此频率范围内光纤流量监测系统能较好地完成流量监测。图3光纤流量监测系统光路图

Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system

图4流量测试实验系统

Fig.4Schematic diagram of the

experimental system图5频率范围10～30 kHz下的光强与流量关系图

Fig.5Relationship between light intensity and

flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz

3结论采用光纤传感技术将湍流振动产生的动态压力信号转化为光相位信号，确立了光相位信号与流量的二次曲线关系。通过研究流体流过管道时湍流引起的振动信号的频率特性，提出了一种光纤流量监测系统，成功实现了非浸入式测量范围为5～50 m3/h流量的在线测量。通过实验发现，在大流量的情况下测量精度较高，测量精度为±5%，为进一步实施油井实地实验提供了参考。 参考文献：

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（编辑：刘铁英）

基于能效监测的能源管理优化 篇7

全球大约五分之一的收入来自于制造业,接近一半的居民消费品也来自于工业制造。人们在通过工业化来提高生活水平的同时也付出了环境的代价。1970年之前的200年内,人均能耗增加了9倍(Cook 1971,1972)。而在之后的40年间,人均能耗又增长了25%。随着全球经济和科技的高速发展,环境和能源问题得到了愈来愈多的重视,为了不使其成为制约人类社会进步的瓶颈,世界各国在能源的开采、转化和消耗等领域开展了积极的研究。工业发展务必实现可持续性,各国实现绿色工业的重要基础便是提高工业能效。我国也把节能减排战略作为实现可持续发展的重要举措,力争在发展工业的同时降低资源损耗和减少对环境的破坏。

《“十二五”节能减排综合性工作方案》的发布,加大了对用能单位的监管力度,强化了节能减排目标责任。作为节能减排技术应用的主要载体,许多大型工业园区仍然缺少有效的手段来监测管理系统能效[1],在能源管理和优化方面也有诸多缺陷。而能效监测系统,对企业降低生产成本、提高用能效率具有极大的意义。

能效监测系统包括能耗分项计量、管理工作站、监测管理软件等数个方面,具有采集、传输、储存、分析、管理优化等等各方面功能。系统通过仪表采集电、水、煤、油、燃气、蒸汽等用能数据,通过以太网、GPRS/CDMA、Zigbee等无线网络传输到上级监管平台,管理者可以通过局域网、因特网等途径查询访问实时能耗数据,并进一步分析、对比和优化。

文章以此为背景,针对山西某综合型工业园区生产和能源消耗的特点,对园区综合能效监测方法进行了研究,设计开发出了基于该综合工业园区的能效监测系统,并在实际应用中实验了该系统的能源管理和优化功能,验证了该系统的可行性。

1 监测系统总体结构设计

能效监测系统的可行方案有两种,一种是把能源管理软件系统和已有的监测平台结合起来;另一种是采用新的硬件设计来采集、处理、传输能源消耗数据[2]。因此,从方法论的角度来看,能效监测系统涉及到硬件和软件两个方面。从功能上来看,能效监测系统可以划分为以下几部分:用能采集、数据集中、数据传输、数据储存、分析处理。系统总体结构设计示意图如图1所示。

2 硬件的选择与设计

硬件设备分为三个部分,采集计量设备是每个用能点的智能仪表,负责能耗数据采集;中间传输设备主要包括数据集中器和网络传输部分;主站设备主要包括监测中心的服务器、能源管理系统等。

每个用能点的智能仪表完成数据计量采集以后,通过RS-485总线传送给数据集中器,数据集中器再通过以太网、无线局域网、GPRS/CDMA等手段传输给监测中心,监测中心将接受到的数据储存在数据库中,并实现实时显示、查询、分析等功能。

2.1 RS-485总线

在工业现场控制中,由于控制对象比较分散,往往采用集中管理、分散控制的集散式控制方式,具体地讲就是根据现场情况分解成多个数据采集级或直接控制级,根据控制过程的复杂性分解成多层递阶结构,即现场控制层、监视和综合管理层,这就构成了一个集散控制系统(DCS,Distributed Control System)[3]。由于串行通信使用的传输线较少,在长距离通信时比较经济。在多种串行接口标准中,RS-485接口以其结构简单、通信速率高、传输距离远等诸多优点,在集散式工业控制系统中得到了广泛应用。RS-485总线实现了能耗数据集中传输,分项计量采集、数据集中的网络结构如图2所示。

2.2 采集计量设备

采集计量设备包括电能表、水表、油表、燃气表、蒸汽表,用煤数据通过手动输入计入数据库。

电能表主要选用DTS343型和DTS719型电子式电能表,由电流互感器、电能计量专用芯片和液晶显示器构成,符合国家标准GB/T17215.321-2008。两款表都可以计量正、反有功总电量以及三相分相电量,并且可以储存12个月的历史用电量。两款表都具有红外通讯接口、RS-485通讯接口。

水表选用DN32-200远传大口径水表,无源发讯,具有短线、断线检测功能,通用性强,寿命长,拥有RS-485接口,支持DL/T645协议、CJ/T188协议、MODBUS协议。

油表选用OW-LC油表流量计,计量精度高,适用于高粘度介质流量的测量,支持脉冲信号、RS-232、RS-485通讯。

燃气表选用LXSY-15-300远传光电直读燃气表,光电直读远传气表为基表,采用对射式光电直读模块,以目前最为先进的RS-485总线方式传输,平时不需要供电,只是要抄表的瞬间由集中器下达抄表指令进行瞬间供电抄表。

蒸汽表选用LS-LUG RS-485通讯蒸汽流量计,计量精度高,支持脉冲信号、RS-485通讯。

2.3 中间传输设备

中间传输设备包括数据集中器和网络传输设备。

数据集中器的主要功能是把分散的仪表测量能耗数据集中起来,并打包传输到监测中心的服务器,数据集中器的显示模块同时也能实时显示能耗数据和仪表工况。数据集中器主要包括以下几个部分:CPU、存储电路、RS-485接口电路、显示电路、以太网接口电路、电源[4]。数据集中器可以选配Wi-Fi通讯模块、GPRS/CDMA通讯模块,支持数据储存、断点续传功能。

网络传输有多种途径,其中有线传输以以太网为主,通过TPC/IP协议,将数据从集中器传输到监测中心。无线传输包括Wi-Fi局域网传输,与以太网传输相似,不同之处在于对于厂房、车间等不便于布线的场所,可以采用Wi-Fi通讯模块之间的无线传输。特点是覆盖成本低、范围广、传输速度快,同时传输距离近、通信质量欠佳。

其他的无线传输主要应用到的是GPRS/CDMA通讯。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。它提供端到端、广域的无线IP连接。GPRS通信技术具有技术成熟、覆盖面广、无盲区等特点,利用其实现电力系统数据的无线传输,不仅可以节省数据传输网络的投资,还可以不受地域的限制,且数据传输安全可靠[5]。在选用GPRS/CDMA通讯的同时,应注意其传输速度有一定限制,以及需要承担运营商租用成本的特点。

2.4 主站设备

主站设备主要包括通信服务器、数据库服务器和管理分析平台。数据库服务器采用目前流行的SQL Server 2008平台,它有很好的稳定性、可靠性、安全性。

3 软件的设计

软件系统采用.NET framework 4.0 CLR体系开发,拥有C/S(客户端/服务器)和B/S(浏览器/服务器)两种构架。网页和前台客户端采用了Silverlight技术,运用C#语言编写。主要的模块包括:通信服务、数据集中、数据显示、数据查询和导出。后台采用SQLServer2008数据库作为服务器端。监测中心的应用软件包括:数据库、监测软件、管理分析软件。

