大壩監(jiān)測智能識別系統(tǒng)
時間:2014-08-21 22:57來源: 作者: 點擊:次
智能識別(RFID)是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。常稱為感應式電子晶片或近接卡、感應卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等等。 一套完整 RFID系統(tǒng)由 Reader 與 Transponder 兩部份組成，其動作原理為由 Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Trans
智能識別(RFID)是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。常稱為感應式電子晶片或近接卡、感應卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等等。 一套完整 RFID系統(tǒng)由 Reader 與 Transponder 兩部份組成，其動作原理為由 Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder，用以驅(qū)動Transponder電路將內(nèi)部之ID Code送出，此時Reader便接收此ID Code。 Transponder的特殊在于免用電池、免接觸、免刷卡、不怕臟污，且晶片密碼為世界唯一無法復制，安全性高、長壽命。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象的所有信息； 閱讀器(Reader)：讀取（有時還可以寫入）標簽設備的信息，可設計為手持式或固定式； 天線(Antenna)或電纜：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID的應用非常廣泛，目前典型應用有銀行卡片、汽車防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理等。RFID標簽有兩種：有源標簽和無源標簽。大壩安全監(jiān)測智能識別系統(tǒng)應用的是有源標簽和無源標簽。
目錄
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1簡介
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2智能識別傳感器
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3研制技術要點
- 3.1線纜芯數(shù)不變
- 3.2識別電路可靠性
- 3.3 數(shù)據(jù)存儲
- 3.4 連續(xù)識別
- 3.5 電纜距離長
- 3.5 可重復寫入
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4智能識別讀取系統(tǒng)
- 4.1讀取識別芯片
- 4.2 快速查詢
- 4.3 統(tǒng)計計算
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5結(jié)語
1簡介
摘要：智能識別傳感器的出現(xiàn)是大壩監(jiān)測技術的一次革命，將對儀器的設計和制造提出新的要求，同時給儀器的使用方式帶來了根本的改變。智能識別傳感器內(nèi)存有儀器的各項參數(shù)及編號，并可植入安裝人員、安裝時間、安裝部位、安裝環(huán)境，基準值等信息，采集時與讀取系統(tǒng)自動交互，實現(xiàn)監(jiān)測工作的無紙化，方便數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計計算。關鍵詞：智能傳感器；智能識別技術；電子標簽ETC；識別芯片；傳感器系數(shù) Title：Dam monitoring sensor based on the intelligent identification technology. Abstract: The appearance of intelligent identification sensors is a revolution of dam monitoring technology, which not only raises new requirements for the design and manufacture of the instruments, but also brings revolutionary ways in the usage. Within the intelligent identification sensors, the sensor numbers and sorts of parameters are stored. In addition, the information such as installation persons, installation time, installation parts, installation environment and the reference values