时间：2022-07-21 03:21:37
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇温度监测系统，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
摘要:光纤通讯是利用光与光纤传递讯息,它是有线通讯的一种。像我们所知道的,光经过各种方法进行调变后便能够携带资讯,传递出讯息。温度是现代生产过程中的一个非常重要的参数,要保证产品质量和生产安全就必须对温度有一个相当的控制权。所以,本文就光纤通讯的远程温度监测系统研制进行下探讨。
关键词:光纤通讯 远程监测 温度监测 系统研制
1、研究光纤通讯远程温度监测系统的目的
光纤通信具有携带容量比较大,保存数据良好等优点。当今最主要的有线通信方式已经被光纤通信所占领。我们简要介绍一下它的传输方式:首先将客户需要传送的信息内容在发送端也就是输入端输入到发送机中,然后通过一系列的方法将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上,我们传送的是一种光物质,然后将已调制的载波通过不同的传输媒质传送到远处的接收端,也就是最终客户需要发送的地方,再而由接收机解调出原来的信息。知道光纤通讯的传输方式,我们也就知道光纤通讯的优点,不仅仅传送量大,而且保密性良好。
温度是现代生产过程中的一个非常重要的参数,它可以决定生产最后的产物。对于“温度”这个概念,我们应该用全新的理念去解释,它不同于以往单纯的“温度”,现在以一种温度监测系统而存在。所以对温度的监测是保证产品质量和生产安全的重要手段。目前,温度自动监测技术在我国的工业生产中应用已非常普遍。这为我国的工业发展作出巨大贡献。
但是,如何把光纤系统和温度监测系统有机的联系在一起,我们还面临着问题。在工业上,大多数是采用有线的传输方式。但是,远距离的线路铺设,后期维护的成本过高,引线过长等等问题导致整个系统的传输速率变慢,功耗上升、稳定性下降。所以,我们要研制一套通信可靠有保证、运行稳定不出差、采集速度快速迅捷、自动化程度相对较高的实时温度监测系统,保障系统的安全运行是非常必要的。
2、光纤通讯的远程温度监测系统的总体设计
2.1 设计缘由及案例分析
我们就拿油田的开采为例来说明光纤通讯的远程温度监测系统的总体设计。在油田中刚刚开采的石油一般都呈稠状,在低温下,油很容易冻结呈块状,从而把导管堵塞,所以在石油的输送过程中我们必须对输油管线采取伴热措施,以确保石油的正常输送。在冬季这种低温情况下,石油堵塞管道时有发生,这就说明管线能否及时伴热是管道能否正常输送的关键因素。现在主要采用高温蒸汽与高温燃气水套炉伴热这两种的伴热方式,而伴热设备是否正常工作的重要指标以温度作为考核的。
现在对于伴热线管道检测所采用的方法主要是人工现场检测各管线温度,但是在冬天这种环境恶劣,温度低下,工作量又相当庞大等因素的影响,会使工作效率降低,有时管道的堵塞等显而易见的问题都难以及时发现。因此,在冬季温度极低的情况下,必然有不安全隐患。就拿大庆石化为例,它的输油管道伴热线在我国东北严寒地区,这个地区冬季气温很低,而且会持续出现低温现象,造成石油输出的困难。所以,研制一套完善的远程温度监测系统我们迫在眉睫。
2.2 系统总体设计原理
我们就对东北某石化炼油厂内输油管道伴热线研制的一套远程温度监测系统进行分析。根据石化炼油厂的实际情况,确定了使用太阳能供电的光纤网络通讯方案。对于系统的下位机部分,使用温度传感器与智能采集模块,采集和处理信息信号。研究了一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技和网络拓扑结构的特点,对各层帧结构及协议结构的工作原理进行分析与探讨,通过设置和调试S02系列通讯模块,我们完成低功耗的近距离通讯技术的远端数据采集与传输这一艰难的技术。并且确定了光纤通讯网络的架构和网络通讯所必须的硬件设备,并完成了对各种硬件设备的设计与选用以及设备间相互通讯的调试,我们更采用互联网这一新颖快速的工业组态软件实现了对温度监测系统远程监测的目的。而在系统的上位机的监测部分,通过对软件的需求及功能分析,在网际组态的基础上开发和研制出中心监测这一重要软件。这个软件的开发,使得我们实现对温度和湿度等重要参数的随时监测、远程摄像监测、超越界限报警、数据随时记录和查询以及用户个人管理等功能,并设计了一套令客户满意的监控界面。这个控制界面简洁易上手。我们经过一段时间的试运行,发现这个系统具有这些优点:通信稳定没偏差,传输速度很快,操作简单上手,数据可靠有保证,系统运行正常,可以满足伴热线管道温度监测的需求。
远程控制我们可以采用系统:以低功耗,高性能CMOS8位系列单片机为控制单元,并采用Dallas单线数字温度传感器DS18820采集现场温度数据而设计的远程温度控制系统。这个系统具有的优点如下:结构新颖、电路简单而且方便控制,其监控的温度范围为-55℃～99℃,完全符合当地的温度,温度值显示的精度为0.01,可以自由设置控制温度的上、下限。如果系统超过设置上、下限温度,该系统还可以自动报警。
3、光纤通讯的远程温度监测系统的应用
随着科学技术的不断发展,光纤通讯的远程温度检测系统应用于许多领域。光纤光栅温度在线监测系统是一种全新的在线温度监测报警系统,具有防爆的特点;煤矿安全也成为社会关注焦点,煤矿中各类系统相互独立,通讯简单可靠,在煤矿远程通讯中的CAN-bus已被西北东北多个地方采用,大大减少了煤矿事故的发生,光纤通讯远程温度监测系统应用于各个行业。
4、结语
相信,光纤通讯的远程温度监测系统应用于各行各业,它具有广阔的应用前景。想获得更高的更好的经济和社会效益就必须加大光纤通讯的应用与推广,让更多的人去了解,去使用。只有不断完善,才能更好地为社会为人民创造更多的利益。它的出现,不仅仅是科技的发展,更是社会的不断向前推进。
参考文献
[1]赵远飞.光纤传感器的输油管道远程安全监测系统研究.2012,07(11);79-81.
[2]胡艳兵,李良庚.基于光纤通讯的水库流量检测系统.2008,3(09);69-71.
【关键词】电站；温度；在线监测系统
1 系统概述
电站分A、B厂，总装机容量240万千瓦，安装8台机组。采用西门子S7 400的PLC从温度传感器直接进行数据采集，并将采集到的数据通过MODBUS发送到计算机监控系统，考虑需要将数据接入到办公网络，已在西门子S7 PLC中安装网卡模块。
针对电站温度采集系统现状，构建温度在线监测系统的最终目的是实现机组温度数据的采集，搭建数据实时显示和分析，提供对机组运行状态的实时显示和温度变化的分析，方便员工的远程办公以及进一步提升“无人值守”的电站管理原则，实现远程办公需要。
2 构建方案
硬件部分，在AB厂房机房各新增1台工控机，通过局域网连与西门子S7 PLC连接，工控机另一端连接办公网络。服务器新增应用服务器，保证与新增工控机数据通讯正常，接收并保存工控机采集到的数据。
软件部分，工控机端安装专业工控软件WINCC，通过WINCC配置测点，编写的数据采集程序，采集WINCC中的测点数据并通过UDP协议发送至办公网络应用服务器。应用服务器端部署UDP数据接收程序、应用服务及开发新的应用程序，实时展现最新测点数据及其他统计分析功能。
系统数据源来自运行核心区，数据通讯采用单向UDP模式。工控机安装有WINCC工控软件，负责对S7 PLC进行硬件组态及对测点进行部署，工控机编写有数据采集程序，连接WINCC软件获取测点数据并通过UDP协议往办公网络发送数据。
应用服务器安装有UDP数据接收程序，接收并存储工控机发送过来的测点数据供应用功能实时展现及其他统计分析使用。根据电力二次安防的防护要求，在工控机和应用服务器之间安装增加隔离网闸，对生产区和信息区进行隔离。
数据通讯结构图如下所示：
使用UDP协议进行数据传输，但是UDP本身是种不稳定的协议，为了保证数据能够正确传输到服务器，避免数据丢失，设计UDP数据交互流程规则。
在发送收到数据至应用服务器之前会先与应用服务器进行第一次握手，即发送数据准备信号，当在一定时间内未收到应用服务器的确认信号，工控机重发数据准备信号，正确收到应用服务器确认信号，将收到温度数据发送至应用服务器，服务器收到数据后，会将收到数据的大小返回至工控机，工控机收到会与发送数据大小做比较，如果数据大小一致，发送数据一致命令至服务器，然后等待下次数据传输，如果数据大小不一致，会通知服务器进行数据重新传输。
3 业务功能
根据实际生产的需求，系统的功能设计如下：
WINCC数据采集，工控机端部署数据采集程序，连接WINCC软件采集其部署的测点数据，全部为设备的温度量，包括：发电机冷风温度、铁芯温度、线圈温度、下导油温、水泵油温、发电油温、推力热油、推力冷油、推力瓦温、水导瓦温、水导油温、主轴密封温度、迷宫环上温度、迷宫环下温度、上导油温、上导瓦温等。
工控机数据发送与服务器数据存储，应用服务器部署数据接收程序并进行存储。通过UDP协议接收工控机端发送过来的最新数据，并对数据精度存储进行定义，保存存储的最新数据及时有效。
实时数据图形显示，基于图型的方式实时显示对应采集点的温度数据，方便电站专业人员对上导、下导、水导等设备运行状态的查看。
实时数据曲线显示，提供以曲线的方式实时查看温度的变化情况。
历史数据查询功能，统计分析功能实现以下几个方面的功能特点：
各种数据统计报表功能
多种统计数据视图曲线
快捷查询某个测点历史数据
温度量可以任意查询变量及时间
可选择和配置各数据存储时间和历史存储时间段，数据存储默认为时间为5秒，但可以由用户进行归档时间设定。
对于历史数据可以分多种模式进行统计，如曲线图形分析，数据报表分析等等。
4 结束语
通过构建温度在线监测系统，对机组温度数据进行采集，搭建数据实时显示和分析，提供对机组运行状态的实时显示和温度变化的分析，实现了远程办公的需要，对电站实行高效科学的管理具有积极意义。
关键词：igBee；无线通信；CC2430；温度监测
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
我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获也有部分陈粮积压，由于储存不当造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成巨大的经济损失。为了减少损失，以往采取用人工的办法定期对粮食进行晾晒、通风、喷洒药剂等，防止因存储不当引起虫害，但这样做消耗人力和财力，且效果不佳，发霉变质等现象仍然仔在。
随着科学技术的发展，传统的人工定期定点查看粮仓温度的方法，已逐渐被电子监测温度设备所取代。本文设计了一套粮仓温度监测系统。采用igBee技术的无线通信网络对仓库各点温度进行监测，管理者可以在控制室随时了解仓库现场的信息，使粮仓管理实现自动化、智能化。
1 igBee技术的分析与研究
在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。igBee技术就是在这种需求下产生的。它是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，其中文译名通常称为“紫蜂”技术。
igBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。在igBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。igBee技术的体系结构主要由物理(PHY层、媒体接人控制(MAC层、网络/安全层以及应用框架层组成，其各层之间如图1所示。
PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层的具体特征是信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，且为应用合适的安全机制提供方法。
igBee技术有星型和对等两种拓扑结构，每种都有自己的组网特点。本设计根据系统特点，选用组网结构简单的星型网络结构，尽管该方式只能组建包含较少的无线接点的无线网络，但已经能够满足系统的需要。
星型拓扑结构有一个叫作PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以使完整功能设备，也可以是简化功能设备。当一个具有完整功能的设备(FFD第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，让自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，通过选择一个PAN标识符确保网络的惟一性。―旦选定了―个PAN标识符，PM主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。在星形拓扑结构中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用2节干电池供电。
2 系统硬件设计
2.1 igBee芯片介绍
CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上igBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成igBee射频(RF）前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051，具有32/64/128 kB可编成闪存和8 kB的RAM，还包含模/数转换器(ADC、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。
CC2430还有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的设备I/O口使用。其I/O口引脚功能如下：
1～6脚（P1.2～P1.7）：具有4 mA输出驱动能力；
8，9脚（P1.0，P1.1）：具有20 mA的驱动能力；
11～18脚（P0.0～P0.7）：具有4 mA输出驱动能力；
43～46，48脚（P2.0～P2.4）：具有4 mA输出驱动能力。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
2.2 系统硬件电路
该系统采用星状无线网络系统，系统只有一个网络协调器和若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室，负责建立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况，且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个仓库中，负责采集温度值，然后定期或有中断时，把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对仓库温度进行监视，无须到仓库现场。
网络协调器有CC2430、串口部分、天线、按键和显示模块组成。天线用的是非平衡天线，它与非平衡变压器连接，使天线性能更好。CC2430模块通过天线接收到信号后，通过SPI口直接输出到液晶显示器上。串口部分用UART模块，UART再外接一个RS 232模块用于连接计算机，给计算机传输数据，将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。所连接的计算机的作用是用来观察串口输出的数据。
RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器TC77检测所处环境的温度，然后通过天线发送给网络协调器。温度传感器使用TC77，它是Microchip公司生产的串联可访问数字温度传感器，特别适合于廉价，小尺寸的应用中。温度数据从内部温度敏感元件转换而来，随时都可以转化成13位数字。
为了减少对其他设备和系统的干扰和影响，在保证设备能够正常地工作的条件下，每个设备的发射功率应尽可能地小。通常，igbee的发射功率在0～+10 dBm,通信距离范围为10 m，可扩大到约300 m，其发射功率利用设置的相应服务原语进行控制。本设计中RFD节点的最小发射功率为-3 dBm。
在网络协调器端，为保证设备能正常接收到RFD节点发射的信号，其有用信号不能太大，否则，将造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信号的最大输入电平就是有用信号的最大功率值，本设计接收机的最大输入电平值为-20 dBnb。
3 系统软件流程
系统软件分主机和分机两部分，主机作为全功能系统，负责网络协调和人机对话，分机作为简单功能系统，等待主机命令，传输本机点数据。其系统流程如图2所示。
4 结 语
igBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其有广泛的应用前景。该系统是在归纳国内外研究成果的基础上，采用igBee技术构建的无线传感器网络，实现对仓库温度的监测，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定、无需支付网络费用等优点。在实际中有很好的应用价值。
参 考 文 献
［1］李文仲，段朝玉.igBee无线网络技术入门与实战［M］.北[LL]京:北京航空航天大学出版社,2007.
［2］蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用［M］.北京：北京邮电大学出版社,2006.
［3］孙利民，李建中，陈渝,等. 无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社，2005.
关键词：力设备;智能化;无线技术;温度;数据收集
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
中图分类号：TM41
1.智能无线温度监测系统的工作原理
智能无线温度监测系统被设定成三个子系统，分别是采集系统、汇总系统、监测系统。三个子系统通力协调工作，实现了港口电力设备温度的实时、准确、便捷的智能无线监测。
智能无线温度监测系统的三个子系统间的连接方式是不同的，无线通信方式是应用于采集系统和汇总系统之间，而通信线缆则是使用在汇总系统与监测 系统之间，即一个无形，另一个有形。对应部位的热感应元件将其所监测到的温度信息通过无线通信设备传输到汇总系统的总站，总站将会对收集到的所有温度信息 进行分类整理、分析并处理，再将处理完毕的数据信息传输到监测系统的监测计算机上。同时，调节端监测计算机也将收到同样的数据信息。监测计算机对接收到的 数据信息进行二次处理分析，当处理所得数据结果超高设定的极限值时，监测计算机就会发出警示信号。每个总站可以管理数百个子站，信息量的采集将是非常巨大 的。
2智能无线温度监测系统的组成
2.1采集系统
通过将热敏电阻、传感器等热感应元件安装在容易因工作而产生不正常散热的部位，实时的对温度数据进行测量与采集工作，并将采集到的信息发送出去。交流电作为长期供能电源及太阳能电池板作为的后备电源（确保突然断电后的数据持续收集的）是采集系统的正常工作的依靠。
2.2汇总系统
信息汇总系统主要由无线接收装置构成，在收集到采集系统所传递而来的数据信息后，再传递给总站，总站接收到分站的温度数据之后，继而再将其传递给当地监视系统，与此同时还将温度数据传递给调节终端。实时温度变化同样被调节终端监视，如此便避免了无人监测的情况。
2.3监测系统
监测系统又可以细分为站级监测系统和调节端监测系统。用于监测系统的计算机直接接受总站所传递的温度信息等数据，并与总站是直接通信的关系。 监测计算机对总站所传递来的数据信息进行汇总、整理、分析后，存储于特定的数据存储库（可以对数据库进行灵活改动，比如扩容）。监测计算机可以对数据信息 进行报表统计，准确记录处于何时、何地、何种状况下的温度情况。同时，监测计算机在温度越过某一设定极限值时会有警示信号出现。监测计算机的另一个便捷之 处在于，可以根据需要进行任何时间段的任何部件的温度查询。调节端监测系统的数据信息传输用到的是汇集系统的通讯管理器，通过数据传输线缆直接传输到 PCM设备之中，在经过线缆转送给调节端，经PCM的数据信息还可以作为存储资料被下载到调节端监测计算机。
3.智能无线温度监测系统的特点
3.1免于布置排线
因为采用了无线传输设备，所以不用布置排线，热感应元件的安装更方便。
3.2免于经常的维护
智能无线温度监测系统都是整体化设计，所以免于维护。
3.3节能
智能无线温度监测系统的各个部分均采用节能、低功率消耗设置，同时应用太阳能电池板更是绿色节能。
3.4警示系统更完善
当温度过高时，总站智能终端电源，后台监控系统能够及时发出警报。
3.5稳定性更高
智能无线温度监测系统中的设备均有坚实的外壳保护，同时又有静电保护。数据在传递过程中安全、稳定，能够抵抗外界的干扰。
3.6具有较好的兼容性
能够应用更多的应用软件和控制系统。
4.智能无线温度监测系统与传统监测间的对比
4.1智能无线温度监测系统由于装有位于各个需要测量的部位的热感应元件的帮助，这使得数据的采集与监测具有了实时性、连续性和准确性的优点，通过对每年、月、日甚至每小时的温度数据的变化情况，总结出港口电力设备不同部位的相应温度的变化规律，确定出其温度规律的峰值，有效的对港口电力设备的工作 稳定性就行预见性分析，消除潜在的威胁。而传统的港口电力设备温度的监测是依靠监测人员定期的监测与测量才能得出的，传统的港口电力设备温度的监测耗费大量的人力 物力，由于人类生理的局限性，所测得的数据存在不确定误差，甚至会出现错误，而且潜在的故障威胁不能及时发现并作出应有的处理，致使出现不必要的人员或财 力的损失。
4.2智能无线温度监测系统对数据的处理速度以及对故障的预见性分析是人类所不能比拟的，其所存储的数据信息能够被极其方便的调阅，对数据信 息的存储量也是相当的巨大。而传统的监测数据信息要进行存储就需要建立专门的存档管理机构，而且常年所存储的信息量是无妨想象的，要对某段数据进行查阅也 是极为不便的，费时费力，极不现实，而智能无线温度监测系统则解决了上述所存在的所有问题。
4.3智能无线温度监测系统的应用软件简单，操作方便，减少人员培训上岗时间。而传统的监测测量则需要专门的工作人员进行培训。
5.智能无线温度监测系统的后台监控功能
5.1热感应元器件所监测的部位的温度能够实时的传递给监控计算机并于显示屏上呈现出来，出现警示温度时的时间及故障位置都会以数据的形式保存起来，保存期限可长达数年。
5.2可设置警示音的类型，如可以以真人语音的形式播报出来或者以文字警示的方式显示到屏幕上。
5.3监测计算机所监测到数据信息可以以年、月、日等为单位用线性图或者表格的形式一目了然的展现出来，也可以直接抽查或打印出来。
5.4当智能无线温度监测系统中的任何部件出现问题时（如电源故障、信号传输中断等），都会有警示出现，及时警示给工作人员。
5.5都可以实现对监测位置的编码、命名处理，方便系统化管理。