3.1 数据库设计

数据库分为两种。一种储存从分项计量端传输上来的原始数据,并进行整理、分类、建模、分析优化、提出能源管理以及节能技术建议,并反馈给管理者。另一种作为服务器端数据库,将整理好的数据储存在其中,用户可以通过客户端、浏览器进行查询访问。

3.2 监测软件设计

监测软件同时拥有C/S和B/S两种构架,使用C#在.NET体系编制。按照功能来分,软件拥有以下模块:数据集中器配置、通信、数据查询、数据显示[4]。

数据集中器配置功能主要用于配置仪表地址和查询仪表信息,包括仪表IP、端口、连接时间等;通信功能主要完成数据集中器和监测平台的数据交换,同时对接收到的数据进行分析、储存;数据查询可以查询指定编号用能点的能耗数据,并将需要的数据导出成报表;数据显示功能是将实时能耗数据以数字或者图表的形式显示出来。

3.3 管理分析软件设计

能效监测的最终目的是实现工业园区节能。管理分析软件正是基于此目的设计的,可以针对不同设备、厂房生成全面的用能数据对比,也可以针对一个设备或厂房生成历史数据对比报表[6]。数据分析的内容包括:某单位能耗概要、不同单位间能耗对比、园区总能耗概要、能效评级、每个单位详细用能情况。通过数据分析,管理者可以知道资源是否被有效利用,从而及时对能效低下等状况进行处理。

管理分析软件设定了数个不同使用者等级,管理者需要通过相应的用户认证,才能接触到关键信息,并采取进一步处理措施。

4 能源管理优化

能源管理的目的是对能源进行明智且高效的使用,从而使得企业利润最大化,同时通过组织化的改进措施以及对工艺能效的最优化,提升企业的竞争能力。一个全面的能源管理项目不应该仅仅是针对技术方面的,还应该包括针对管理原则方面的指导。全面的能源管理项目往往涉及到多个学科,同时包含了工程和管理方面的技巧。任何行业中的能源管理都涉及到财务、社会和环境等多方面因素。财务方面的因素主要是企业的赢利能力以及增长潜力。而社会和环境方面的因素主要着眼于企业、员工以及社会从能源管理项目中获得的益处。能源管理项目的结构如图3所示。

为了保证一个能源管理项目的成功实施,首先必须得到公司管理层的认同和委任。实施的初期,就必须明确一点,同普通的节能项目相比能源管理项目具有很强的持久性。在实施的时候,企业必须任命至少一名能源管理经理,这名人选通常应具备整个生产流程的技术知识,并且会负责所有与能源相关的生产活动[7]。设立新的岗位与职责有利于能源管理项目的实施。在能源管理的过程中,其他节能服务公司也可以通过合同能源管理的机制加入进来。合同能源管理(EPC),是指节能服务公司与用能单位以契约形式约定节能项目的节能目标,节能服务公司为实现节能目标向用能单位提供必要的服务,用能单位以节能效益支付节能服务公司的投入及其合理利润的节能服务机制[8]。

5 针对工业园区的实例分析

项目中的工业园区位于山西,总面积6百万余m2。园区内现有企业16个,在建项目5个,规划项目15个;园区周边现有企业8个,在建项目9个,规划项目6个。现有企业包括钢厂、炼铁厂、镁合金厂、建材厂、煤化工厂、热电厂、运输公司等。

5.1 工业园区监测到的能耗数据

针对园区中的煤化工、镁合金、钢铁、建材四家企业2010、2011年度用能状况监测,给出了监测数据的统计分析。

通过数据对比,可以明确地了解到不同企业在各项不同能耗方面的差异。表1是四家企业在2011年度用能情况的分项计量数据。

从统计数据中可以明确看出不同企业的用能分布和能耗特点。其中煤化工厂的用煤一项包括了用作原材料的精煤。

同时,通过对同一家企业当年能耗数据与历史能耗数据的对比,也可以看出企业单位能耗的变化。煤化工企业2010、2011年度总的能耗情况,以及产量情况对比如表2所示。

5.2 针对钢铁厂的能源管理与优化

钢铁行业是世界上第二大工业用能行业,仅次于石油化工行业。金属熔化工序大概消耗了整个铸造车间用能的40%~60%[9]。而且将熔化的金属保持在熔化状态也产生了相当一部分能耗。

原料在熔炉中熔化可以分为四个过程:预热,填料,熔化,保温。对于一个17.5 t容量,额定功率4 000 kW的熔炉进行用电监测,得到电能的消耗过程如图4所示,整个周期5.5 h左右,图中的电功率取平均值或平均增长率。

不同阶段能耗所占的比例如图5所示。

根据监测到的数据,整个周期的输入总能量为8 025 kWh,最终产品为1 422℃的灰口铸铁和球墨铸铁,产量为17.5 t,可以计算出输出总能量为6 325 kWh。整个工序的能效计算如下。

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能源管理优化方案的选择是最有挑战性的一个环节,因为除了需要具备专业的工艺流程知识以外,选定的方案还需要经过数学模拟、实验验证以及经济性分析。能源管理优化方案往往是从技术方面和管理方面同时提出的。

技术优化方案的提出过程,可以对图5进行分析得出,整个工序中熔化阶段的能耗占了最大的比例,因此提高能效必须要从熔化工序的节能技术着手。无芯感应电炉是现金钢铁熔化工艺中最为高效的一项技术,技术方面的能效优化的手段应该在与这项技术相关的方面寻找。

在提出管理优化方案的时候,应注意到以上的计算过程取第四阶段保温阶段为最短时间,也即0.5 h。然而在实际生产过程中,整个工序周期往往选择在夜间进行,所以保温阶段会长于0.5 h,通常是凌晨1点半到早上7点半的6 h,从而使得能效不可能达到78.8%。如果保温时间按6 h算,那么整个周期输入总能量为9 400 kWh,此时的能效如下。

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因此,管理方面的优化方案应该着眼于对整个工序周期选择时间的改进,通过重新安排原材料输入和填料的时间点,减少工序中的保温时间,从而达到降低能耗、提高能效的目的。

一旦分析了技术和经济方面的可行性,并且选定了能源管理优化方案以后,便需要一步步落实,并且全程监测实施的结果。监测部门会跟进整个企业在能源管理优化的进展,并且计算出经过一段时间的实施以后,整个项目在节能方面的成果或者不足。这将有助于判断之前预测的节能目标是否能够真的达到,同时也有助于做出一些调整的决策。

6 结论

通过在山西某工业园区对节能监测系统与能源管理优化方法的实践,证明了节能监测系统与能源管理优化方法具有极佳的实用性。节能监测系统不仅为工业园区能效监视提供了最直观的可视化感知工具,同时也为工业园区的能源管理优化过程提供了科学性的数据依据。能源管理优化方法是一套行之有效的能效优化手段,在依据监测数据提供技术改进手段的同时,也在管理方法上提出了改进的建议。随着节能监测系统与能源管理优化方法进一步全面彻底推行,必将为该工业园区和全社会带来更多节能减排方面的利益, 无论从保护人类资源、实现可持续发展,还是从降低企业运行成本、提高经营效益等角度考虑,完善企业能源监控系统,具有突出的现实意义[10]。