can also be embedded in the sensors. At the time of data collection, the sensors can interact with the reading out system automatically to realize paperless monitoring and measurement, and facilitate the fast querying, analyzing, and calculating of data. Key words:intelligent sensor, intelligent identification technology, electronic tag ETC, identification chip, sensor parameters. 傳感器技術、[1] 現(xiàn)代通信技術[2] 與計算機技術[3] 是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術的三大基礎，它們分別完成對被測量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當代科學發(fā)展的重要標志[4] 。隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現(xiàn)，尤其是計算機硬件和軟件技術的滲入，人們把微處理器和傳感器相結(jié)合，開發(fā)出具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅?mdash;—“智能傳感器”。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感器技術的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。智能識別技術在我們?nèi)粘Ｉ钪幸央S處可見，如身份證、銀行卡、商品識別碼、火車票公交卡、水電費自報收取等都大量使用了身份識別技術[5] 。在高速公路收費站汽車過站收費采用人工操作方式是：過往車輛停車繳費，收費員需要判斷過往車輛的車型及收費標準，并讀卡和收費找零工作。這導致過站時間長，在交通高峰期堵塞現(xiàn)象嚴重，時常因不能識別車輛是否或如何收費而扯皮。隨著智能識別技術應用在車輛計費系統(tǒng)中(車載電子標簽ETC)，可以在不停車的情況下在高速公路收費站快速通過自動計費[5] 。當裝有無線智能識別模塊的車輛接近收費站時，無線智能識別模塊將本車輛的繳費賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號碼、進路站點等識別信息發(fā)送給收費站智能收費系統(tǒng)，收費站的攝像機先對車輛的車牌號進行視頻信息采集識別，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對比，兩者一致進入收費程序。記錄車輛進路站名、進站時間、出站名、出站時間等信息，并準確收取相應費用，同時將收費情況通過無線智能識別系統(tǒng)返回給車輛。當收費站與車輛的識別系統(tǒng)不一致時，將進入報警程序，下閘、向下個收費站發(fā)出預警等方式。智能識別技術應用在車輛計費系統(tǒng)中可有效緩解高速公路收費堵車問題，實現(xiàn)無人值守不停車自動繳費的工作。大壩安全監(jiān)測技術融入了電子、機械、光學、信息等多行業(yè)，是個多學科融合的專業(yè)。由于水電站大壩所處的重要性和應用環(huán)境的嚴酷及不可回收，所以對安全監(jiān)測傳感器的要求比其他行業(yè)更高，傳感器必須是另部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由于所限條件大壩監(jiān)測傳感器多數(shù)還停留在比較原始的狀態(tài)，僅有將物理量轉(zhuǎn)換為電量的功能。在大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn)埋入大壩中的傳感器有3個致命的弱點：1）現(xiàn)有的傳感器都是通過電纜傳輸信號，在工地現(xiàn)場區(qū)分傳感器之間的對應關系是依靠電纜尾部的標簽，在建壩施工過程中，施工斷面的變化、大型機械作業(yè)、人為的損壞都大量造成電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂后將很難判別每根電纜線與之相連的是那一支傳感器，傳感器標簽也很容易磨損或丟失，這樣就導致傳感器因參數(shù)不可知(身份不明)而成為廢品。2）工地現(xiàn)場測量沿用的是傳統(tǒng)筆寫紙記的方式，而測量儀表中也有自帶存儲的功能，可存儲數(shù)據(jù)都是按時間排序的，多支傳感器的測量數(shù)據(jù)又非常近似，即便人工判別也非常困難，沒有智能識別的測量儀表的存貯和通訊功能只能是個擺設。3）大型的水電站的建設施工期都比較長達十多年以上，儀器安裝的數(shù)量多、品種多、部位復雜。儀器的生產(chǎn)廠家、安裝人員、安裝時間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號、儀器系數(shù)以及儀器基準值等原始資料，可能會隨著時間的推移、安裝記錄人員的流動很難追溯，對日后數(shù)據(jù)整理解析大壩運行狀態(tài)帶來不便。