6.智能无线温度监测系统国内外现状
在国外许多国家，智能无线温度监测技术的发展极为迅速，它被广泛应用到了人们生活中的吃穿住行。当传统的监测方式产生多年后，智能无线温度监 测系统在万众期待中登上了历史舞台，监测技术从此掀开了新的一页。现今已经不仅仅局限于港口电力设备的维护方面了，精密生产线、医疗系统、农业方面都已成熟融 合。智能无线温度监测系统在电力方面的应用，也是国外首创的。
关键词：自充电模式； 温度监测； ZigBee； 倒F天线； 压电微能源
中图分类号： TN98?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 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
在科技迅速发展的今天，无线传感网络（WSN）显得尤为重要。它由各种传感器节点组成，相互之间进行无线通信，将感知到的结果呈现给观察者。无线传感网络也被美国著名杂志《技术评论》列为对人类生活产生影响的十大新兴技术之首[1]。作为一种新兴的网络技术和产业模式，物联网成为信息领域一次重大的发展和变革，受到国内外广泛的关注[2]。它通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，是在互联网基础上延伸和扩展的网络[3]。ZigBee技术是开发物联网可以用到的一个组网技术，具有省电、可靠、廉价、时延短、网络容量大、安全的优点[4]。借助TI公司开发的Z?Stack协议栈，就可以较为方便地进行编程。基于这种技术，考虑到环境中存在着浪费的振动机械能，开发一套简单的低成本、小体积且具有自充电能力的无线温度监测系统其具有一定的现实意义，如应用在矿井下煤机上来监测其在工作时转轴的温度变化。本文主要通过芯片LT3331进行电源管理，由锂电池供电并可在振动环境实现自充电，利用测温范围为-55～125 ℃的可编程数字温度传感器芯片DS18B20和射频芯片CC2530来完成温度数据的采集和无线传输，最终由计算机串口来读取温度数据，进行监测。
1 总体功能框架
在正常情况（环境中无振动）下通过锂电池给无线节点供电，保证温度传感器和射频单元的正常工作；在振动环境中，利用压电微能源收集环境中的振动能，给锂电池充电，实现自充电。通过ZigBee技术实现无线数据传输，最终由上位机进行监测，如图1所示。
2 电源模块
本系统选用Volture系列的V21B压电式振动微能量采集器为节点供电，其体积小、可靠性好、灵敏度高、寿命长。当环境中有振动时，该采集器收集振动机械能，利用压电效应，将其转换为电能为节点供电[5?6]。它包含4个引脚，通过串联方式输出较大电压，通过并联方式输出较大电流。采用串联方式获取较大电压，通过给振动台测试系统设置1 g垂直方向加速度来测试能量采集器的电学输出性能。从8～200 Hz进行扫频测试，观察其谐振频率。测得器件输出电压与振动频率的关系如图2所示。通过测试：在8～200 Hz振动频率范围内，器件开路输出电压范围为0.124～13.204 V，并在谐振频率41 Hz下输出达到最大。
能源管理部分采用LTC3331芯片，根据外部环境振动状况和电池电量状况，LTC3331内部输入优先级排序器控制选择降压转换器或降压?升压转换器，完成环境采集能量输入模式和电池输入模式的切换。当处于振动环境时，压电式环境振动能量收集器采集振动能量，电容上开始积累电荷，当Vin电压高于UVLO上升阈值时，降压转换器激活，LTC3331采用环境能量输入模式为Vout供电，同时内部并联电池充电器为锂电池充电；当Vin逐渐耗尽至UVLO下降阈值以下或无振动时，能量输入模式切换为电池模式供电。基于LTC3331的能源管理电路如图3所示。
3 射频模块
作为发射和接收电磁波的一个重要无线电设备，天线自然也是无线通信系统中的重要一环，它的性能将直接影响到通信系统的品质。对于所设计的无线温度传感监测系统来说最重要的就是射频模块，它的好坏直接影响到温度数据的传输质量，尤其是天线部分。本模块采用CC2530与IFA天线相结合。
3.1 原理图
如图4所示，本原理图主要涉及射频模块CC2530芯片及其元器件分布以及巴伦电路。本系统采用的是CC2530F256，即具有256 KB的FLASH存储器。此外，CC2530十分适合需要超低功耗的系统。在原理图中，元器件在满足芯片功能的情况下还有滤波及去耦的功能，巴伦电路能使射频芯片和天线更好地实现阻抗匹配。该电路包含两个晶振，分别为四引脚32 MB和两引脚32.768 kHz，CC2530选用两个晶振确保电路正常工作，X1是主晶振；X2是可选晶振，用于低睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。P0口、P1口和复位等均全部引出。
3.2 天线部分
考虑到小体积，天线部分没有采用一般的外置天线，而是印刷在PCB电路板上的倒F（Inverted?F Antenna，IFA）天线。不仅具有交叉极化特性，而且具有等向辐射性[7]。本系统使用的倒F天线的原型是单极子天线，具有体积小、结构简单、易于匹配和制作成本低等优点，这是本系统选择它的主要原因。
所用倒F天线用HFSS软件进行建模并进行仿真，模型如图5所示。基板选用的是PCB中最常用的玻璃纤维环氧树脂（FR4），其相对介电常数=4.4，损耗正切=0.05。天线位于模型中介质层的上表面，用一个矩形理想导体平面来代替过孔与地相连[8]。各部分具体参数如图6所示，H=4 mm，S=5 mm，L=16 mm。
仿真结果如图7所示，S11参数如图7（a）所示，可以看出天线的谐振频率非常接近2.45 GHz，满足ZigBee可使用的2.4 GHz的ISM频段，10 dB带宽约为400 MHz。在谐振频率点时，S11=-34.81 dB。在射频微波频段，使用的馈线通常是50 Ω标准阻抗。所以天线的输入阻抗尽可能在50 Ω，保证在工作频带内能有尽可能小的驻波比。通过查看天线输入阻抗结果报告，如图7（b）所示，可以看出天线的输入阻抗为（51.279 1-1.097 2j） Ω，与50 Ω已非常接近。在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量就会发生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。通过仿真，电压驻波比为1.033 8。图7（c）为天线平面增益方向图，仿真结果最大增益为2.893 4 dB。
3.3 电路板
最终设计射频模块电路板为30 mm×37 mm，厚度为1.2 mm，相比外置天线体积上小了很多。在设计电路板的过程中，过孔的增多和巴伦电路部分元器件的摆放非常重要，会直接影响到天线的传输质量[9]。本设计铺铜厚度为35 μm，布线宽度为10 mil，模块PCB图如图8所示，实物电路板如图9所示。
4 程 序
程序借助TI公司的Z?stack协议栈，大大简化并节省时间，系统所用的编译软件为IAR Embedded Workbench，它是瑞典 IAR Systems 公司为微处理器开发的一个集成开发环境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片群似教āIEEE 802.15.4标准定义了ZigBee协议栈的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。ZigBee联盟在IEEE 802.15.4标准的基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）框架。
波特率为576 000 B/s，每隔2 s发送一个温度数据，通过接收机实时接收温度数据给上位机，通过上位机实时读取温度数据。部分程序如下：
温度数据接收程序：
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 温度显示
上位机界面计划采用LabVIEW软件来设计，它是目前国际上惟一的编译型图形化编程语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能（图形），使用线条把各种功能连接起来的简单图形编程方式[10]。由它设计出的界面相当的直观漂亮。在底板上通过PL2303芯片实现串口转USB。该芯片是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS 232?USB接口转换器，它的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM 端口，并允许基于COM 端口应用可方便地转换成USB接口应用，通信波特率高达6 Mb/s。使用的温度传感器为DS18B20，精度为±0.5 ℃，与CC2530芯片的VCC，P0.6，GND三个引脚相连接[11?12]。将装有DS18B20的发射机置于需要监测温度数据的区域，它会每隔2 s发送所处位置的温度数据，接收机在一定范围内就能通过电脑串口实时读取相应的数据，如图10所示。
最终在开阔的场地和振动台测试，发现当发射机与接收机的距离为80 m时，温度数据仍然可以被较为准确的监测，表明该系统具有一定的可靠性。
6 结 语
本文对基于ZigBee的无线可充电温度监测系统从硬件原理图到无线节点程序设计再到上位机都进行了比较详细的介绍。由于测试条件有限，只是在正常情况下和振动台上测得节点最大有效距离为80 m，在振动环境中微能源能为锂电池进行续航，实现自充电。但是，系统并未在实际环境如矿井下的煤机上进行实测，距实际应用还有一定的距离，能够为一些恶劣环境尤其是振动环境的温度监测提供设计依据。
参考文献
[1] 高翔，邓永莉，吕愿愿，等.基于Z?Stack协议栈的ZigBee网络节能算法的研究[J].传感技术学报，2014，27（11）：1534?1538.
[2] WELBOURNE E， BATTLE L， COLE G， et al. Building the Internet of Things using RFID： the RFID ecosystem experience [J]. IEEE Internet computing， 2009， 13（3）： 48?55.
[3] 孙其博，刘杰，黎，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1?9.
[4] 杨峰，朱凯，徐昕军，等.面向物联网的室内ZigBee监控系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（5）：1439?1441.
[5] 佘引，温志渝，赵兴强，等.MEMS压电阵列振动能量收集器[J].传感技术学报，2014，27（8）：1033?1037.
[6] 贺婷，杨杰，孔龄婕，等.MEMS压电?磁电复合式振动驱动微能源的设计[J].传感技术学报，2015，28（3）：342?346.
[7] 李明洋，刘敏.HFSS天设计[M].北京：电子工业出版社，2014：160?181.
[8] 彭文均.HFSS和CST应用于过孔模型的协同仿真研究[J].舰船电子工程，2012，32（4）：90?91.
[9] 周涛，姚炯辉.对高频PCB设计的研究[J].信息化研究，2006，32（11）：34?36.
[10] 高峰，俞立，王涌，等.无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发[J].农业工程学报，2010，26（5）：175?179.