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基于射频技术的无线监测系统 篇8

近年来, 随着人们生活水平的不断提高, 温室大棚数量不断增加, 温棚的管理控制就成为了一个重要课题。大部分温棚仍采用传统方法, 通过读取放置在温棚内的温度计和湿度计得到温棚内的温湿度, 从而人工制冷或加热, 使蔬菜在最佳环境中生长。这种方法效率低、实时性差。本文设计了一套基于射频技术的无线监测系统, 使农民能在家里的电脑上看到不同时段温棚内的空气温度、空气湿度、土壤含水量、土壤盐分和土壤PH值等, 从而能更方便、更有针对性的调节蔬菜的生长。

1 系统总体设计

系统采用TI公司生产的超低功耗MSP430[1]单片机作为控制核心采集各模拟量和数字量, Nordic公司的多通道单收发芯片nRF905[2]作为无线模块实现PC机与数据采集模块之间的通信。USB接口有即插即用、热拔插、接口统一和传输速率快等优点, 故系统上层选用Prolific公司推出的PL-2303USB转串芯片与nRF905组合通信方式。

系统总体结构框图如图1所示。系统分为两部分, 下层和上层。下层由数据采集模块和无线模块组成, 将其放置于温棚。上层由PC机USB通信接口、单片机和无线模块组成, 放置于室内。

其中数据采集端以MSP430单片机作为处理器, 采集到的数据通过nRF905发送给上位机;上位机以单片机作为控制器, 无线接收模块将接收到的信息传输给单片机, 按照通讯协议打包后经USB通信接口传输给桌面电脑。

本系统共设置5路信号采集接口[3], 可采集空气温湿度、土壤温度、湿度、PH值和电导率等信号, 其中土壤PH值采用RS485数字智能信号输出, 其余传感器均采用4m A~20m A电流输出, 各传感器选型如下:

空气温湿度:LB86高精度温湿度变送器, 测量范围:-10℃~60℃, 输出信号:4m A~20m A/RS232/RS485。

土壤温度:CG-03土壤温度变送器, 测量范围-30℃~70℃, 输出信号:4m A~20m A。

土壤湿度:FDS-100土壤水分/湿度传感器, 测量范围0~100%, 输出信号:4m A~20m A。

土壤PH值:H311-AS002-T土壤PH传感器, 测量范围0~14PH, 输出信号:RS485。

土壤电导率:土壤盐分传感器, 测量范围0~30.000m S/cm, 输出信号:4m A~20m A。

数据采集框如图2所示。

2 SPI通信协议

无线通信模块采用单片机和无线收发芯片配合工作的方式[4]。

无线收发芯片采用挪威Nordic公司的nRF905无线收发器。nRF905其工作电压范围为1.9V~3.6V, 通道切换时间小于650μs, 采用低功耗的Shock Burst TM工作模式, 可自动处理字头、CRC循环冗余码校验以及自动完成曼彻斯特编码和解码, 使用SPI接口与MCU通信, 在微控制器中低速处理数据, 在nRF905中高速发送。nRF905单片无线收发器由频率调制器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和GFSK调制器组成。通常无线通信不稳定, 而nRF905采用高斯频移键控GFSK调制方式使数据通信稳定可靠抗干扰性更强, 且nRF905数据传输速率快、所需外围元器件少、输出功率大, 因而选其作为无线数据传输芯片。

在系统周围, 如果有与本系统同频率或接近频率的电波, 会对通信产生一定干扰。为了提高无线通信的抗干扰性, 在本系统开发中采用跳频通信技术 (FHSS) 。使通信双方遵循相同的跳频序列, 遇到干扰时, 以别的频率通信。nRF905芯片为跳频通信提供了很好的硬件支持, 并且提供了可免费使用的433/868/915MHz三个ISM频段 (中国目前可以使用的ISM频段是:433MHz和2.4GHz) , 每个频段可提供29频道。

nRF905两种工作模式 (Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM发送模式) 和两种省电模式 (断电模式和待机模式) 由TX_EN、TRX_CE和PWR_UP三个引脚的高低电平决定。

单片机与nRF905是通过串行外设接口 (SPI) 进行数据传输, 实现双向通讯。nRF905的主入从出MISO、主出从入MOSI、时钟SCK分Z与MSP430的SPI口对应连接, 可对数据传输参数进行设置和控制 (读写数据数据时必须把其置为断电模式或待机模式) ;使能引脚CSN、TX_EN、TRX_CE、PWR_UP接到通用I/O端口;控制nRF905的三个状态接口AM (地址匹配) 、CD (载波检测) 、DR (数据就绪) 引脚接到MSP430的中断引脚上。

本系统以MSP430为主机, nRF905为从机。当主机向从机发送命令时, 先把从机置于待机模式 (PWR_UP置高、TRX_CE置低) , 通过SPI总线按时序把发送地址和数据写入从机寄存器中。再把从机置于发送模式 (PWR_UP、TRX_CE、TX_CE全部置高) , 数据就会自动发送, 发送完毕, DR置高。把从机配置寄存器中的AUTO_RETEN开启, 就能重复发送数据, 直至TRX_CE被拉低退出发送模式。发送完毕后, 自动进入待机模式。从机置于接收模式 (PWR_UP、TRX_CE置高, TX_EN置低) , 按配置寄存器中的接收地址自动接收数据, 检测到接收数据时CD置高, 主机置低TRX_CE将从机进入待机模式, 通过SPI总线接收数据寄存器中读出有效数据, 读取完毕, 置低AM和DR, 准备继续接收数据。

3 跳频通信

随着无线通信的广泛使用, 无线频道变得非常拥挤, 频道资源非常紧张, 干扰繁多。跳频通信[5]技术可以克服这些问题, 是非常有效的抗干扰措施。它是指通信一方频率按照设计好的伪随机序列跳变, 而让通信的另一方按相同序列同步跟踪接收。要实现跳频通信, 收发双方必须跳频同步, 并且时序要完全一致才能通信。无线通信模块采用设计好的跳频序列, 根据发送端的命令字, 接收端就可以知道当前频道驻留时间和下一频道时间, 从而使收发机同步工作。

跳频序列是用来控制载波频率跳变的多值序列。跳频序列的性能对跳频通信的性能起决定性作用。跳频序列决定了当前频率跳到下一个频率的规律。产生跳频伪随机序列的方法主要有:素数跳频序列族、基于m序列构造的跳频序列族、基于GMW序列构造的跳频序列族和宽间隔跳频序列族等。在不存在多普勒频移的跳频通信系统中, 素数序列族具有最佳的性能, 是唯一一种达到5个理论限的跳频序列族。素数跳频序列的汉明自相关为0且满足宽间隔特性, 故本系统采用素数跳频序列族。

该跳频序列族的构造过程如下:

(1) 令频率数目q=p为素数。

(2) 将有限域GF (p) 上的元素以升阶列出, G={0, 1, 2, …, p-1}。

(3) 将G中各元素同乘某一非零域元u, 1≤u≤p-1, 得到一个非重复跳频序列。

(4) 通过乘以不同的非零域元, 共可得到p-1个长度为p的非重复跳频序列。

本系统中, nRF905工作于433MHz频段, 频段范围为422.4MHz~473.5MHz, 433MHz波段的信道间隔是100KHz, 选用17个频道作为初始同步捕获频道, 根据上述跳频序列族构造过程得到通信预置频道跳转序列表, 如表1所示。

nRF905的工作频率是在配置寄存器中通过CH_NO和HFREQ_PLL设置的。CH_NO选择具体频道, 当HFREQ_PLL置‘0’时工作于433MHz频段, 置‘1’时工作于868MHz或915MHz频段。工作频率[6]计算公式如下:

定义一个数组channel_tab[index], 表示跳频频道表。定义ch_Index表示当前使用频道。跳频流程如图3所示。

数据发送方先向数据接收方发送RTS请求信号 (该信号中带有ch_Index) , 接收方收到RTS信号则向发送方发送CTS应答信号;当发送方接收到CTS信号, 则说明建立好通信, 发送方发送DATA信号, 接收方收到正确DATA信号则向发送方发送ACK数据确认信号, 发送方接收到则本次通信结束, 进入待机模式, 直到进行下一次通信。若200ms后发送方未收到CTS信号, 则重新发送RTS请求信号, 若三次握手失败, 则修改ch_Index进入跳频机制。ch_Index的值按跳频序列表变换。

4 结束语

上位机采用Visual Studio2008构建了友好的人机交互界面。测试界面如图4所示。

本界面简洁直观且易于操作, 便于监测各监测点的数据。可根据实际情况配置各监测项目的参数:预警下限、预警上限。按下“开始监测”键, 上位机软件就开始运行, 下位机按时上报数据信息, 按照协议读取数据, 经过数据运算处理, 通过界面显示出来。通过测试, 数据稳定可靠, 该系统性能稳定, 满足测定要求, 实时、连续、可靠、方便。

摘要：以温室温湿度等数据监测为研究对象, 设计了一种基于MSP430单片机和无线射频芯片的监测系统。给出了系统构成框架和实现跳频序列的具体方案, 提供了无线模块和数据采集模块的通信过程。针对ISM频段拥挤干扰繁多的现状, 采用跳频机制提高了系统的抗干扰性。测试结果表明, 系统实用性强、功耗低、工作可靠、便于使用。

关键词：数据采集,跳频,MSP430,nRF905

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基于ARM的猪仔体重监测系统 篇9

本论文详细叙述了猪仔体重监测的原理、系统的结构及部分功能的实现。系统基本完成测量和显示数据的功能, 但仍有可拓展和升级的地方。

1 系统结构框图

2 ARM上位机开发

ARM从串口接收数据, 即猪仔的重力大小, 把它放到数据库。为了直观显示和便于研究, 图形界面上显示最近五个数据, 并且可以查询在一段时间内某一范围大小的猪仔重力。具体实现如下:

(1) ARM板选择:采用三星具有工业级温度的微处理器S3C2440A-40, 主频400MHZ;采用2片4Banks×4M×16bits SDRAM, PC100/PC133兼容, 共64MB, 64M×8bits Nandflash;采用高精度6层板工艺, 其中3层电源层的设计, 使其具有最佳的电气性能和抗干扰性能, 具有低功耗特性。

(2) QT库移植:首先, 安装arm920t-eabi编译器, 将它解压到指定目录下, 并设置编译器路径;然后利用此编译器编译QT。

(3) 制作QT文件系统:在此, 我们利用现成的QT文件系统, 将它直接烧制到Arm板上。

(4) Sqlite数据库移植:Sqlite简介:Sqlite是嵌入式SQL数据库引擎SQLite (SQLite Embeddable SQL Database Engine) 的一个扩展。SQLite是一个实现嵌入式SQL数据库引擎小型C语言库 (C library) , 实现了独立的, 可嵌入的, 零配置的SQL数据库引擎。特性包括:事务操作是原子, 一致, 孤立, 并且持久的, 即使在系统崩溃和电源故障之后。零配置——不需要安装和管理。实现了绝大多数SQL92标准。整个数据库存储在一个单一的文件中。数据库文件可以在不同字节序的机器之间自由地共享。支持最大可达2T的数据库。字符串和BLOB类型的大小只受限于可用内存。完整配置的少于250KB, 忽略一些可选特性的少于150KB。在大多数常见操作上比流行的客户/服务器数据库引擎更快。用SQLite连接的程序可以使用SQL数据库, 但不需要运行一个单独的关系型数据库管理系统进程 (separate RDBMS process) 。SQLite不是一个用于连接到大型数据库服务器 (big database server) 的客户端库 (client library) , 而是非常适合桌面程序和小型网站的数据库服务器。这些特性使得Sqlite非常适合在ARM平台上使用。

(5) Sqlite交叉编译:利用Arm-linux-gcc编译器编译Sqlite源代码, 生成可在ARM上运行的可执行文件以及链接库。首先, 修改configure文件#./configure—host=arm-linux —disable-tcl —prefix=/home/sqlite-3.6.18/sqlite-arm-linux/;修改Makefile文件, BBC=gcc -g -O2;然后, 编译并安装, #make && make install;用strip处理, 去掉其中的调试信息, #arm-linux-stripsqlite3;最后, 进行移植, 对库的拷贝时要加上-arf选项, 因为libsqlite3.so, libsqlite3.so.0是链接到libsqlite3.so.0.8.6的;在开发板终端中将三个库文件拷贝到其库中, 而后即可使用sqlite了。

(6) QT界面设计:Qt开放源代码, 并且提供自由软件的用户协议。使得它可以被广泛地应用在各平台上的开放源代码软件开发中。经过多年发展, Qt不但拥有了完善的C++图形库, 还整合了数据库, OpenGL库, 多媒体库, 网络脚本库, XML库, WebKit库等, 其核心库也加入了进程间通信, 多线程等模块极大的丰富了Qt开发大规模复杂跨平台应用程序的能力。设计思路:在显示屏的主窗口上有两个页面可自由切换, 第一个页面功能是接收串口数据并动态显示最新五个纪录,

第二个页面功能是查询当前数据库记录, 查询的条件是时间与猪仔的体重。

3 测量原理介绍

多只仔猪共同被饲养在一个保育箱中 (面积:1.0m*0.5m) , 利用安装在保育箱底部的压力传感器可将仔猪的重力大小 (测量行为发生在猪仔熟睡之时以减少猪仔活动带来的压力误差) 线性地转换成信号输出端的电压变化。主控单片机C8051F020利用片内12位AD转换器将电压数据得到, 并进行一系列数据处理。根据返回电压值与重力大小的线性关系, 主控单片机将处理好的体重量通过串口传送给基于ARM的QT编写的软件的数据库中。QT程序调用数据进行数据的显示, 查询, 按时间轴等的排序。

4 主控单片机选择

C8051F020/1/2/3器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片, 具有64个数字I/O引脚。

针对本项目, C8051F020的优势: (1) 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (可达25MIPS) 。 (2) 真正12位、100 ksps的8通道ADC, 带PGA和模拟多路开关。 (3) 拥有4352 (4096+256) 字节的片内RAM。 (4) 5个通用的16位定时器。 (5) 全速、非侵入式的在系统调试接口 (片内) 。 (6) 片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。

从上面列出的特性可以看出, 选择C8051F020最重要的因素在于其拥有片内12位AD转换器。项目的精度要求小于0.02KG。在已知满量程重量为80KG时可推知, 使用10位AD时的精度约为0.078KG, 使用12位AD时的精度约为0.019KG。使用12位AD时才能满足项目要求, 并且测量精度大大提高。这是选择这款单片机的主要原因。

