远程网络智能检测技术在土木工程中的应用研究

姚陶荣

（广西壮族自治区建筑工程质量检测中心有限公司，南宁 530005)

1 工程概述

某市高层建筑共28 层，采用多样的双洞大开孔框架支转换梁结构。该高层建筑在建设过程中由于施工难度高，且易受到地震的影响，安全问题非常重要。为确保施工的安全性，本项目决定应用远程智能检测技术，通过土木工程监测系统的应用，对施工全过程进行有效监测。

2 远程智能检测技术在土木工程中的应用

2.1 总体设计

系统由控制器、分线器、主控机等组成，前端属于硬件部分，采集数据信息，后端属于软件部分，对数据进行处理[1]。分线器、控制器属于前台部分，主控机属于后台部分。将待测传感器连接在前端分线器上，使用控制电缆与控制器相连时，控制器的指令由其接收，分别连接传感器，这样就可以形成信号通道，让控制器与传感器进行信号传输。控制器还要与前台通信设备连接，主控机命令可由其接收，同时还能对传感器数据进行采集。传感器数据可控制前台控制器，实现数据的有效采集与处理[2]。

2.1.1 硬件功能

不同硬件的构成及功能见表1。

表1 不同硬件的构成及功能

2.1.2 存储与读取

存储芯片为AT24C64，生产公司为Atmel。AT24C64 含有字节8 192 个，32 字节页缓冲器，操作时要通过I2C 总线连接。I2C 总线的基本协议是I2C 总线为时钟芯片与存储芯片的串联接口，总线可与慢速器件通信，由主控器件与多个从器件组成。I2C 总线的数据传输率可分为不同挡位，分别为低速、高速模式，传输速率分别为0～100 kb/s、400 kb/s、3.4 Mb/s。I2C 总线的信号分为起始信号、停止信号与应答信号。

2.1.3 时钟

本项目选择的时钟为PCF8563，生产公司为飞利浦公司。该芯片在实际应用中优势显著，功耗低、具备报警、定时等多种功能。PCF8563 的存储器有16 个，控制方式寄存器为00H～01H，报警功能寄存器、时钟输出寄存器分别为09H～0CH、0DH，定时器功能存储器为0EH 与OFH。

2.1.4 显示

采用液晶显示器，型号为LCM141。LCM141 属于专用液晶显示模块。LCM141 的显示步骤为：上电→初始化命令→外晶振工作命令→开振荡器命令→显示器命令。

2.1.5 上机位与下机位

PC 计算机为上机位，控制程序与数据库是主要组成部分。VC++开发属于控制程序，ACCESS 为数据库。上机位的功能主要表现为：检测指令、校准时间指令等可由前端控制器发送，在数据库中存储回传的数据。

8～16 个单元与128～256 个回路组成一套小型检测系统。下机位的智能控制算法由OID 参数模糊自整定方法予以确定，可调整参数，在无须预知数学模型中可适用。PID 算法见式（1）：

式中，u（t）积分输出；e（t）为积分输入；Kp为比例放大系数；Ti为积分时间；Td为微分调节系数；t为时间。

在通过拉氏变换与数字离散化之后，可得到式（2）（设采样周期t=kθ，k为采样序号；θ为输出角度）：

式中，Ki为积分系数；Kd=Kpθ/Ti为微分常数；e（k）为系统偏差；为微分偏差；Kd为偏差变化率；e（i）为偏差积分。

2.2 软件设计

2.2.1 后台软件总体设计

采用VC++开发控制程序，ACCESS 为数据库。主程序、短信收发模块等是后台软件的主要组成部分，具体如图1所示。

图1 后台软件框架图

系统在运行之后，要对串口进行初始化，对手机模块进行自动化监测，并开始自动运行。用户在操作期间，可通过界面按钮、菜单等进行相应的操作，然后进行初始化操作；系统出现故障时会出现提示，这样用户就能及时找到故障问题；数据由缓存器接收之后，通过信息的质量判断，处理好数据，确保数据的精准性；用户可通过系统的数据库服务设置用户权限，确保数据的安全性；在系统运行期间，用户可通过程序登录，可采取不同的操作方式。

2.2.2 短信收发模块

1）RS-232 串口通信。规定数目的数据可在串口的接收缓冲区读取，返回需超出设定时间。线程阻塞问题可能是由于设定时超时较长、接收缓存器数据较少引起的。在查询时，可在进程中的某一线程定时对串口的接收缓冲区进行查询。