【关键词】 CAN总线;DS1820数字温度传感器;自动测试系统
一、系统工作原理
(一)CAN总线的特点和工作原理
CAN(controller area network)是一种先进的串行通信协议,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线是一种多主站总线,各节点都有权向其它节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。它可以通过简单的协议,实现在电磁干扰环境下的远距离实时数据的可靠传输,且硬件成本较低。主要特点可概括如下:CAN总线任一节点均可在任一时刻主动向网络上的其它节点发送数据,不分主从;CAN总线上的节点可分为不同的优先级,可以满足不同的实时要求;借助接收滤波实现多地址的帧传送;数据采用短帧结构,受干扰率低,数据帧的信息CRC校验及其它错误检测措施;发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破获的帧可以自动重发;对于严重错误具有自动关闭总线功能,使总线其它操作不受影响。
CAN总线的接收数据长度最多为8个字节,因而不存在占用总线时间过长的问题,可以保证通信的实时性。通信速率最多可达1Mbps(通信距离40m),通信距离最远可达10km(传输速率5kbps)。通信介质可以是同轴电缆或光纤,甚至可以是双绞线,其硬件接口简单,编程方便,系统容易集成。基于CAN总线的以上特点,它特别适用于系统分布比较分散、实时性要求高、现场环境干扰大的场合。智能节点能够采集现场数据,并根据接收到的命令或者主动将数据发送到CAN总线。通过事先设置验收码和验收屏蔽码可以控制智能节点从总线上接收哪些数据或命令。如果某些数据需要进一步复杂的处理,则上位计算机可以从总线上接收数据。当上位机需要对某个节点施加控制动作时,可以采用点对点方式与该节点通讯;当它要同时对所有节点施加控制动作时,可以采用广播方式将命令发送到总线。这样当系统正常运行时完全可以没有上位机的参与。大大减少了数据的传输量,同时提高了系统的实时性和可靠性。
(二)DS1820数字温度传感器特点
DS1820是美国DALLAS公司生产的一种温度测量传感器,以数字形式串行输出温度测量值,改变了以往温度传感器需要加A/D转换器才能转换为数字量的模式,可直接与单片机连接,接口电路大大简化。DS1820的64位ROM存放着序号,前8位是产品类型编号,接着的48位是每个DS1820的唯一序号,最后8位是前美国微芯公司的PIC18F458 单片机集成了CAN 通信接口,执行Bosch 公司的CAN2.0A/B 协议。它能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B 协议的旧版本和CAN2.0B现行版本。使用PIC18F458 单片机的嵌入式系统,可以很方便的利用CAN总线与外界进行数据交换。它的优点是电路接口比较简单,只需很少的电路就可实现CAN 通信,受硬件限制比较少;软件编程容易实现所需功能,只需对相关寄存器进行正确设置即可。
DS1820的特点如下:仅一条线便可以完成读或写数据,一条总线上可挂任意多个DS1820 不需要外接元器件;温度测量范围为-55℃～125℃,分辨率为0.5℃;温度转换为数字量的时间为1s(典型值),DS1820含有两个字节的寄存器,第一个存放着温度值的符号,如温度为正则全为1,否则全为0。第二个存放着温度值的补码。具体计算如下:先将寄存器中的温度数字量求补,再转换为十进制并除以二,即得被测温度值。
二、系统的硬件构成
系统硬件由PIC18F458 单片机为控制核心,通过并行DS1820温度传感器,检测出通风机测点温度,通过PIC18F458单片机信息处理,由CAN 通信接口信号处理器MCP2551进行远距离信号传输,系统通过LCD1602进行就地温度显示,同时温度信号通过MAX232串口与PC机进行组态监测显示。系统还具有温度超限报警功能。美国微芯公司的PIC18F458 单片机集成了CAN 通信接口,执行Bosch 公司的CAN2.0A/B 协议。使用PIC18F458 单片机的嵌入式系统,可以很方便的利用CAN 总线与外界进行数据交换。优点是电路接口比较简单,只需很少的电路就可实现CAN 通信,受硬件限制比较少;软件编程容易实现所需功能。
三、系统的软件设计及抗干扰设计
1.初始化CAN 控制。在使用CAN 之前,必须对它的一些内部寄存器进行设置,如CAN 控制寄存器CANCON、波特率寄存器BRGCONx 的设置以及对邮箱进行初始化(初始化流程图如图1 所示)。
2.信息的发送。PIC18F458 有3 个发送邮箱缓冲器,每一个发送缓冲器的数据长度可以设置为1～8 个字节长度,信息发送的具体步骤如下:(1)初始化发送邮箱;(2)设置相应的发送请求位为1,即TXBxCON bits.TXREQ=1(x=1,2,3);(3)若CAN 总线允许发送,则启动最高优先级信息的发送;(4)若发送成功,则TXREQ 被清零,TXBxIF 被置1,如果中断被使能,则会产生中断;(5)若信息发送失败,则TXREQ 保持为1,并置位相应的状态标志。
3.息的接收。IC18F458有2个具有多重接收滤波器的完全接收缓冲器和1 个单独信息组合的缓冲器。接收邮箱初始化时,要设置其标识符及相关的屏蔽寄存器、接收优先级等。MAB 寄存器接收所有来自总线的下一条信息,RXB0 和RXB1 则接收来自协议驱动的完整信息。MAB 接收所有信息,只有满足过滤条件的信息才被传送到RXBx 中。程序实现的是发送缓冲器0向接收缓冲器0发送数据的正常模式,其中接收采用中断方式,发送采用查询方式。
煤矿通风机主轴温度自动监测系统运行一年的情况表明,系统信号传输距离长,信号传输质量高,系统抗干扰能力强,工作稳定。
参考文献
关键词：涵闸工程；温控防裂；自动化数字测温系统；混凝土绝热温升；水化热参数
中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：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工程面广量大，经常出现混凝土施工期温度裂缝[1-3]。此类工程温控防裂经费投入非常有限，一般没有条件针对具体工程进行绝热温升试验，温度场温度应力计算所需要的绝热温升曲线一般采用规范公式[4]。近年来，由于水泥生产工艺的改进，水泥细度和比表面积增加，使得水化热释放速度加快，与规范推荐的计算公式相比较偏差很大。对于土基上的涵闸工程，底板部位一般不会出现裂缝，裂缝一般出现在底板以上具有强约束的墩墙部位[5]。为了准确确定混凝土绝热温升，一般对先期浇筑的底板进行混凝土温度监测，记录其温度变化过程，由此反推混凝土绝热温升，作为后期墩墙不稳定温度场和温度应力的计算条件。因此，开发高精度、高性价比的自动化测温系统对涵闸温控防裂设计是非常必要的。
自动化测温系统在大坝工程中已经普遍采用，一般由后方服务器、通讯光纤、信号转换设备、NDA 数据采集模块、自动化监测专用电源线等组成[6-8]，但是这类系统并不适用于中型涵闸工程。大坝测温系统服役时间长，往往需要数年的运行时间。为了确保传感器的高可靠性，使用的传感器多为热敏电阻感温元件[9]，一般是模拟信号输出，在采集单元中进行模/数转换，精度较低。此类系统可靠性高，但结构复杂[10-12]，铺设线路工作繁琐，投资大，对一般涵闸工程没有条件也没有必要。
涵闸工程施工期一般为1～2年，混凝土结构的壁厚一般在0.8～2.5 m范围内，温度变化过程从浇筑温度上升到最高温度再下降到准稳定温度一般在一个月左右，最长不超过三个月。本文针对涵闸工程的测温需求，成功开发了一种高精度、高密度、高性价比的全自动测温系统，并在工程中得到成功应用。根据测量数据反演得到水化热参数，在此基础上温控防裂数值模拟，根据数模结果采用相应的温控措施，取得了预期的防裂效果。
1 混凝土温度自动监测系统
本项目研制的混凝土全自动测温系统由温度传感器，数据采集模块，GPRS数据传输模块，中心服务器软件，桌面客户端软件构成，系统结构见图1。1.1 数字温度传感器
DS18B20数字温度传感器（图2）在数字测温计、测温仪、仓库温度采集系统中广泛应用[13-15]，但用于混凝土温度测量尚不多见。选用该传感器的理由是其性能指标符合混凝土短期温度量测要求，高精度温度测量范围在-10 ～ +85℃之间，恰好在混凝土囟缺浠范围之内，精度为，高于常用的热电阻和热电偶。另一优势是其内部适配了微处理器，可将温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了复杂模/数转换电路，避免了线缆电阻对精度的影响。因此选用DS18B20数字温度传感器组成混凝土测温系统的一部分是比较理想的一个选择。
1.2 温度数据采集模块和GPRS数据传输单元
温度数据采集模块采用51系列单片机，模块拥有LED四字数码管（图3），可以循环显示传感器相关信息，包括传感器总数量，有效编号传感器数量，各个传感器的编号及采集的温度值等，现场也可以通过数码管查看所测数据。数据采集模块提供了RS485总线接口，可以达到多个模块通过485总线共同组网的应用，并且能够实现500 m（或更远距离）单总线数据传输，同时驱动30个单总线温度传感器。
GPRS数据传输单元（GPRS DTU）是通过GPRS网络将串口数据和IP数据互换进行长距离传送数据的无线终端设备。后台不需要计算机支持，充分发挥了GPRS网络永远在线、快速接入的优势，性价比很高，稳定可靠。GPRS DTU的构造见图4。
1.3 中心服务器软件
自主开发的中心服务器软件TCP Water是一个TCP转发程序，它运行在一个具有公网IP地址的服务器上（项目长期租用阿里云的一台云服务器）。TCP Water在监测期间一直保持运行状态，等待现场数据传输模块和桌面客户端程序的主动连接。其功能是在现场采集单元和客户端之间起到中间人作用，其本身不存储数据，来自客户端的测量指令立即发往现场采集单元。采集单元返回的温度数据立即发往客户端。
1.4 桌面客户端软件
测温系统的客户端软件界面见图5，具有以下功能。（1）发送测量指令，可以设置随时测量和自动测量，测量间隔5 min到24 h任选。（2）接受现场温度数据，以表格形式进行显示，表头可以设置传感器的名称位置等信息。（3）以图形显示温度变化过程线，数据保存，打开，编辑功能（图5）。（4）一对多连接模式。一个现场监测点的所有数据可以在不同的地点进行查看和管理，项目业主、施工单位、工程监理可以同时查看现场数据。不受距离的限制，实现现场无人值守的远程监测。
2 工程应用与混凝土水化热参数反演
此测温系统在江苏省运东船闸、西直湖港泵站等工程进行了多次实际应用，分别对船闸上、下闸室底板、输水廊道、流道侧墙，顶板等部位进行测温。在使用中每个采集模块接入5～10个温度传感器用于测量一个断面上的温度分布和大气温度的变化过程。结果表明系统运行稳定可靠，测量间隔设置在10 min/次，准确获得了浇筑后温度上升和下降的过程。建设单位、施工单元和科研单位可以同时查看实时的测量结果。
以下根据实测数据对混凝土实际水化热参数进行反演分析。
2.1 规范指数式绝热温升曲线
根据《水工混凝土结构设计规范 SL191-2008》，混凝土在龄期t时的绝热升温Tt可用式（1）计算
工程采用普通硅酸盐水泥42.5级水化热参数和工程实际配合比，每立方米凝胶材料用量为340 kg，掺入20%粉煤灰；取比热C=0.017 kJ/（kg・℃），密度ρ=2 400 kg/m3。计算得到的绝热温升曲线见图6：
可见规范计算得到的温升曲线较平缓，在龄期2 d时温升接近绝热总温升的60%，6 d达到90%，30 d温度基本稳定，最大温升为42 ℃。
2.2 实测混凝土核心温升曲线
采用本文开发的测温系统对运东船闸底板和侧墙浇筑前后的温度进行监控。运东船闸几何模型及测点布置见图7。实测底板的温度曲线见图8（测温系统在浇筑开始前24 h开机，浇筑温度为25 ℃），虚线是根据规范参数计算的温度（浇筑温度+绝热温升）曲线。
