一種用於深層測斜的數據採集與傳輸裝置的製作方法
2023-07-22 06:59:12
本發明涉及土體深層水平位移測量的變形監測領域，具體涉及一種用於深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置以及具有該裝置的測斜儀。
背景技術：
測斜儀是一種用於測量鑽孔、基坑、地基基礎、牆體和壩體坡等工程構築物的頂角、方位角的儀器；測斜管的安裝埋設工作，是測斜儀的前期重要組成部分，測斜管的主要作用是傾斜觀測；深層土體測斜監測是建築深基坑施工監測的重要組成部分，通過測斜監測可以了解深層土體的變形大小和運動趨勢。目前，常規的土體測斜監測儀主要分為固定式測斜儀和可攜式測斜儀。
固定式測斜儀通常固定在測斜管內，根據被測深度，將固定式測斜儀進行串聯固定至測斜管內，進行數據的實時採集和傳輸；例如中國專利CN102305618A公開了一種串聯固定式無線測斜儀，該測斜儀包括測斜管、與監測主機無線通信的無線採集器，採集測量信號的多個測斜傳感變送器，無線採集器設置在測斜管孔口位置，測斜傳感變送器設在測斜管內，無線採集器和測斜傳感變送器採用RS485工業總線進行通信，該無線測斜儀雖然具有功耗低、測斜精度高，單孔測量量程大等優點，但該固定式測斜儀串聯使用成本高，固定式測斜儀安裝相對複雜，單個損壞時，更換難度大，並且因固定式測斜儀的長度，測點分布通常無法滿足規範0.5m/1m的分布要求；中國專利CN103063197A公開了一種固定式測斜儀系統，該系統包含一組傳感器、數據採集系統，數據發送系統以及數據接收系統，其傳感器與數據採集系統相連，數據採集系統與數據發送系統相連，數據發送系統將數據通過GPRS傳遞給數據接收系統，其傳感器同樣也是採用串聯式的傳感器連接方式，雖然該測斜系統逐級分時供電給傳感器完成採集並上傳信號，保證了信號的可靠傳遞且實現了整個系統的低功耗，但因其多個傳感器採用串聯的方式其同樣存在與上述固定式測斜儀相同的技術缺陷和問題。
可攜式測斜儀通常是人工使用，定期到測斜管按操作規範，進行測量，無法擺脫人工，測量頻率和測點分布受限，工作效率低，受氣候和時間的限制無法實現全天候實時化測量。例如中國專利CN105444736A公開了一種智能化手持式深孔測斜儀及測斜方法，該測斜儀包括測量探頭、滑輪、手持功能端和後臺伺服器，通過滑輪在測斜管中滑動進行測量，其方法中，逐一對測斜管內多個測量位置進行傾斜度的測量，其中在同一測量位置處同時對該測量位置所在平面內兩個設定方向的傾斜度進行測量，相鄰兩測量位置具有設定距離，獲取各測量位置處的傾斜度數據，根據各測量數據進行處理得到變形位移數據；中國專利CN105973200A公開了一種自動化可攜式測斜儀，該測斜儀包括傳感器探頭、電纜、定位孔蓋、繞線盤和設備終端等，其傳感器探頭與電纜的一端相連，電纜的另一端與繞線盤相連，定位孔蓋設置在測斜管的上端部用於對電纜進行定位，該測斜儀採用數據採集方式和測量軟體，一定程度上實現了預埋測斜管的傾斜變形的自動化測量，但該測斜儀同樣仍需人工輔助，並且測斜頻率和測斜點分布受限，其數據採集與傳輸為非同步模式，採集數據通過設備終端自帶的藍牙傳輸，數據傳輸距離有限，且穩定、可靠性相對較差。
另外，《建築施工》2016年第2期，第141-142頁，「自動化測斜技術在深層土體水平位移監測中的應用」一文中，介紹一種創新的自動化測斜技術，它通過無線傳輸將測斜數據實時、自動化傳輸至應用終端，該技術監測連續性高，不受環境影響，該自動化測斜系統主要由測斜儀、數據採集單元、無線傳輸系統和應用終端四部分組成，雖然該自動化測斜系統能夠實現自動化數據採集、傳輸、存儲及數據處理計算等，但其測斜儀仍然是採用固定式測斜儀，其各測斜傳感器採用串聯的方式進行測斜，並且該文獻也並未公開通過何種具體的自動數據採集及傳輸的方式實現實時連續跟蹤測量。
技術實現要素：
為克服現有技術中的不足，本發明的目的在於提供一種全自動化的符合測斜規範測點分布要求的，具有測量頻率高、無需人工幹預的、成本低、低功耗、測量效率及精度高的能夠更加真實跟蹤深層土體位移變化情況的用於深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置以及具有該裝置的測斜儀，其技術方案如下：