5 数据处理方式

数据采集的时间是在夜间猪仔熟睡期间, 这样减少猪仔的活动对测量带来的影响。采集数据时, 当通过AD读回30次传感器输出电压值后, 我们对30次电压值进行排序, 然后去掉其中最大及最小的5个电压值。将剩余的20个电压值进行取平均值, 然后再将此电压值转换为对应的体重值, 将此值作为这一小段时间内测量值送至串口进行发送。这样做的好处是降低了突发事件对数据的影响, 降低了随机误差。

6 传感器的选择

项目所针对的猪仔保育箱总重量约为60KG左右, 精度要求0.02KG。对于传感器的选择, 我们从下面几个要求进行了考察: (1) 量程是否能够满足要求。 (2) 精度是否能够达到要求。 (3) 温度漂移程度要尽量小。 (4) 非线性度要尽量小。 (5) 尺寸大小、安装方法、材质是否适合现场条件。 (6) 工作温度范围是否满足条件。 (7) 信号输出形式是否便于处理器处理。

根据上述考察条件, 我们选择了型号为YZC-18, 量程为40KG的压力传感器。下面是该传感器的参数特性和尺寸图。

7 软件流程图

8 结语

本论文及系统设计基本完成猪仔体重监测的相关功能, 但仍有很多值得改进和增加的功能部分, 并且只是停留在实验室测试阶段没有经过养殖现场的实际使用检验。但我相信, 动物福利养殖一定是未来中国养殖业的重要发展方向, 中国将在农业信息化、智能化、自动化的道路上越走越远。

摘要：本论文旨在解决猪仔体重实时监测和查询的问题。系统通过C8051F020的12位AD采集压力传感器数据, 体重数据经由串口实时传送给ARM上位机进行显示。另外, ARM界面中还包含查询排序等实用功能。完成的系统基本能够完成体重采集、显示查询等功能。

关键词：压力传感器,QT界面,福利养殖,C8051F020

参考文献

[1]付为森, 滕光辉, 杨艳.种猪体重三维预估模型的研究.农业工程学报, 2006-12.

[2]杨艳, 滕光辉, 李保明.种猪体重测量新方法初探.畜禽业, 2005-10.

[3]覃树华.育肥猪的体重估测式.广西畜牧兽医, 1988-2.

[4]李剑秋.应用逐步回归法估测猪体重的研究.浙江畜牧兽医, 2002 (3) .

基于应变的载荷监测方法研究 篇10

飞机结构载荷谱是飞机结构进行耐久性/损伤容限设计、分析、试验的基础, 也是飞机定寿的主要依据之一[1]。载荷谱的研究经历了从简单的常幅载荷谱到程序块载荷谱, 然后到飞-续-飞载荷谱发展过程。早期的载荷谱, 主要是通过记录飞机飞行过程中重心过载次数得到的重心过载谱, 这种载荷谱参数单一, 部分根据重心过载谱导出的部件载荷谱误差较大[2]。近年来随着结构健康监测技术的出现, 人们也在尝试通过应变传感器对结构载荷进行在线监测[3], 得到的飞机结构载荷, 既可以为载荷谱的编制提供依据, 又能够对飞机寿命的使用情况进行监测。因此, 国外航空先进国家都对基于应变监测的载荷监测方法给予了大量的研究。例如, 英国在狂风、鹞式等战斗机上、澳大利亚在F-18战斗机上进行了基于应变监测的飞机结构载荷监测方法的研究和应用[4]。美国在F-35上也应用了载荷直接监测方法, 在有关军用规范[5]和标准[6]中也提出了相关要求。

基于应变监测的载荷监测方法的关键是载荷回归方程的建立, 而回归方程建立过程中最大的挑战是回归方程的标定。由于飞机结构在空中载荷监测过程中监测系统自己不能对自身进行标定, 系统必须依赖地面加载试验进行标定[7]。对于使用中的飞机而言, 由于结构的限制, 目前标定试验中载荷仅仅能加载到飞机限制载荷的50%~60%, 这样势必影响回归方程的准确性。而在飞机结构地面强度试验阶段, 有大量的各级尺寸和各类工况的强度验证试验, 如果在地面强度试验中就考虑结构载荷的监测和标定方法研究, 这样不仅可以提高载荷监测回归方程的精度, 而且可以节省大量的人力物力。

近年来, 由于复合材料的高比强度和比模量, 在航空领域得到日益广泛的应用。机身、中央翼盒等复杂受力结构也开始应用复合材料。如美国的F-22、俄罗斯新一代的歼击机都在机翼、鸭翼和机身结构中, 广泛采用了复合材料结构[8]。机翼在飞机升空飞行中是重要的承力结构, 机翼根部为最大承力截面[9]。选取复合材料盒段为研究对象, 通过地面试验, 模拟研究机翼根部弯矩、剪力、扭转等载荷的监测方法, 探讨通过地面强度试验对回归方程标定的方法。

2 复合材料盒段力学模型

这里采用的试验件为复合材料盒段, 如图1所示的三梁试件, 试件几何尺寸为760mm×510mm×106mm, 复合材料为G0827//BA9912, 对称铺层, 采用VARI成型工艺。由于一般的结构部件是弹性变形体, 它在外载荷作用下产生变形, 并产生相应的内力[9]。考虑到结构部件绝大多数在小变形条件下使用, 为了简化计算, 采用结构力学中的两个基本假设:小变形假设, 即结构在载荷作用下的变形很小, 不影响结构的外形几何尺寸;线弹性假设, 认为结构为线弹性系统。

对于盒段, 结构主要承受弯矩、剪力及扭矩的作用。在外载荷作用下, 结构将产生相应的内力、正应力和剪应力。为了便于工程化计算, 我们将盒段模型简化如图2所示。由于盒段根部为最大承力截面, 我们选取截面A为测量截面 (B为备用截面) 。

简化后有:结构的横剖面在自身平面内的投影在受力过程中不变化;剖面上的正应力和剪应力沿壁厚均匀分布;横剖面上剪应力方向与壁中线方向一致;应变平面分布假设:ε=ax+by+c, x, y为剖面上各点坐标。在载荷试验中规定坐标系:原点为盒段根部截面的o点, 沿盒段梁方向为x轴, 向前为正;水平面内垂直x轴为z轴, 向左为正。y轴垂直向上。

3 载荷应变方程推导

通过受力分析可知应变值与该片位置以外的翼面上的载荷为线性关系[10], 则载荷-应变方程[11]可表示为

根据最小二乘原理, 按此式可计算出{a1j}, 同理可算出{a2j}, {a3j}, 这样系数矩阵{aij}就可以确定了。而上式方程解存在的必要条件是正则方程的系数行列式值大于零, 即|{εij}T{εij}|>0, 即相同特性的应变片不能在同一个载荷方程中使用, 为了不降低载荷方程的精度, 还应将无响应的应变片 (系数为零) 剔除。

4 传感器网络与试验加载方案设计

由于结构复杂, 粘贴面上的应变片所感受到的拉或压应变往往是多种载荷综合作用的结果, 为了得到单一载荷作用下的应变量, 要合理选择应变片的粘贴位置, 尽可能把其它载荷造成的干扰信号排除在外, 如在测量截面弯矩M时, 要避开Mx, My对弯矩的影响, 只对MZ产生的弯矩敏感。另外应变片要避免贴在应力集中部位。针对复合材料盒段, 经过受力分析可知测量弯矩、扭矩的应变片贴在盒段蒙皮表面, 剪力应变片贴在腹板部分。应变片贴片位置如图3、图4所示。1-6、25-30为弯矩应变片, 7-18、31-42为扭矩应变花。19-24、43-48为剪力应变花。