由于实际工程中混凝土存在表面散热，显然实测温度曲线在升温阶段的任何时刻都不应该陡于绝热温升曲线。但是通过本文监测数据，发现混凝土实际温升曲线在浇筑后一段时间内大幅超过规范参数计算的绝热温升，说明规范的水化热参数和工程实际数值偏离较大。监测结果显示，水泥水化热在短时间内大量产生，温度急剧升高，浇筑后大约12 h温度即释放水化热的60%（根据规范公式需要48 h），温升幅值（约）和规范公式基本一致。浇筑72 h后温度开始下降，浇筑30 d后，混凝土内部热量基本散发完成，温度接近气温。
浇筑初期由于混凝土温度高于环境温度，混凝土一定存在热量散发，实测温度最大应不超过（浇筑温度+绝热温升）。如果实测温度大于浇筑温度+同期绝热温升，说明绝热温度曲线是不符合实际情况的。本例发现在浇筑后12 h，实测温升超过20 ℃以上。说明绝热温升严重偏离实际情况，必须进行水化热参数的反演分析。
2.3 水泥水化热参数反演
运东船闸底板厚度为2.5～3 m，由于混凝土体积较大加之放热迅速，其核心温度在早期较短的时间
内受环境温度影响较小，数值计算结果显示，48 h内底板中面（即3号和6号测点）的温度曲线和绝热温升非常接近。利用式（2），根据实测核心温度曲线，调整其中水化热参数m和n，通过多次试算，当取m=1.85，n=0.79时，计算得到的温度（浇筑温度+绝热温升）曲线和实测温度曲线基本一致，见图9。
用调参后的公式（2）计算流道侧墙绝热温升，计算的温度曲线与实测核心温度曲线相吻合（图10）。由此可见，反演后的放热曲线在混凝土浇筑初期和实测温度基本吻合。
2.4 温度场数值模拟
根据上文水化热参数的反演结果，对运东船闸上闸首输水廊道进行了三维温度场数值模拟，得到的计算结果和实测温度过程基本一致（图11-图13）。
本工程在以上工作的基础上，采用反演后的水化热参数对后期浇筑的其他墩墙进行了温度场温度应力数值模拟，根据计算结果采取了相应的温控防裂措施。工程取得了理想的防裂效果，未发现温度裂缝。
3 结语
目前关于混凝土温控防裂的相关理论已经趋于成熟，温度场温度应力的数值计算的研究也比较充分，但涵闸工程施工期混凝土温度监测尚缺少低投资的自动化设备，本文开发的测温系统为解决这一问题提供了一种技术途径。对一般中小型涵闸工程，在缺少准确热学参数的情况下，借助于测温系统，可以采用以下技术路线进行较为准确的温控防裂数值分析：底板测温热学参数反演上部结构温度场温度应力数值计算确定温控防裂措施。由于土基上的涵闸工程底板很少出现裂缝，裂缝主要在上部墩墙结构，而底板和上部墩墙结构一般采用相同的水泥品种，所以利用底板混凝土取得较为准确的热学参数，对上部结构的数值计算就具有很强的实用意义。
同时，在温控防裂措施的实施过程中，需要随时掌握混凝土温度变化情况以选择恰当的时机采取适当的温控措施来达到预期的防裂效果。比如在混凝土早期温升阶段需采取温降措施来降低最高温度；在后期温降阶段需采取保卮胧乐刮露认陆堤快产生过大的温度应力。因此温控监测也必不可少。
总体上，本文开发的测温系统具有体积小、无需布线、无人值守、运行稳定、精度高、远程测量等特点，能够随时随地监控混凝土的温度，满足温控防裂的实际需求，已在多个工程得到成功应用。目前系统的软件和硬件已经基本完成定型，推广使用将大大节省混凝土测温的人力财力。
参考文献（References）：
[1] 尹三春.水工涵闸混凝土结构裂缝成因分析[J].硅谷，2009（1）：72-73.（YIN San-chun.Cause analysis of concrete structures cracks in hydraulic sluices[J].Silicon Valley，2009（1）：72-73.（in Chinese））
[2] 华耀沛，张仲华.水工涵闸混凝土裂缝控制技术[J].中国新技术新产品，2009（24）：84-84.（HUA Yao-pei，ZHANG Zhong-hua.Concrete crack control technology for hydraulic culverts[J].China New Technologies and Products，2009（24）：84-84.（in Chinese））
[3] 方孝伍.水工涵闸工程混凝土裂缝成因与抗裂技术研究[D].南京：河海大学，2004.（FANG Xiao-wu.Study on cracking mechanism and techniques for prevention from cracking in hydraulic culvert and sluice engineering concrete[D].Nanjing：Hohai University，2004.（in Chinese））
[4] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.（ZHU Bo-fang.Thermal stress and temperature control of mass concrete[M].Beijing：China Electric Power Press，1999.（in Chinese））
[5] 张越.水工涵闸墩墙混凝土结构裂缝及其防裂措施探究[J].黑龙江水利科技，2014，42（11）：27-29.（ZHANG Yue.Study on structural cracks of pier wall concrete in hydraulic sluices and their prevention[J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy，2014，42（11）：27-29.（in Chinese））
[6] 申宇，王滋元，谢朝晖等.大体积混凝土无线温度监测系统开发及应用[J].工业建筑，2015，45（10）：132-137.（SHEN Yu，WANG Zi-yuan，XIE Zhao-hui，et al.Design and application of wireless temperature monitoring system for mass concrete[J].Industrial Construction，2015，45（10）：132-137.（in Chinese））
[7] 段绍辉，张晨，李小顺.锦屏一级拱坝施工期混凝土温度监测及自动化监控系统[J].水电与新能源，2015，（12）：16-19.（DUAN Shao-hui，ZHANG Chen，LI Xiao-shun.Automatic concrete temperature monitoring system for Jinping i arch dam in construction period[J].Hydrpower and New Energy，2015，（12）：16-19.（in Chinese））
[8] 段绍辉，张晨，胡书红.拱坝混凝土施工期温度自动化监控系统研究与应用[J].大坝与安全，2015 （5）：8-12.（DUAN Shao-hui，ZHANG Chen，HU Shu-hong.Research and application of temperature monitoring and control system for concrete construction of arch dam[J].Dam and Safety，2015 （5）：8-12.（in Chinese））
[9] 叶志强，焦生杰，张亚川等，混凝土大坝分布式温度监测系统应用研究[J].水利水电技术，2014，45（2）：129-134.（YE Zhi-qiang，JIAO Sheng-jie，ZHANG Ya-chuan，et al.Research on application of distributed temperature monitoring system to concrete dam[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2014，45（2）：129-134.（in Chinese））
[10] 刘兆峰，胡志清，张存磊等.大体积混凝土计算机无线测温系统的研制与应用[J].铁道建筑，2006（5）：95-97.（LIU Zhao-feng，HU Zhi-qing，ZHANG Cun-lei，et al.Research and application of computerized wireless temperature measurement system used in huge concrete production[J].Reilway Engineering，2006 （5）：95-97.（in Chinese））
[11] 俞J，方铭，黄阳等.大体积混凝土温度监测系统及应用[J].工程设计CAD与智能建筑，2002（5）：60-62.（YU Rui，FANG Ming，HUANG Yang，et al.Mass concrete temperature monitoring system and its application[J].Engineering Design CAD and Intelligent Building，2002 （5）：60-62.（in Chinese））
[12] 徐卫军，李端有，侯建国.分布式光纤测温系统在混凝土温度监测的应用[J].云南水力发电，2005，21（6）：42-46.（XU Wei-jun，LI Duan-you，HOU Jian-guo.Application of distributed optical fiber temperature measurement system to monitoring of concrete temperature[J].Yuinnan Water Power，2005，21（6）：42-46.（in Chinese））
[13] 黄河.基于DS18B20 的单总线数字温度计[J].湘潭师范学院学报：自然科学版，2008，30（4）：60-63.（HUANG He.Single-bus digital thermometer based on DS18B20[J].Journal of Xiangtan Normal University：Natural Science Edition，2008，30（4）：60-63.（in Chinese））
【关键词】大桥；结构；健康监测
桥梁经过长期使用难免会发生各种各样的结构损伤，损伤的原因有地震、洪水等自然灾害，也有车辆超载、车祸、船舶撞击等人为因素，以及腐蚀、氧化、风雨、振动等环境因素。随着大跨桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化，为了把握桥梁结构在运期间的承载能力、营运状态、安全性和耐久性，需要建立桥梁结构健康监测系统[1]。桥梁结构健康监测系统是在桥梁内部关键部位安装各种类型的传感器来对桥梁的整个使用寿命期间的结构健康状况和性能进行监测的一种完整的在线实时监测系统。其基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。
1 工程概况
上海崇明至江苏启东长江公路大桥（崇启大桥）全线采用双向六车道高速公路标准建设，主桥为双幅102m+4×185m+102m的六跨钢连续梁桥，引桥为60×50m节段梁拼装混凝土连续梁桥和20×30m现浇混凝土连续梁桥，其主桥联长和单跨跨径均为国内同类桥型第一。为确保崇启大桥施工及营运期的安全性和耐久性，崇启大桥建立了桥梁结构健康监测系统。
2 系统构成
崇启大桥结构健康监测系统设计主要从三个方面考虑：结构安全监测、运营期养护、验证桥梁结构设计，以主桥为主、兼顾50m跨引桥，重点关注主桥风场特性、结构应变、振动、位移、钢结构疲劳和引桥体外预应力束索力等。其健康监测系统包括以下四个部分：①传感器子系统；②数据采集与传输子系统；③数据管理与控制子系统；④结构健康预警与评估子系统。
这四个子系统构成了崇启大桥结构健康监测系统，具体工作步骤如下：①传感器子系统的各传感器在线拾取大桥关键部位的信号；②将采集到的传感器信号转换成数字信号存储在本地工业用计算机内，同时通过计算机光纤网络传输到数据处理与管理子系统；③由计算机系统完成数据的后处理、归档、显示及存储；④结构健康评估系统根据监测系统送来的数据进行分析、统计、阈值判别给出评估意见及报警信息，并为养护工作提出建议。