2智能識別傳感器
大壩監(jiān)測傳感器智能識別技術就是將傳感器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)寫進智能識別芯片，相當每個傳感器都攜帶有電子身份證[5] 。附有智能識別功能的讀取系統(tǒng)在測量時，首先讀取智能識別芯片內(nèi)的信息，當需要存貯測量數(shù)據(jù)時，測量數(shù)據(jù)是自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后。這樣測量數(shù)據(jù)不管存貯在讀數(shù)儀中或傳輸給計算機永遠不會混亂，測量時也不需要再另記錄電纜上的傳感器編號，只要將測量數(shù)據(jù)存入讀數(shù)儀就一定與本支傳感器是對應的。如遇多支傳感器電纜被剪斷，只要將每支傳感器測量一遍，就自動識別出了每支傳感器所對應編號。
3研制技術要點
智能識別傳感器有4部分組成：傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件、智能識別電路、信號傳輸部件。傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件及信號傳輸部件在長期的生產(chǎn)使用過程中已經(jīng)非常成熟，智能識別傳感器就是在原有傳感器中加裝智能識別電路。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)已有的智能識別傳感器在信號讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉(zhuǎn)換為電量的信號電纜需要6(振弦式) 芯或7(差阻式)芯電纜線才能滿足其信號的讀取；通用的識別電路復雜，線路板大無法植入現(xiàn)有傳感器狹小的空間，信號電纜傳輸距離近等問題，智能識別技術要用在大壩監(jiān)測傳感器上必須解決以上問題。
3.1線纜芯數(shù)不變
智能識別傳感器必須使原有的測量線纜芯數(shù)不變，因為許多工程在土建施工中都大量預埋了電纜，如果電纜芯數(shù)不對應，將需要重新敷設電纜增大成本。葛南公司研制的智能識別電路并接在傳感器的溫度電阻上，所以讀取時與溫度測量共用兩芯線，解決了智能識別芯片讀取需要多加電纜芯數(shù)的問題。
3.2識別電路可靠性
大壩監(jiān)測傳感器設計必須遵循組成部件在滿足其使用性能的條件下元器件和機械另件越少越可靠的原則，葛南公司研制的傳感器智能識別電路專為植入小巧傳感器而設計的，面積大小約為0.4平方厘米，電路大量減化了外部元件的數(shù)量，提高了識別電路的可靠性。 智能識別電路圖1。 Fig. 1 Read/Writecircuit schematic diagram ofintelligent identification 圖1智能識別讀寫電路原理圖.
3.3 數(shù)據(jù)存儲
智能識別電路采用進口芯片綁定，讀寫次數(shù)≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，植入數(shù)據(jù)可保存時間≥10年，可在惡劣的環(huán)境中使用，數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定不丟失，滿足大壩長期監(jiān)測的使用要求。
3.4 連續(xù)識別
智能識別芯片喚醒時間≤3ms，寫讀間隔≤8ms，可進行單次識別、連續(xù)識別，解決了自動或手動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取時快速切換的問題。
3.5 電纜距離長
特設的寄存器對前端儀器參數(shù)進行控制，使得每一次應用的讀取距離最大化。由于有專設的讀取程序(下行鏈路，從讀取器到智能識別芯片)，讀取距離達到800米以上，基本滿足大型水電工程傳感器長電纜傳輸?shù)囊蟆?
3.5 可重復寫入
用戶可以將自己重新檢驗的傳感器標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)以及設計編號等寫入智能識別芯片，有效解決了一次寫入無法修改的問題，方便用戶隨時更新儀器參數(shù)，提高了智能識別功能的使用交互性。
4智能識別讀取系統(tǒng)
智能識別采集系統(tǒng)就是在原有采集系統(tǒng)中增加讀取識別芯片中的傳感器各項參數(shù)及編號的功能，將讀取到的傳感器參數(shù)及識別出的傳感器類型進行公式對應，并根據(jù)該傳感器的各項參數(shù)、對應的計算公式、傳感器輸出的電量直接可以計算出實際物理工程值。
4.1讀取識別芯片