为了得到准确的载荷回归方程, 这里设计了5个加载点, 9种标定工况。两种验证工况, 如表1、表2所示。在地面标定试验中, 每种工况载荷按10%为一级进行逐级加载, 各种工况的载荷每次预载到30%, 主要是为了抵消构件连接处变形的不连续性和结构对小载荷的不敏感性等因素影响。正式试验以10%为一级进行逐级加载, 每种工况至少重复3次, 以保证试验数据的线性和重复性。加载点位置如图5所示。实验现场实施如图6所示。

5 标定试验数据处理与载荷回归方程的检验

5.1 原始数据的检验

对于原始数据的检验主要是线性好坏的检验[12]。以弯矩应变为例, 有

对于每一种加载工况, 有

为了检查原始数据的线性度, 现对每个应变输出和载荷进行一元线性回归。以y=ax+b为直线拟合的模型, 计算:协方差为经过上述处理, 得出所需的直线方程, 查看相关系数是否满足检验要求。最终得到a, b的估计值

最终得到y=a赞+b赞x。式中, y为应变;x为输入载荷。一般每个加载点加载3次, 分10级加载。经过3次回归得到3个的估计值, 取他们的平均值为b。这个b是能够真实反映加载点上载荷与应变关系的。为最终载荷方程的正确建立奠定了基础。

5.2 回归方程检验

回归方程的剩余标准差是衡量回归方程精度的标志[13], 对于载荷方程, 例如弯矩方程, 由试验加载计算出的M值, 和由载荷方程计算得到的弯矩M', 计算出残差为 利用计算出的标准差, 就可以对载荷方程进行统计检验, 从中选出最优的载荷方程。

一般采用F检验法对载荷方程进行显著性检验, 仍以弯矩为例, 选取统计量F为载荷方程各系数平方与系数标准差平方之比, 即当给定显著值α=0.005时, 将由式计算的F值跟相应的临界值作比较, 如果大于临界值, 则证明所建立的方程是良好的。利用所建立的数学模型进行数据分析之后, 得到最优的载荷-应变关系回归方程为

算得的相关系数RM=0.098, FM=2110, RQ=0.979, FQ=1920, RT=0.876, FT=894, F的计算值远远大于其临界值。证明载荷输入与应变输出之间有良好的线性关系。盒段弯矩、剪力的标定结果相对较好, 复相关系数非常接近1, 且F检验值很高, 弯矩的载荷回归方程最为理想, 扭矩的线性度要比弯矩的线性度稍差一些, 造成误差稍大的原因可能有测量扭矩的应变片粘贴位置和方向不理想, 加载点作动筒位置有误差, 没有垂直加载等。

5.3 载荷回归方程检验

为了检验载荷方程的正确性, 还要进行验证试验。利用给出的两种验证工况进行载荷回归方程准确性的检验。验证试验数据与计算值见表3。经计算, 实测得到的载荷值与试验加载值相对误差均在10%以内。

6 结论

本文针对复合材料盒段, 通过建立盒段力学模型, 设计应变片粘贴位置, 设计标定试验方案, 进行了载荷地面标定试验, 建立了复合材料盒段载荷应变方程, 并进行了试验验证。通过研究得到以下结论: (1) 基于结构应变数据可实现飞机结构的载荷监测 (弯矩、剪力、扭矩) , 为在役飞机结构关键部位载荷监测奠定基础; (2) 经计算给出的R、F检验结果确保了载荷回归方程能够反映结构的真实受载情况, 运用线性多元回归分析方法处理应变数据提高了试验数据处理的精度; (3) 在飞机结构地面强度验证试验中可利用其各类结构件的强度试验进行载荷地面标定试验, 可减少大量繁重的工作, 提高载荷标定工作的效率, 降低试验成本。

摘要：以复合材料盒段为研究对象, 对基于应变监测的载荷监测方法开展了研究。建立了盒段力学模型, 设计了传感器布置网络和试验方案, 进行了试验研究。利用多元线性回归法处理、检验与优化应变数据, 获得了复合材料盒段载荷回归方程, 建立了载荷标定方法。试验结果表明载荷监测值与实际值误差在10%以内。

基于工控机的COD在线监测系统 篇11

【关键词】COD化学耗氧量 ； 在线监测系统 ； 工业控制计算机 ； 滴定法

【中图分类号】X832 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2015）36-0009-02

1.引言

COD（化学耗氧量）是指在一定条件下，经重铬酸钾（K2Cr2O7）氧化处理时水样中溶解性物质和悬物所消耗的重铬盐酸相对应的氧的质量浓度，以氧的每升毫克（mg/l）数来表示，它是指示水体受有机物污染程度的重要指标，是水质综合评价中的重要参数。

根据国家标准GP11914，水质COD测定采用重铬酸钾法。COD在线监测系统完全依据国家标准规定的测试方法，通过工控机的控制，自动完成从水样采集到测定值显示打印的全部过程。本系统作为一种全自动在线监测仪器适用于放置在企业污水总排口，连续监测COD排放值及排放总量，有利于促进排污总量控制管理，排污收费等项工作；同时适合于环境工程，监控污水处理，确保达标排放。

2.系统化学原理

在水样中加入已知量的重铬酸钾溶液，并在强酸介质下以银盐作为催化剂，经沸腾回流后，以亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁按滴定水样中未被还原的重铬酸钾，由消耗的硫酸亚铁铵的量换算成消耗氧的质量溶度。

3.系统硬件设计

COD在线监测系统由气动加液、化学反应和电器控制三大部分多个单元组成。

3.1 采样单元

离心泵将排放口的废水打至位于工作室的原水桶，其溢流器保证液面恒定。工控机控制原水桶内的潜水泵，将水样直接打入定量瓶，这样系统就可以采集和测定任意时刻的瞬时水样。

3.2 定量加液单元

盛液瓶、缓冲瓶、定量瓶均为密封容器，气泵及气阀受工控机控制，气泵开启，移液阀打开，压缩空气经配气管、移液阀进入盛液瓶，试剂从伸入瓶底的玻璃管由缓冲瓶进入定量瓶，通过时间控制，使压入定量瓶的试剂液位高于定量。此时，停止气泵，关闭移液阀，移液阀接盛液瓶一端常开，过量的试剂因虹吸作用自动回流到盛液瓶，实现自动定量。气泵再次开启，加液阀接通将试剂从定量瓶压入消解瓶。

3.3 消解单元

当消解时，水泵开始打水，产生负压，将蒸馏瓶内的溶液抽出，吸入于消解瓶中，溢出的溶液通过废液瓶流走。

3.4 抽气蒸馏单元

当蒸馏瓶开始蒸馏时，利用潜水泵产生的负压抽气，滴定瓶是密封的，则蒸馏瓶的气体被抽至滴定瓶。同时，为防止滴定瓶内溶液变热溢出，采用两个风机对其冷却。

3.5 滴定光电检测单元

利用潜水泵抽气进行搅拌和蠕动滴定硫酸标准溶液。滴定瓶的一侧设置多个发光管，另一侧设有一个光敏电阻，发光管绿色照射溶液，光敏电阻接受透射过来的绿光，溶液由黄变红时，电压值缓慢升高，当滴定达到终点是电压值会突然跳跃一定的幅度，工控机测到电压突变时控制蠕动泵停止滴定。

