【摘 要】根據(jù)陜西某高速公路高填土路基段路基沉降監(jiān)測的需求，開發(fā)了基于GPRS的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，對路基沉降實時、長期的監(jiān)測。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、處理，以及GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ�，并可以通過遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的顯示、存儲和查詢。路基沉降數(shù)據(jù)的采集為高速公路路基沉降的預(yù)警和維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】路基 監(jiān)測沉降 GPRS 數(shù)據(jù)采集
一、引言
西部山區(qū)的高等級公路建設(shè)中，橋隧比例很大，不可避免的出現(xiàn)大量軟質(zhì)巖石回填、高填方路基。從目前投入運營的高速公路來看，普遍反映出路基沉降問題較為嚴(yán)重，路基沉降是路基施工期和道路建成以后經(jīng)常出現(xiàn)的一種病害。路基施工期間，由于填土速度過快，導(dǎo)致路基承載力不足，路基出現(xiàn)縱向開裂；或者由于地基處理后，沒有進(jìn)行沉降觀測，在路基沉降速度仍然較大、工后沉降不滿足規(guī)定時就進(jìn)行路面施工；或者路基填土壓實控制不嚴(yán)，導(dǎo)致路基在自重的作用下出現(xiàn)壓縮變形。如何及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測路基的沉降狀況，掌握路堤的變形規(guī)律變得尤為重要。
本項目的實施就是為了實時、長期、準(zhǔn)確的監(jiān)測路基的沉降情況。在本項目中，由于這些特殊地質(zhì)的高速公路地處偏遠(yuǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行采集很不方便，且費用昂貴。我們采用的GPRS技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高，傳輸特性好，速率快，不受地域限制，運行費用低等優(yōu)點。適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸。因此采用GPRS技術(shù)可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)及時的傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控中心，實時監(jiān)控路基沉降的狀況。監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)路基施工和工后期間的沉降數(shù)據(jù)，反算出路基的健康狀況，并探求軟質(zhì)巖石路堤的變形情況，為以后在類似的地質(zhì)環(huán)境下修建高速公路提供科學(xué)依據(jù)。
二、GPRS通信原理
基于GPRS的無線通信主要有三部分組成，即：位于現(xiàn)場的GPRS數(shù)據(jù)采集終端，GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集終端位于高速公路路基的現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集終端連接有GPRS模塊，將路基沉降數(shù)據(jù)的采集無線傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)過BSS移動基站實時發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的橋梁。GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供GGSN服務(wù)器，GGSN分配給GPRS數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心相應(yīng)IP地址，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和Internet的連接，在通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)是送給監(jiān)控中心的服務(wù)器，這樣，監(jiān)控中心就可以實時的監(jiān)測到數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)采集情況，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對接受數(shù)據(jù)和對遠(yuǎn)程傳輸?shù)穆坊两禂?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。同時也可以對遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集終端模塊發(fā)出指令，使得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行一系列動作，保證數(shù)據(jù)采集器的對數(shù)據(jù)的順利采集。
三、系統(tǒng)硬件設(shè)計
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、GPRS無線傳輸模塊等組成，其中數(shù)據(jù)采集器為核心單元，主要包括微處理器，信號放大電路，F(xiàn)LASH存儲，時鐘芯片和RS485通信接口組成， 本項目中選用的JS―1800系列傳感器為硅壓阻式傳感器，它是一種低耗能高精度、單總線數(shù)字傳輸、寬溫度范圍、高可靠性的產(chǎn)品。為了防止外界對于信號對于控制控制系統(tǒng)的干擾，我們采用光電隔離器措施進(jìn)行過濾，光電隔離具有體積小、功耗小的特點。所選微處理器具有AD轉(zhuǎn)換的功能，無需另加AD轉(zhuǎn)換電路。
由于項目所處高速公路地理位置較為偏遠(yuǎn)，需要自帶電池供電，這就需要所選的芯片盡量省電。微處理器我們選用了TI公司的MSP430F149，這是一款低電壓、低功耗的單片機(jī)芯片，并且自帶有仿真和兩個串行通信接口。這符合本項目的低功耗和方便無線傳輸?shù)脑O(shè)計要求。GPRS模塊我們選擇北京驛唐公司的MD-609G實現(xiàn)無線傳輸，選用RS485接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
路基沉降量的模擬信號進(jìn)過傳感器的采集，信號的放大后，輸入單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制傳感器對數(shù)據(jù)的采集，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)過GPRS模塊發(fā)送出去，進(jìn)過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。方便監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)采集并得知系統(tǒng)的工作情況。
四、系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計。
數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計基于IAR公司的IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序的功能是上電后， 執(zhí)行初始化子程序，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，當(dāng)軟件延時標(biāo)志被置位時，啟動外部中斷 INT0，每一路采集10 組數(shù)據(jù)，通過外部中斷 INT0 進(jìn)行采集，夠10次后關(guān)中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 將處理后的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)， 等待發(fā)送； 整個發(fā)送是通過定時中斷INT1來控制的， 設(shè)置1小時發(fā)送一次采集數(shù)據(jù)。首先將發(fā)送緩沖區(qū)的采樣值進(jìn)行ASC碼變換，再將其轉(zhuǎn)換為七位的GSM碼，最后由發(fā)送程序完成發(fā)送。
數(shù)據(jù)庫管理軟件的開發(fā)平臺采用在開發(fā)上位機(jī)軟件中，選擇的開發(fā)工具Visual Basic 6.0。Visual Basic 6.0是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計主要包括；遠(yuǎn)程通信的管理，數(shù)據(jù)的入庫，數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)的查詢和打印等。
五、小結(jié)
該系統(tǒng)已很好的應(yīng)用于實際的路基沉降數(shù)據(jù)采集中，既能自動、定時控制傳感器采集記錄路基沉降的狀態(tài)參數(shù)并遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計算機(jī)上，又能夠根據(jù)運程計算機(jī)的命令采集特定數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到對路基狀態(tài)遠(yuǎn)程、實時、在線、自動定時測量的目的。
參考文獻(xiàn)：
[1] 金生吉，余天慶，熊健民. 路基沉降規(guī)律實驗研究[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化. 2008，25（12）：39-40
[2] 高占鳳，杜彥良，蘇木標(biāo)，陳保平，基于虛擬儀器的橋梁遠(yuǎn)程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]，儀器儀表學(xué)報，2006，10（27）：1361-1364
[3] LOU Gang，LI W ei，DENG Xue～bo，Designing of Small―Signal Amplifing Circuit，Journal of Zhejiang Sci―Tech University， 2007，6（24）：661-664
[4]嚴(yán)雪萍，成立，韓慶福，何加祥，基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].