2.1 传感器子系统
崇启大桥结构健康监测系统监测对象分为2类9项：①荷载监测：风、大气温湿度以及结构温度、路面温度、交通荷载；②结构响应监测：加速度（主梁振动、地震船撞）、主梁挠度、应力应变、支座及伸缩缝位移、体外预应力索索力。
结构健康监测系统设计的关键是布点设计，崇启大桥设风速测点2个，温湿度测点8个，结构温度测点72个，伸缩缝位移测点8个，挠度测点9个，应变测点72个，振动测点26个，地震及船撞测点21个，体外索索力测点16个。
（1）风荷载监测
和普通的混凝土梁式桥不同，大跨径钢连续梁桥由于刚度较小、自重较轻，在风荷载作用下，可能产生风致振动。崇启大桥在实际运营中，需要实时监测风荷载的影响，并分析评估大桥的结构响应。
（2）空气温湿度及结构温度监测
空气温湿度及结构温度变化是桥梁的重要荷载源之一，常引起大桥的变形和桥梁线形的改变，温度变化对混凝土构件及钢构件有很大的影响，是监测的重要内容。崇启大桥主桥为钢连续梁桥，更需要监测钢箱梁内的温湿度。
（3）结构振动监测
桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果，而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果。崇启大桥结构健康监测系统实时监测大桥主桥主梁及主墩各部位在风、交通、地震等作用下引起的振动加速度响应，评估结构的整体动力特性，为桥梁结构整体健康状况评估、验证大桥设计理论及运营管理提供依据。
（4）应力应变监测
应力监测的目的是了解在交通荷载、风荷载、温度荷载及地震、船撞等各种荷载作用下大桥各重要钢构件的应变、应力情况，为评价结构工作状态及疲劳寿命提供依据。
（5）支座、伸缩缝位移监测
崇启大桥主桥中间墩采用墩梁固结，其他墩设置纵向滑动支座。健康监测系统监测主桥主梁的纵、横向位移，为评估风荷载、船撞、地震、交通对主梁的作用提供依据。同时桥梁进入运营阶段，伸缩缝是易于损坏的构件，实时监测伸缩缝处的位移，能够了解伸缩缝处变化情况。由于主桥主梁是一个整体，为提高效率节省资源，支座位移与伸缩缝位移合并监测。
（6）挠度监测
崇启大桥结构健康监测系统实时监测大桥的主梁几何线形及其变化，研究挠度变化与环境变化（风、温度、交通荷载）的关系，为大桥工作状态动态显示及结构健康评估提供资料。
（7）体外索索力监测
崇启大桥引桥水中段采用预制节段整跨拼装50米连续梁桥，其体外预应力束工作状态使其正常使用的关键所在，通过加速度传感器使用振动法测量索力能够较准确地测量出体外索索力，从而达到实时掌握体外索拉力情况，为评估各构件的工作状况提供依据目的。
2.2 数据采集与传输子系统
数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、显示、传输和保存等。数据采集与传输子系统由数据采集单元（工作外站）和数据传输网络，以及数据采集与传输软件组成。
2.3 数据管理与控制子系统
崇启大桥结构健康监测系统软件采用C/S（客户机/服务器）结构，中央数据库采用Oracle，监测系统应用程序的编程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
2.4 结构健康预警与评估子系统
崇启大桥结构健康评估系统目前主要分为综合评估以及监测评估两部分。综合评估主要是对大桥日常人工养护所提供的数据并且结合实时健康监测数据，根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTGT H21-2011）进行相应评估打分，最后以分数形式表示桥梁养护状态。
“崇启大桥结构健康监测评估”通过对大桥的风荷载、大气温湿度、结构温度、挠度、支座位移、体外索索力、地震船撞、应变等监测数据进行计算最终以百分制的分数形式直观提供给用户。
3 结语
崇启大桥根据自身结构的特点，建立了结构健康监测系统，实现了实时监测与状态评估。目前，该系统已运行一年多时间，在运行期间，运营单位定期对系统、外场设备进行分析、检测及维护，按月出具崇启大桥结构健康监测数据月报，为崇启大桥提供了大量的监测数据。同时结构健康监测系统的监测数据也表明了系统的合理性、可行性和大桥的安全可靠性。
桥梁结构健康监测系统涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、图形学、通信等多门学科，随着系统和网络技术的不断提高、完善和研究内容的不断深化，系统的自动化程度将不断提高，最终可以实现一整套完善的桥梁结构监测与评估报警系统，从而提高桥梁运营期的结构安全。
参考文献：
[1]Wang BS，Liang XB，Ni YQ，et parative study of damage indices in application to a ling2span suspension bridge [A].In：Ko J M， Xu YL，eds. Proceedings of the Interna2 tional Conference on Advances in Structural Dynamics[C].Hong Kong：the Hongkong Polytechnic
University，2000.1085 1092.
关键词：无线传输； 轮胎气压； 温度监测； 监测系统
中图分类号：TN911.734; U472 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)09016103
基金项目:国家自然科学基金(51105124)资助;浙江省自然科学基金(Y1090199)资助0 引 言
轮胎是汽车上与路面接触的惟一部件，行驶过程中通过轮胎花纹与地面间产生驱动力和制动力［1］；充气后的轮胎具有一定的刚度和硬度，可以用来承载整车质量［2］；充气轮胎又具有一定的弹性，可以缓和来自于车上质量和路面不平带来的冲击，提高车辆的平顺性和乘坐舒适性。而轮胎的刚度、硬度及其他性能，除了与轮胎本身的材质和生产工艺有关外，在很大程度上还受到其工作状态时的气压和温度的影响。实践证明，适当的气压和温度可以有效地减少轮胎的磨损、提高轮胎的附着性能、改善汽车的行驶安全性。
1 轮胎气压和温度对汽车使用的影响
当轮胎的气压过低时，汽车行驶时轮胎的弹性迟滞损失明显变大，不仅会增加汽车的行驶阻力，还会使胎面过早地出现龟裂和老化现象；当汽车高速行驶时，又会由于轮胎内外摩擦使得轮胎温度升高，进而轮胎气压上升［3］，严重时可能会出现爆胎现象，导致交通事故，危机生命财产安全。据统计，约有30%的交通事故是由于轮胎气压和温度不正常引起的，高速公路上这一比例更高。
实践表明，当轮胎充气压力与额定值不一致、轮胎温度超过90℃时，轮胎的磨损程度就会加剧，寿命将会大大缩短，如压力低于额定值0.03 MPa，寿命缩短［4］25%；压力高于额定值0.06 MPa，寿命缩短15%以上；轮胎温度高于95℃且高速行驶时，就有可能导致爆胎发生［5］。因此，需要对轮胎的气压和温度进行实时监测。
2 轮胎气压和温度监测的意义
在行车过程中驾驶员很难依据感觉和经验来判断轮胎的气压和温度，也不可能经常停车使用专用仪器来检测，因此轮胎气压和温度的监测具有以下几个方面的意义：
(1) 能够实时监测轮胎气压和温度，可以及时发现轮胎气压和温度状况，便于驾驶员尽快调整汽车的行驶状态，使轮胎的气压和温度能够尽快恢复常态，能够有效防止爆胎和交通事故的发生，属于“主动”型安全保护；
(2) 通过监测可以使汽车轮胎尽可能多的处于标准气压下工作，从而延长轮胎使用寿命，并能在一定程度上降低油耗；
(3) 可以保证各个轮胎气压均匀，减少造成制动跑偏和侧滑的发生，避免转向系统和悬架系统等相关部件的磨损。
3 国外轮胎监测系统的类型及优缺点
国外的轮胎监测系统的研制起步较早，配置的车型也较多，因轮胎温度与气压存在一定的数值关系，所以国外轮胎监测系统直接监测的指标均为气压，归纳起来可将其分为直接式、间接式和混合式三种。
3.1 直接式系统
直接式系统是将压力传感器直接安装到各个轮胎上，各压力传感器将监测到的压力值以电信号的形式通过无线发射器传至中央处理模块，经信号转换后将压力不正常的轮胎位置在驾驶室内的监视装置上显示出来。直接式系统的优点是能够监测出各轮胎的瞬时气压，且定位准确、显示醒目，但结构较复杂，传感器安装不方便。
3.2 间接式系统
间接式系统相对于直接式系统结构简单、成本较低。它不是直接监测轮胎的气压，而是通过对轮胎其他参数(如轮胎的振动或轮胎的滚动半径)的分析间接计算出轮胎的压力［6］。如果计算出来的各轮胎压力的差值超过报警阈值，监视器将会报警显示有轮胎气压不正常情况，具体是哪一个轮胎气压不正常，无法显示；另外如果有两个以上轮胎的气压同时下降时，系统也不能报警［7］；另外受车速的影响较大，车速升高，间接式系统的监测精度也会随之下降。
3.3 混合式系统
混合式系统是直接式系统和间接式系统的综合，同时兼顾了两个系统的优点。在四轮汽车上仅安装两个压力传感器，这样便可以对多个轮胎同时出现压力不正常的情况进行监测，克服了间接式系统的缺点；由于结构上进行了简化，其成本也较低；但是无法测出每个轮胎的实时气压。
4 国内轮胎监测系统的应用及其特点
目前，对于轮胎监测系统国家没有相应的强制性规定要求必须安装，许多车主也没有意识到轮胎状况监测的重要性，安装时又要产生一笔额外的费用，因此无论是私家车主还是运输企业主，都不会去主动安装此类系统；而且系统安装时需要在车内接线和固定，影响美观等，这也在一定程度上影响了我国轮胎监测系统的应用。
目前装配了轮胎监测系统的车型有：奥迪系列、宝马系列、奔驰系列、雪铁龙的CS、上海通用的别克、朗逸1.6 L品轩版、朗逸2.0 L品轩版、荣威550G1.8 T品仕版等，这些车型装配的都是轮胎气压监测系统。其特点是当汽车上的某一轮胎出现气压不正常现象时，位于驾驶室内的显示装置将会点亮一黄色报警灯，并显示“LOWTIRE”或其他警示字样,以提醒驾驶员采取相应的措施，从而确保行车安全。就目前国内这些车型所安装的轮胎监测系统的组成及其工作原理来看，主要存在以下不足之处：
(1) 没有与车型绑定，需人工设定标准胎压，而且需用的传感器较多，系统结构复杂，安装较繁琐；
(2) 系统工作受车速的影响较大，当车速超过30 m/s时，所监测气压值的误差较大，无法在汽车高速行驶时起到安全报警的需要；
(3) 必须使用原厂轮胎，如果换用其他轮胎，系统无法消除由于轮胎不一致而造成的影响［8］；
(4) 语音抗干扰能力较差，射频效率不高，编码纠错性较差；
关键词：人造卫星定位系统结构健康监测系统结构评估悬吊体系桥梁
一、引言
大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线，都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁，均设有桥梁结构健康监测系统，简称"桥监系统"。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化，继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内，可是现存的"桥监系统"还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统（GlobalPositioningSystemorGPS）的实时位移测量精度有显著的提升（垂直面误差约20mm，而水平面差误约10mm），因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线，提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中，亦曾考虑其他测量技术方案，如运用红外光线和激光科技，可是这些技术均需要一定视野清晰度，故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。
二、GPS监测范围和目的[1,2]