3.6 排废液单元

当水泵打循环水时，侧面旁管产生负压，液阀中的浮子吸上堵住管路，瓶中的废液被抽出。当泵停止工作时，浮子下落，将废液排除。

3.7 输出驱动单元

系统中的所有气动阀和溶液阀均工作于24V直流，该单元是工控机与气动加液、化学反应各单元的输出接口，采用光隔离、升压驱动电路。

3.8 工控机主控单元

本单元是整个在线监测系统的控制中心，气动加液和化学反应各单元的有序地运作和协调，均是在工控机的控制下自动完成的。由于控制单元采用了工业控制计算机，使得COD在线监测系统可以全天候工作于环境恶劣的污水总排口，连续、实时地连续监测COD排放量。

3.9 A/D转换单元

将滴定检测光敏电阻上的电压值，精确地转换成数字值输入到工控機，终点捕捉软件采用“动态多点滑动”技术准确地捕捉到，溶液由黄变红时电压值突然跳跃点，此时的滴定步数通过计算就是相应的COD值。

3.10 无线通讯单元

利用移动公司提供的数据业务，将实时检测的结果数据传输到当地的环保部门的服务器中，设有两种工作模式：针对检测数据量较少的监测点，可使用“短信息”发送模式，该模式较为经济；对于检测数据量较多的监测点，可使用“ISDN”数据传输模式。

3.11系统控制原理框图

4.系统软件设计

4.1 系统工作流程

工作步序 工作内容

COD 01 清洗系统

COD 02 准备

COD 03 启动采用泵，水样采集至水样瓶

COD 04 水样提升至定量瓶

COD 05 水样定量至20ml

COD 06 水样加入消解瓶

COD 07 清理采样系统

COD 08 将各种药液从各自的盛液瓶移至各定量瓶

COD 09 将硫酸-硫酸银从盛液瓶移至定量瓶

COD 10 将清水从盛液瓶移至定量瓶

COD 11 各种药液定量至相应ml数

COD 12 将硫酸汞加入消解瓶

COD 13 将10ml重铬酸钾溶液加入消解瓶

COD 14 将30ml硫酸-硫酸汞溶液加入消解瓶

COD HT 加热回流消解

COD 15 消解后的溶液在消解瓶内冷却

COD 16 将20ml冷却水加入消解瓶

COD 17 溶液从消解瓶移入滴定瓶

COD 18 将50ml清洗水加入消解瓶，清系统

COD 19 清洗水移入滴定瓶

COD 20 待测溶液在滴定瓶内冷却

COD 21 10ml溶有指示剂的溶液加入滴定瓶

COD DD 滴定，终点显示、打印、存入本地数据库，无线传输至远程数据库

COD 22 排废液

COD 23 光检测

COD ED 一次检测完毕

4.1 软件功能模块

主控软件系统设计了以下几个核心模块：空白试验值检测模块；COD全自动检测模块；COD单步手动检测模块；消解时间、检测间隔时间、检测次数等参数设定模块；“看门狗”运作和系统再入模块；光电A/D转换测量模块；滴定终点捕捉模块；检测结果显示打印模块；历史数据查询模块；无线远程通讯模块。

5.结束语

COD在线监测系统在国内多个城市使用取得了良好的效果，得到当地环保部门的肯定和好评。COD在线监测系统采用的是化学分析方法，比较国外采用的物理分析方法，具有诸多的优点；经济、准确、适合多点投放监测、符合中国的国情，作为一种本土的环保监测系统在实际应用中具有较强的实用价值。

参考文献

[1]《水和废水监测分析方法》，国家环保局编，中国环境科学出版社。

[2]《环境工程监测》，蒋展鹏、祝万鹏编，清华大学出版社。

[3] 日《水质测试法》，日本工业用水协会。

基于物联网的地质灾害监测系统 篇12

1 系统总体架构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分, 其定义是通过传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备, 按照约定的协议连接到互联网, 在人与物、物与物之间进行信息交互, 以实现对物体进行识别、定位、跟踪、监控等功能的一种新型智能化网络[5]。根据国际电信联盟的建议, 目前国际普遍将物联网的体系架构自底向上分为感知层、网络层和应用层。感知层包括传感器等数据采集设备以及数据输入网关前的传感器网络;网络层主要负责网络接入、网络传输以及相应的管理与控制;应用层解决信息处理与人机界面的问题[6]。依此三层架构设计了如图1所示的系统总体架构, 主要由现场感知终端、通信网络以及远程监控中心三部分组成。

其中, 现场感知终端通过雨量计、水位计、孔隙水压力计、伸缩计、倾斜计等采集降雨量、地下水位和山体移位等信息, 并由GPS定位模块获取监测点经纬度和海拔高度等地理信息, 同时将这些信息显示在液晶屏上, 最后将信息打包交给GPRS模块发送给远程监控中心;考虑到GPRS通信方式具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输和不受地形和地域限制等特点[7], 系统在网络层的通信网络主要以Internet网络与GPRS网络互联的方式为主, 并辅以SMS短信息方式, 根据通信网络的质量情况, 在两种通信方式间自由切换, 保证数据可靠传输;远程监控中心一方面接收处理现场监测点传回来的数据信息, 另一方面向现场终端发送数据指令, 如更改数据包传输频率、监控中心手机号、传感器预警值和开启报警器等, 当服务器IP地址需改动时可通过手机经GSM网络以短信方式更改并建立新的网络连接, 同时遇到网络连接错误时远程终端会向监控中心手机发送短信息来提醒工作人员。

2 感知终端硬件设计

系统感知终端即现场监测终端的研究与设计是该文的研究重点, 主要包括数据采集传输装置的设计和传感器的选取, 这里主要介绍数据采集传输装置。整个装置采用模块化设计, 通过对所选芯片进行分析后给出合适的电路设计, 使得装置能够稳定可靠运行。数据采集传输装置包括分布式传感器、信号调理模块、微控制器 (MCU) 、GPS模块、GPRS模块、显示报警模块和电源模块等, 如图2所示为该数据采集传输装置结构图。

2.1 信号调理模块

由于系统所使用的传感器多数都是输出4~20 m A电流信号, 必须转换为0~5 V电压信号才能输入单片机, 为此设计了4~20m A转0~5 V信号调理模块。模块选用了电流环接收器RCV420作为主芯片, RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片, 用于将4~20 m A输入信号转换为0~5 V输出信号。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10 V电压基准。其总转换精度为0.1%, 共模抑制比CMR达86 d B, 共模输入范围达±40 V。在全量程范围内输入阻抗仅有1.5 V的压降, 对于环路电流具有很强的变换能力[8]。较之由分立器件设计的印制板电路, RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用, 非常适用于在集成电路与便携设备中实现工业微弱环电流的信号转换。所选芯片需要双电源供电, 而系统所用电源只有12 V单电源, 为此又选用了广州金升阳公司生产的工业级隔离电源模块A1212S模块芯片, 该模块芯片体积小、性能稳定、可靠性高, 能较好地将12 V电源转换为正负12 V电源供RCV420芯片工作。

如图3所示为信号调理模块电路图, 可根据系统需要选择RCV420芯片数量, 这里共需要8个 (图中只显示1个) 。其中, L1和C2、L2和C1、L3和C3共同组成LC滤波网络, 大大减小了输出纹波, 能够平稳地为RCV420供电。这样设计的信号调理模块, 一方面可以节省电路板空间;另一方面还使得各信号相互独立, 避免了外界电路的干扰。