智能識別采集系統(tǒng)在單支儀器逐個測量時，首先讀取智能傳感器識別芯片內(nèi)傳感器的各項參數(shù)及編號。智能識別振弦讀數(shù)儀測量顯示如圖2：A為存貯單元、0048為序號、SA5121為傳感器類型及編號、2008/10/18 10:28為日期和時間、K=0.4897με/F為傳感器的標定系數(shù)、b=13.5με/℃為傳感器的溫度修正系數(shù)、【【】 為讀數(shù)儀的在線電壓、200-4840F為掃頻激勵范圍、4500.5F為被測傳感器的頻率摸數(shù)值、R=3k為被測傳感器溫度計的類型、25.5℃為被測傳感器的溫度值。 Fig.2Display interface of the intelligent identification vibrating wire readoutinstrument. 圖2智能識別振弦讀數(shù)儀的顯示界面智能識別讀數(shù)儀在連接自動或手動集線箱快速切換時可以設置連續(xù)快速識別，其讀寫間隔≤8ms的反應速度完全可以滿足要求。
4.2 快速查詢
智能識別采集系統(tǒng)在存貯測量數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)是自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后，與計算機通信后數(shù)據(jù)排列為：存貯單元及序號、儀器名稱、儀器編號、標定系數(shù)、系數(shù)單位、溫度修正系數(shù)、存貯日期及時間、頻率模數(shù)值、頻率值、溫度值(如圖3)，這樣排列測量數(shù)據(jù)不管存貯在智能識別讀數(shù)儀中或傳輸給計算機永遠不會混亂，在大壩監(jiān)測海量的數(shù)據(jù)中分析時可以任意按儀器名稱、儀器編號、最小讀數(shù)b···進行排序并查詢，節(jié)約了查詢的時間，解決了因數(shù)據(jù)量過大無法快速排序查詢的難題。智能識別采集系統(tǒng)可以判別出儀器類型，如：P08320為滲壓計，SA7300為150mm標距的應變計，RF0091為配筋25mm的鋼筋計(該鋼筋計溫度修正系數(shù)為0)··· ，并自動將判別出的儀器顯示在儀器名稱欄里，讓觀測人員一目了然，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)排序的智能化。 Fig.3Snapshot shown in the computer of the data collected from the intelligentidentification readout instrument. 圖3智能識別讀數(shù)儀存貯數(shù)據(jù)上傳計算機排列截屏
4.3 統(tǒng)計計算
智能識別采集系統(tǒng)先讀取識別芯片中的傳感器參數(shù)及編號，即可根據(jù)識別到的傳感器類型調(diào)用與其對應的計算公式，根據(jù)傳感器參數(shù)、計算公式、傳感器測出的電量直接計算出實際物理工程值。測斜儀智能識別讀數(shù)儀測量顯示如圖4：29-X001為編號29號測孔-X方向第一個測點，GN6158為測斜儀的編號；99.5m為在測點高程孔深米數(shù)；+X +145.05mm為+X方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-X -148.05mm為-X方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-/2=+146.55mm為測量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm為測量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進行測量，每按一次線控開關(或存貯鍵)當前測量數(shù)據(jù)存貯一次，同時孔深遞減一個設定的測量標距，存貯器序號加1(測點數(shù))。將讀數(shù)儀存儲數(shù)據(jù)傳輸給計算機，計算機根據(jù)位移值數(shù)據(jù)繪制管形圖，實現(xiàn)了測量工作無紙化，也方便測量數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計計算。 Fig.4Display interface of the intelligent identification inclinometer readoutinstrument .圖4智能識別測斜儀讀數(shù)儀的顯示界面大壩監(jiān)測儀器使用智能識別系統(tǒng)技術后，已在全國葛南幾百個實際工程中使用，得到了現(xiàn)場使用人員的肯定和好評，解決了用戶在測量時因測量數(shù)據(jù)不能隨意快速存貯，而無法實現(xiàn)無紙化操作的困難，給大壩監(jiān)測儀器的使用方式帶來了根本的變革。
5結(jié)語
大壩及巖土工程監(jiān)測儀器大多都使用在國計民生的大型重點工程上，要使測量工作真正做到無紙化的快速測量存貯，減輕測量人員的負擔和減少記錄失誤，使用傳感器智能識別技術將是時代發(fā)展的必然趨勢。采用智能識別技術的傳感器，可以省去大量的人工操作，解決了因傳感器標簽磨損、丟失、電纜被剪斷導致傳感器因參數(shù)不可知、身份不明而成為廢品的難題。隨著時代的進步和科技的發(fā)展，計算機技術與網(wǎng)絡技術大量應用到傳感器中，加快了智能傳感器的發(fā)展和普及，這將會是大壩監(jiān)測技術的一次革命。
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