在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移，及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量，未能准确地运算桥身整体的摆动幅度，这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢，加速仪不能准确测量；另一方面，在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时，虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移，但由于这系统是利用液压原理运作，鉴于液体的惯性限制，系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息，未能录取瞬间的振幅，错过了一些较大的瞬间振幅，因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度，最后决定在"桥监系统"中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统，直接量度桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移，以及推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状态。
三、GPS监测系统简介[3]
1．GPS监测系统概要
GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是：（l）GPS测量系统；（2）信息收集系统；（3）信息处理和分析系统；（4）系统运作和控制系统。其硬件包括：GPS测量仪（其中包括GPS天线和GPS接收器），接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统，显示屏幕等。
GPS接收器备有24个卫星跟踪通道，以双频（LI及L2）同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位；GPS监测系统以划一的高速度采样率，利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量，以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果，高精度点位输出的时间延迟小于0.05秒，令到GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出，光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2秒内完成，提供实时位移监测。另方面，GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24小时作业，配合可调校的数据备份系统，将贮存的GPS位移数据与其他现存的桥梁监测数据加以整合，再作多样化的结构分析和评估；利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料，及选定时段的桥梁整移变化资料，来改进桥梁结构健康检测和评估工作。
2．GPS定点测量
GPS测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端，在三座桥上总共有27个定点测量位置。GPS测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共装有四对GPS测量仪，主悬索缆有一对。另外在汲水门大桥桥面及订九大桥桥面上分别装有一对及两对GPS测量仪。除了提供每秒10个的定点实时测量，GPS监测系统更能运算桥身主轴线的三维瞬间位移，和桥身扭转振动的时程数据。同样，从塔顶的点位解算结果，GPS监测系统能运算出汀九大桥单脚塔顶的位移，和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移。经数据及图像处理后，信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。现时路政署采用GPS接收器的定位延迟误差为0.03秒，突破早期GPS定位数据与实际点位不能完全一致的难题，这技术可应用于速度不均的运动状态，
足够应付高速度实时位移监测的基本要求。
GPS接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装，并加上振动隔离装置，进一步减除振动操作环境对GPS设备的影响，加强其抗震性能。在桥上的GPS定点测量位置均采用精密微带天线，为减低对人造卫星信号接收的障碍，所有天线的安装高度须维持水平15度以上的无屏障朝天范围，及避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍。位于贮物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线，进一步减少多路径效应对定位测量的影响，确保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上GPS测量仪在出厂后毋须定期校对，从而减省养护工作。
3．GPS信息传输系统
GPS监测系统是一组不停运作的实时监测系统，当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作环境时，GPS监测系统所得的数据更为宝贵，故此对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络。由于光纤不受电磁波干扰，在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等，光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质素和速度，先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号，让维修人员即时知道通讯网络出现问题的位置，确保系统工作效率。信息收集总控制站设于青衣行政大楼，在每座桥上均设有一组网络接驳站，用以汇集各处GPS定位测量站的数据传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤，最长距离约3km；而联接定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤，最长距离约l.3km。每组GPS测量仪需要三条非同步串列传输管道（AsyncSerialChannel）操作，这三条管道分别用作资料收集、差分改正信息传送及遥距监控，而每条管道传输速度达19200Baud。光纤传输速度能力高，一条多模光纤已能取代多条传统的铜蕊资料传输电线。GPS信号从多模光纤传送至网络接驳站后，即被汇集成更高频信号，由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站，使原本需要百余条钢资料传输电线的传统通讯网络简化为每座桥只需一条单模光纤的光纤通讯网络，大大改进了网络的操作效率和养护维修工作。
4．GPS信息处理的运作
从27个GPS定点测量仪输出的GPS大地坐标经纬数据，分别以每秒10个的采样率透过光纤网络信息收集系统同步传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于青衣行政大楼的桥梁监察室内，由两台电脑工作站组成：（1）第一台为运作工作站（GPS-OWS），用作信息和图像处理，以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态，及运算桥身扭转振动的幅度，同时以时程数据形式显示各定点的度量位移，GPS一OWS亦负责系统运作和控制，用作监察GPS测量仪和光纤通讯网络的运作状况，当系统出现问题或位移数超出预设极值时，这系统会发出警号和红色灯号，提醒系统管理员。（2）第二台为分析工作站（GPS-AWS），将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估，并用作进阶图像处理和执行图输入蹦出工作。这两组电脑工作站均与现存的"桥监系统''''充脑系统联系在一起，供数据整台之用。表1及表2列出了这两台工作站的主要硬件和操作软件，在需要的情况下，GPS-AWS操作系统作为后备工作站以维持正常运作。
四、桥架结构侵康检测和评估的应用[1,2]
GPS监测系统为"桥监系统"中的一个新增设施，其主要作用为直接测量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移，并推算其截面中线相应的导量位移，继而再配合其他结构分析软件来评估各相应主要构件的应力状况。目前"桥监系统"对大桥结构的评估有三大方面，分别为承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态则与大桥结构或其构件在日常荷载下的变形。裂缝、振动等有关，其评估结果有助于安排合适的定期养护维修，而这类评估亦较为重要。耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。
GPS监测系统对大桥整体结构的位移监测，可更直接改进"桥监系统"的一般检测和评估工作，例如：（1）报告大桥整体结构的位移从而反映其工作环境和荷载的变化；（2）进一步分析运算主要构件的实际内力分布，例如主悬索缆、纵向主梁等；（3）验证不寻常荷载记录，例如台风、地震、超重交通荷载或被车船撞击事故等；（4）从而推算大桥主要构件有否损坏或累积性的损坏；（5）推算大桥的承载能力及论证设计施工假设和参数的有效性；（6）为大桥营运和维修决策者提供大桥超载的警告信息。
五、桥梁整体性营运状态监测【1，2】
1．风力效应监测
大桥设计中所进行的抗风能力分析和风洞测试，是基于一所离开大桥桥址较远的气象站所收集到的风结构资料。由于桥址和气象站所处的位置有高度上的和地形上的差别，再加上悬吊体系桥梁对风振有较大的反应，因此测量大桥桥址的风结构和论证大桥的抗风设计假设和参数的有效性，成为大桥抗风振监测的主要部分。配合"桥监系统"的风速、风向监测，利用从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力效应监测及结构的抗风振验算复核；测量特定风速的持续周期，用以检测桥梁的涡激共振的平均持续周期。另外，亦会与在桥身中同步测量的加速仪数据互相验证，确定大桥结构的抗风振的效应。
2．温度效应监测
由于温度变化是与太阳辐射强度、材料热能散发率、环境温度及风速风向等因素有关，因此大桥的温度参数的极值不能从个别因素去推论。监测大桥环境温度和桥梁结构上温度的分布状况，可用作推算大桥的有效桥梁温度和差别温度的极值，此为大桥温度荷载监测的主要部分。GPS监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化，可引证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期，例如主悬索缆的垂直位移。桥身的纵向、横向及垂直位移，与相应的塔顶的横向及垂直位移等，再与"桥监系统"的结构有效温度和差别温度的极值互相验证，增强大桥整体温度荷载监测的可靠性。
3．交通荷载效应监测
对一般大跨度桥梁而言，交通挤塞是交通（车辆）荷载的主要设计考虑因素，而大桥的交通荷载长度（LoadedLengths）设计是基于：（1）每天交通挤塞形成的次数；（2）交通挤塞发生的位置，持续时间和车辆的分布模式；（3）交通挤塞时的交通流量等假设。测量和论证交通荷载设计假设和参数的有效性，是大桥交通荷载监测的主要项目。从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料，可与"桥监系统"的交通荷载及分布状况的监测资料互相验证，协助进一步制定桥梁结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。