2）Visual C++串行通信控件MSComm。当用户无法进行直接操作PC 的串行端口时，可通过MSComm 控件进行串行通信，这种方式在实际应用中需对APL 函数进行了解，且编程所需时间较少。

2.2.3 数据库设计与管理

采集站信息、测量数据、管理员信息数据是本系统所选择的3 张表。在管理员信息表中包含的内容较多，由用户密码和管理级别组成，通过不同的管理级别，用户可进行查询、添加、修改、采集浏览数据信息等；ID 号、站点名称等是采集站信息的主要内容，进入站点管理界面可通过一二级管理员进入进行操作；ACCESS 数据库需使用Microsoft Accsess 予以建立，并将其名称命名为Result，数据源为ODBC，将数据源Result添加到“用户DSN”中，然后对显示记录集的网格格式ActiveX 控件。

2.2.4 远程网络传输

选择PcAny Where9.0 方案实现远程网络传输监控的信息传输，控制端确定为PC 端微机，被控端可确定为现场的微机，上网可由电话线拨号实现。

初始化PcAny Where9.0 软件，该软件在第一次运行时，Smart Setup Wizard 窗口会出现。对add modem 选项进行选择，然后对TCP/IP 协议进行选择，对通信串口进行选择。将Login name 与password 填入，能确保本机的安全。被控端要合理设置，通过“Be A Host Pc”的选择，对Modem 进行点击，然后对话框弹出后，设置PcAny Where9.0，这样可在本机开启后自动执行。在设置远程被控端时，可通过“Be A Host Pc”的双击实现，然后可将其设置为待命状态。在登陆时为确定身份，可通过“Remote Control”实现。数据查文件的传输，可通过“File Transfer”与“Modem”实现。

2.2.5 前台软件实现

1）测频仪。激励电压发生器由控制器（MCU）进行控制，由传感器施加一个110 V 高压脉冲，然后可与钢弦产生作用力，这样就可在控制器的作用下，放大整形传感器产生脉冲信号，对频率值进行读取，然后换算后可得到采集的数值。

2）存储与时钟。存储芯片与时钟芯片在操作上基本相同，都是使用I2C 总线，I2C 总线的读写可由函数完成。

3）短信收发。前台与后台的短信收发机制相同，在编写期间相对比较复杂，且调试量较大。利用中断进行单片机接收短信处理，在没有短信时，单片机也可进行其他工作。

3 钢弦频率式传感器与单片机

3.1 钢弦频率式传感器

传感器属于一种电量信号传输的装置，其目的是测量，可对被测量数据之间的关系进行确定。对于输出信号，经过传感器的处理，可形成标准统一信号。本项目中所选择的传感器为钢弦频率式传感器，该传感器在应用中具有结构简单、稳定性强的优点。钢弦频率式传感器在实际运行中，钢弦振动频率可由钢弦内应力的变化得到，具体计算依据式（5）、式（6）：

式中，f为钢弦的振动频率；ρ为钢弦的密度；σ为钢弦所受的张拉应力；L为钢弦的长度。外来应力P是引起钢弦张拉力的主要因素。

式中，f0为压力传感器未受压后的钢弦频率；K为标定系数。

在土木工程领域，传感器在安装与应用时会受到环境的影响，且因为要对项目进行长期检测，所以，需确保传感器具备特殊功能，能承受压力、拉力，能适应特殊的温度与湿度环境。同时传感器还要避免出现损坏，质量能得到保障，能满足实际工程需求。

3.2 单片机

本项目所选择的单片机为P89C51RD2，属于非易失性FLASH 程序存储器，在系统编程ISP 上串行器件。用户板上安装MCU，新代码可由用户下载。MCU 在获取新代码时可在系统中实现编程重新进行，远程编程可通过调制调解器连接实现。P89C51RD2 的优势显著，在脉宽调制中得到广泛应用。其主要特性为80C21 中央处理单元、FLASH 程序存储器具有ISP 与IAP 功能、在UART 下载程序，可由片内的Boot ROM实现。

4 结语

远程智能检测技术在土木工程中的应用，要求能从软件、数据库等设计入手，提升系统的整体应用效果，确保系统在数据采集、传输等各个环节的精准度。在系统构建期间，要结合实际情况，选择好传感器与单片机（本项目中的传感器为钢弦频率式传感器、单片机为P89C51RD2），通过对系统建设应用过程的有效控制，强化对土木工程的高质量检测力度，满足土木工程检测的实际需求。