2.2 GPRS模块

此系统选用的GPRS模块是Siemens公司推出的MC55模块。MC55模块是市场上尺寸较小的三频模块, 能够在GPRS网络中完成语音、数据呼叫、网络连接、短信息以及传真的传送。MC55内置TCP/IP协议栈, 由AT指令控制并使应用程序很容易地接入网络。该协议栈支持在GPRS网络中使用Internet中的TCP socket、UDP socket、FTP、HTTP、SMTP、POP3等服务[9], 该系统主要应用了TCP socket服务。该模块有40个引脚, 通过一个零阻力插座连接器引出, 以实现电源、SIM卡、模块控制口和串口等功能的引接以及数据、短信息的传输[10]。如图4所示为GPRS模块部分电路图, 包括单片机与MC55、MC55与SIM卡的连接等。启动模块时, 模块的引脚IGT上必须有一个低电平脉冲且至少需要延时100ms, 模块才能正常启动。

2.3 GPS模块

该系统选用了一款外观小巧的高性能GPS定位模块, 模块核心采用U-BLOX公司的NEO-6M模组, 定位精度2.5 m CEP, 追踪灵敏度高达-161 d Bm, 测量输出频率最高可达5 Hz。模块自带高性能无源陶瓷天线 (无需再购买昂贵的有源天线了) , 并自带可充电后备电池 (在主电源断电后还可以维持半小时左右的GPS数据接收保存) 。模块通过串口与外部系统连接, 串口波特率支持4 800、9 600、38 400、57 600等不同速率, 兼容5 V/3.3 V单片机系统, 通过4个排针 (分别代表VCC、TXD、RXD、GND) 就可以方便地与外部连接[11]。GPS模块实物图如图5所示。

2.4 电源模块

为了使整个系统运行稳定, 电源的设计也是一个很重要的部分。一方面, 由于STC12C5A60S2单片机是5 V供电, 内部有高精度A/D转换器, 需要基准电压源, 这就要求稳压电源具有较高的工作效率和较低的输出纹波电压, 这里采用开关型稳压器件LM2576与线性稳压器件L7805相结合的形式来设计电路输出5 V电源, 不仅可以提高稳压电源的工作效率, 减少能源损耗和热损害, 而且可减少外部的电压波动干扰和高频干扰, 保证了系统的稳定可靠运行。另一方面, MC55模块工作电压为3.3~4.8 V (通常推荐值4.2 V) , 选用了MIC29302稳压芯片将5 V电压降低到4.2 V。如图6所示为电源模块电路图。

3 单片机驱动程序设计

此系统的单片机驱动程序采用基于STC单片机的C语言编写, 开发环境为KEIL公司开发的KeilμVision4 C51编译系统。程序设计采用模块化思想, 先将程序划分成若干个功能相对独立的模块, 再为每一个模块制定流程图, 并按照流程图编写程序, 最后再进行统一整合。采用这种方法编写出来的程序结构简单、可读性强, 且便于后期的调试、修改、扩展和完善。

主程序控制模块:系统上电或复位后, 首先要进行初始化设置, 主要设置相关的定时器及串口工作模式等, 并对液晶显示、A/D转换等进行初始化。系统初始化后会显示开机界面, 并启动MC55模块注册GPRS网络, 注册成功后初始化GPRS并创建Socket, 然后定时发送数据, 并通过串口1接收和处理GPRS数据和短信息;同时通过串口2接收和处理GPS数据, 并显示在液晶屏上。主程序流程如图7所示。

GPRS通信模块:GPRS网络采用TCP/IP协议进行通信, MC55模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的AT命令集, 模块接收来自串口的AT命令, 解释并执行相应的操作, 实现无线MODEM的对应功能。模块根据AT命令来完成自身初始化、网络连接、数据传输及短信息服务等[12]。此系统主要通过Socket和SMS (短信息) 两种方式进行数据通信, Socket主要是完成现场监测数据和远程控制命令的传输, 短信息主要是远程修改现场终端的参数, 如IP地址和端口号等。其中, 建立网络连接的流程如下[13]:

GPS定位模块:GPS模块输出的定位数据采用NMEA-0183协议, 该协议是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式, 目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM (Radio Technical Commission for Maritime services) 标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码 (帧格式) 来传递GPS定位信息, 常用命令如表1所示[9]。由于GPS模块每秒输出一次$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等数据, 速度慢, 因此必须采用中断方式接收[14]。程序中主要通过串口2接收$GPGGA帧语句来获取经度、纬度、海拔高度、大地水准面高度等信息, 其帧格式如下 (举例) :

下划线部分便是要获取的数据, 解析后结果为:北纬23°8.287 15′, 东经113°22.098 75′, 海拔41.6 m, 大地水准面高度-5.3 m。

4实验测试与分析

实验测试选用水位计和倾斜计与数据采集传输装置相连, 通过4个通道分别采集水位、X轴角度、Y轴角度和室温对应的电压值, 然后将监测数据发送到监控主机。系统测试图如图8所示, 当该终端与监控中心连接上后, 每隔1 min发送一个 “OK”心跳包, 防止网络掉线。同时按照设定的时间 (默认3 min) 定时向监控中心发送监测数据, 即4个通道电压值和GPS定位信息, 与终端上的液晶显示数据一致, 上位机数据接收界面如图9所示。

为了验证数据采集的准确性, 实验过程中用高精度的万用表测量一组水位计电压值作为实测值, 同时与液晶屏上显示的采集值进行比较, 得到如图10所示的数据误差分析图, 从图中可以看出误差约0.02 V, 完全满足系统的精度要求。另外, 从数据接收区选取部分数据, 然后将各通道电压值转换为对应的监测值进行综合分析, 如图11所示。从图中可以看出, 水位 (约0.35 m) 和温度 (约22 ℃) 保持稳定, 基本上与实际值相符。将倾斜计向一侧不断倾斜时, X、Y轴角度就会随着发生变化 (最大值15 °) , 第15分钟后一直保持最大值不变, 说明此刻开始有明显地表变化, 再结合雨量计、伸缩计等传感器测量值综合分析, 就可以确定滑坡、泥石流等地质灾害发生与否。经过长时间测试, 系统运行稳定, 数据传送正常, 较好地实现了预定的功能。

5 结语

该系统是针对地质灾害监测进行设计的, 数据的远程传送使用了GPRS接入Internet的方式, 适合监测点比较分散、环境比较恶劣、人工检测不方便的地区, 同时通信成本也比较低。与现有的监测装置相比, 该系统性能稳定, 能够有效保证数据监测的准确性和实时性。在节省大量成本的同时还增加了传感器通道, 引出了部分功能接口, 方便其他功能应用的扩展。因此, 该系统的应用还可以推广到水文监测、环境污染监测等自动化采集控制领域。

摘要：针对传统的地质灾害监测方法存在数据收集不及时、信息覆盖面不足等缺点, 设计了一种基于物联网的地质灾害监测系统, 并构建了系统的总体架构, 形成地质灾害监测物联网平台, 重点描述其中感知终端硬件及单片机驱动程序设计。该系统利用STC12C5A60S2单片机作为控制核心, 对传感器采集的降雨量、地下水位和山体移位等信息进行处理, 并控制GPS定位模块获取监测点位置信息, 然后将处理后的数据经GPRS模块封装成TCP/IP数据包, 通过GPRS骨干网接入Internet网传送至监控中心。实验测试结果证明:该系统具有良好的可靠性、稳定性和通信实时性。