4．铁路荷载效应监测
对青马大桥和汲水门大桥而言，铁路机车的荷载亦成为另一主要的设计考虑因素。青马大桥和汲水门大桥的铁路路轨承台是由纵向工字钢梁承托的，铁路机车荷载从纵向工字钢梁传到大桥桥身的加劲梁构件，再分布到其内的横向框架上。由于"桥监系统"中没有传感器能直接测量铁路机车在大桥上所产生的荷载，因此，只能通过安装在大桥中跨的纵向工字钢梁上的应变仪，进行铁路荷载的监测，绘制相应的感应线来推算单一机车车盘的荷载，再进一步推算整列车的荷载。同样地，GPS监测系统得出的桥身、塔顶住悬索缆的三轴向位移资料，可作进一步验证结构应力与位移的相互关系系数。
5．大桥钢索索力的监测
大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志。利用GPS监测系统的青马大桥主悬索缆得出的三轴向位移资料，运用有关的素力公式去推算钢索承受的拉力，定期监测钢索索力的状况，并进一步分析桥身和主悬索缆的应力分布相互关系。
6．大桥主要构件应力监测
大桥的结构设计普遍上是基于导量位移，任何索塔和主梁轴线偏离于设计轴线，都会影向大桥的承载能力和构件的内力分布，结构评估工作先从GPS监测系统得出的桥身截面中线度量位移，将其输入其模拟桥身等效刚度的鱼骨结构分析电脑模型，藉矩阵运算，得出全桥整体的内力分布；再利用局部的结构分析模型来模拟桥身的主要构件，再推算出主要构件的个别应力状况。在恒载和交通荷载作用下，大桥主梁与各构件有着不同的内力分布，通过"桥监系统"对主要构件部位进行的应力监测，整台GPS位移数据对相应构件的应力推算，不仅能多方面验证各构件的应力和位移相互关系，从而为评估大桥的承载能力、营运状态及耐久能力提供更有力的依据；此外还能通过监测应力或位移的变异来侦查大桥结构有否损坏或潜在损坏的状态。
【关键词】温湿度；监测系统；主控电路；PIC
目前，大部分常用的温湿度监测系统是以晶体管电路或51单片机为核心部件，再配以相应的传感器和A/D转换电路组成的温度和湿度实时监测系统。这样的系统，在实际工作中存在诸如在线调节不方便、数字化和智能化程度较低等缺点。
因此，本文研究了基于PIC16F877A单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统相关技术，对主控电路进行了改进，提出了相应的对策和解决方案。
1 设计思路
通常情况下，温室内的温度和湿度对作物的影响巨大。如若要使得这些植物在非本季节处于较佳的生长状态，就必须严格控制温室内的温湿度。而不同类别的植物，所需温湿度也不尽相同。严格监测和控制温室内温度和湿度环境参数，能够有效保障植物时刻处于较佳的生长状态，有利于提高生产质量和产量。
首先，本文分析了温室温湿度监测系统基本原理和性能要求，针对农业生产所使用的普通MCU与PIC系列PIC16F877A进行性能比较，对优化主控电路做出理论依据，并提出相应的优化方案和整改对策。然后，分析了目前农业生产所使用的模拟量传感器和直插式数字传感器进行性能差异，从非电和电两个方面着手对影响温湿度监测精度及可靠性的原因进行分析，并在优化的主控电路。最后，采用了以PIC16F877A对直插数字集成式温湿度传感器DHT11进行循环控制，达到对蔬菜大棚温湿度实时监控的目的[1]。
2 硬件电路设计
本文选用DHT11作为温湿度环境信号监测系统的主要传感器件。DHT11数字温湿度传感器含有已校准数字信号输出，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11传感器的校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，非常适合温室内的温度和湿度环境参数信号监测系统的技术特点[2]。
本设计利用DHT11直插式数字温湿度传感器对蔬菜大棚温湿度进行实时监测，并把实测温湿度值实时显示在LCD1602上，可以通过键盘设定温湿度极限值，如果实测温湿度超过设定极限值，则进行LED或者蜂鸣器报警操作。
基于PIC16F877A单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统主控电路如图1所示，监测过程大体如下：当产品上电时，PIC16F877A与DHT11传感器通讯，当PIC做好数据接收准备时，DHT11通过单总线将数据发到至PIC，最后再由PIC将处理过的检测数据发送至LCD1062进行显示，从而达到蔬菜大棚温湿度的实时检测。在此基础上，用户可以通过按键输入温湿度极限值，对温湿度报警值进行设定，之后以达到峰值超标自动报警的目的。
3 主函数初始化和外部中断流程图设计
我们对需要的特殊寄存器进行初始化后，使其进入while循环，等待外部中断。
①初始化
初始化函数包括了系统初始化函数sys init（）；，LCD初始化函数lcd_init（）；等。系统初始化函数主要是对外部中断的I/O口，和使能端进行设置[3]。LCD初始化函数lcd_init（）；主要是多LCD的I/O口进行方向设置，LCD指令输入等操作。如图2所示，对主函数进行初始化设计。
如图3所示，本文对中断入口和外部信号进行了设置，使得设计的主控电路能够更好的响应其他优先级更高的事件，从而完成了外部中断流程的设计。
从上述设计的主控电路来看，本文在对传统主控程序进行分析后，才给出基于PIC16F877A的温湿度监测系统主控程序的设计，并设计主要模块的流程图。不难看出，通过PIC单片机设计监测系统的主控电路，能够使得整个监测系统的主要部分实现模块化设计，这将有利于系统将来的升级改造，并降低了整个程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。从而使得整个监测系统相对与传统的监测系统而言，能够体现出智能化、数字化的特点。
【参考文献】
[1]孙安青.PIC单片机实用C语言程序设计与典型实例[M].北京.中国电力出版社，2008：21-31.
关键词：实时监测技术;粉尘浓度;电机运行;水害
当前，我国煤矿安全生产技术已有了显著提高，生产环境得到了相应的改善和优化，煤炭开采事故率和死亡率都迅速下降。但是，在煤矿安全生产过程中依然面临着较为严峻的形势，煤矿井下存在的安全隐患并没有得到彻底有效的治理，而实时监测技术的发展应用，则为排查解决这些隐患提供了科学的技术支持。通过采取煤矿井下实时在线监测技术，可以对煤矿生产过程中存在的典型危险因素进行实时监测，随时关注相关变化，显著提高煤矿井下安全生产水平。在下文中分析探讨的内容主要有粉尘浓度、电机运行状况以及水害等几个方面。
一、粉尘浓度实时监测技术在煤矿井下生产中的应用
煤矿井下粉尘不仅直接影响到生产工人的身体健康，导致工人患上煤肺病，而且当矿井中的粉尘浓度与氧气浓度达到一定的界限时，容易出现明火时，引发煤矿粉尘爆炸，给矿井生产安全带来极大的威胁。因此，对煤矿井下粉尘浓度进行实时监测尤为必要。
在对煤矿井下粉尘浓度进行监测的过程中，主要采用矿用测尘仪对矿井中的粉尘浓度进行在线检测。其中，光电式测尘仪因为其精度较高、可靠性好而被广泛的应用。其检测是基于粉尘对光线的投射损耗与散射原理而实现的，能够对不变浓度进行精确的测量。但是，在煤矿井下的实际生产过程中，因为作业环境内粉尘浓度在不同的生产工艺、工序以及作业地点的变化有很大的差异，使用传统的采样器在现场采样然后再到地面分析的方式已经不能满足当前对生产现场的实际需要，因此，构建一套基于光电式测尘仪的煤矿粉尘浓度实时在线监测系统尤为必要（如图1）。
图1 粉尘传感器系统结构
该粉尘浓度实时监测系统使用一台主机与多台分机相连，对井下多个位置同时测量，传感器获得的电信号通过RS485总线与计算机进行数据通信，实现及时获得粉尘浓度信号的目的。需要注意的是，在构建检测系统的过程中，应该注意到光电式粉尘传感器中，LED点光源在给检测系统提供光源的过程中还会产生热量，使得周围的温度随之上升，从而使得光源强度会随之衰减，尤其是在长期使用该系统进行在线实时监测时，所导致的检测误差将会更加明显。因此，在设计粉尘实时监测系统及相关算法的过程中，应该对此进行适当的修正，从而为检测系统提供更准确的数据信号。
二、电机运行状况实时监测技术在煤矿井下生产中的应用
电机是煤矿机电设备的重要动力来源，因此，保证电机正常工作，是确保煤矿生产用设备处于长期稳定运行状态、提高煤矿生产效率、保证煤矿生产安的必要条件。
（一）煤矿电机运行实时监测系统工作原理。在待测电机的各个位置设置高精度的传感器，对电机运行过程中的转矩、温度、速度、电压以及电流进行实时检测;之后使用传感器将检测信号输出，然后通过信号采集和放大电路、A/D转换电路对信号进行处理，并将处理后的信号传递给DSP控制系统。通过DSP对电机的运行参数进行实时在线计算和分析，将电机的实时运行状态参数显示出来，并将主要参数传递给上位机进行对应的处理，实现对电机的监测和反馈控制。
（二）煤矿电机运行温度和电流监测。（1）温度监测。温度是衡量矿用电机正常工作与否的关键指标，对电机本体、逆变单元等部分的工作温度进行实时监测是确保电机安全、可靠工作的重要途径。以AD590型温度传感器为例，该传感器属于电流式集成温度传感器，在把它用于电机温度测量的过程中，相当于形成一个恒流源，能够输出大小为1μA/K、并与绝对温度成正比的电流信号，具有较强的抗干扰能力和线性度。将传感器设置在矿用电机的待测量部位，随着电机工作温度的升高，传感器的温度也随之上升，输出的电流将随之增大，系统将获得的电流信号转换成为电压信号，并通过后续的信号放大、经
A/D转换处理之后，将信号发送至DSP，从而获得电机的实时工作温度。（2） 电流监测。在传统的电流监测系统设计过程中，一般使用串联的分压电阻作为传感器对电流信号进行检测，这种检测方式具有监测方法简单的优点，但是容易受到检测环境温度的影响，较难保证电阻值的恒定不变，导致所采集到的电流值精度不高，而且通常情况下，控制系统的反馈电路没有与主电路相互隔离，一旦功率电路中的高压电流通过反馈电路进入到控制电路后，将直接破坏整个控制系统的安全程度。因此，现在大多使用高精度霍尔电流传感器作为电流检测装置，对矿用电机的三相电流进行实时监测，而且该传感器只需要使用
12V的电源供电，系统架设较为方便。
三、水害实时监测技术在煤矿井下生产中的应用
在生产中，随着煤矿开采深度的增加，水害的威胁也更大，对水害的潜在威胁实施在线监测也是现代化矿井的必备条件。
（一）煤矿井下水害实时监测原理。在煤矿井下设置足够的分布式水文观测孔，对观测孔中的水压、水位进行测量，逐步形成“一线多点”的测量体系，从而实现超远距离的实时水害监测。当前，许多矿井所采用的水害监测系统使用的都是高速数据传递技术，这项技术能够保证系统监测的实时性。利用所测得的监测数据可以及时的反映不同地质层水位的实时水压、水位等动态信息，并结合历史监测数据以及组织管理经验，采取对应的治理措施，从而实现对煤矿井下水害的防范和治理。
（二）煤矿井下水害监测系统的基本构成。建立矿井水压实时监测系统的地面监测中心站，利用检测系统软件（系统控制、数据通信以及数据处理等应用软件）处理来自系统子站传递的相关数据，将检测结果实时显示在对应的设备中。煤矿井下子站（水压、水位测量孔）主要由水压/水位数据收集装置、压力/液位信号传送器、数据通信模块和安全保护罩等构成，该监测系统总共包含1-258个子站，通知对这些子站的实时检测能够实现对整个矿井的水害情况的监测。在信号通信的过程中，该系统使用了基于现场总线的控制技术，使得所有的检测子站都能够有内置的计算机系统进行控制，从而实现对各个水文观测孔中的水压、水位进行数据采集，通过对应的转换以及存储之后，利用地面的监测中心站完成对水害情况进行实时在线监测的任务。
通过前面的分析可以看出，实时监测技术在煤矿井下生产作业中发挥着重要的作用，提高了矿井的安全生产系数和经济效益，减少了灾害性事故的发生率，在井下安全管理中获得了广泛的应用。本文中，笔者只选择了几个比较具有代表性的应用实例，如粉尘、电机、水害等进行了粗略的分析，而在实际的煤矿井下生产中，监测技术的应用绝不是仅仅局限于这三个方面，适合其发挥作用的工作场所还非常多，具有一定的普遍性，值得同仁继续做进一步的研究。
参考文献：