一種用於深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置，其包括：自動化測斜採集器、自動化測斜控制器以及數據服務雲平臺，其特徵在於，所述自動化測斜採集器包括測斜傳感器、存儲模塊、無線模塊以及採集處理器模塊；所述自動化測斜控制器包括電機驅動器、測距設備、門磁開關、無線模塊、GPRS通信模塊及控制處理器模塊；所述採集處理器模塊分別與所述測斜傳感器、存儲模塊及無線模塊之間相互電信號連接，所述控制處理器模塊分別與所述電機驅動器、測距設備、門磁開關及無線模塊之間相互電信號連接，所述自動化測斜採集器中的測斜傳感器受所述自動化測斜控制器中的電機驅動器的控制，用於採集預埋在土體中的測斜管的多個測斜點的傾斜數據，在所述自動化測斜採集器的無線模塊和自動化測斜控制器的無線模塊之間實現無線數據同步，所述GPRS通信模塊使測斜數據通過GPRS網絡傳輸至所述數據服務雲平臺中。
進一步，所述自動化測斜採集器的無線模塊和自動化測斜控制器的無線模塊均為433M通信模塊。
進一步，所述電機驅動器通過控制牽引所述測斜傳感器運動的牽引電機的運動狀態和方向，從而對所述測斜傳感器進行控制，控制牽引電機使得牽引電機牽引測斜傳感器在一個採集點測量後下放到下一個採集點，並在完成最後一個測量點的數據採集後，將測斜傳感器牽引至測斜管口；所述測距設備用於對採集點的距離進行測量或精確定位採集點位置；所述門磁開關用於檢測所述自動化測斜採集器的測斜傳感器是否在測斜管口處，並發出檢測信號。
其特徵在於，所述無線數據同步採用時間同步機制，即制定工作時間表，所述工作時間表由待機時間、採集器工作時間和控制器工作時間組成，使得採集器和控制器在各自的時間節點上完成對應的工作。
進一步，所述自動化測斜採集器還包括運動狀態檢測單元、低功耗電源管理單元及工作狀態指示單元，所述運動狀態檢測單元用於檢測採集器的測斜傳感器是否處於被牽引電機牽引運動的狀態，所述低功耗電源管理單元，能夠使的所述自動化測斜採集器間歇性地開關其無線模塊電源，在非工作狀態處於低功耗模式，所述工作狀態指示單元用於對所述自動化測斜採集器的工作狀態進行顯示。
進一步，所述自動化測斜控制器還包括壓力檢測裝置，用於處理所述測斜傳感器在運動狀態下卡在所述測斜管中的異常，實時檢測牽引線上所承受的拉力，當拉力大於設定的閾值，所述電機驅動器停止電機的驅動拉力，並嘗試下放一段距離，再繼續上拉。
進一步，所述自動化測斜控制器還包括電壓檢測單元，用於檢測系統電壓，實時上報供電狀態。
進一步，所述自動化測斜控制器在所述自動化測斜採集器採集測斜數據的過程中，其工作過程包括：i)通過所述控制器的門磁開檢測所述自動化測斜採集器的測斜傳感器是否在測斜管口處，當不在管口，所述控制器通過所述電機驅動器驅動所述牽引電機，牽引測斜傳感器運動至測斜管口處，然後與所述採集器通過無線模塊建立通訊，進行參數配置，並讀取採集器中的測斜數據，上傳至所述數據服務雲平臺，在所述測斜數據讀取結束後，控制器根據配置的參數生成由待機時間、採集器工作時間、控制器工作時間組成的工作時間表，復位所述測距設備，啟動本輪測斜數據採集；ii)當採集器工作時間結束，即完成一個測量點的數據採集後，控制器工作時間到，控制器在該工作時間內通過所述電機驅動器驅動牽引電機將所述採集器中的測斜傳感器牽引至第二個測量點進行數據採集，如此循環，至所述採集器完成最後一個測斜點的數據採集；iii)重複所述i)中的工作過程，進行下一輪數據採集；iiii)當所述採集器的測斜傳感器在牽引的過程中，如果所述測斜傳感器在測斜管中被卡住，無法到達指定的測量點時，所述控制器會將採集器牽引至測斜管口，完成本輪採集。
進一步，所述自動化測斜採集器的工作過程包括：i)初始化所述自動化採集器,並關閉測斜設備的電源,當所述自動化採集器中有外部消息事件觸發時，該採集器從低功耗模式喚醒，處理消息隊列中的消息，處理完以後繼續進入低功耗模式；ii)所述自動化採集器處理測斜數據採集消息，發送測斜傳感器採集命令，在收到傳感器應答的傾斜數據時，觸發測斜設備數據應答消息，該採集器在該消息的處理過程中，將測斜值從數據協議包中解析，並保存至存儲模塊中；iii)測斜傳感器解算時間到達時，觸發測斜數據解算消息，該採集器在該消息的處理過程中，完成對測斜值的平滑處理，並保存至存儲模塊中；iiii)採集器的無線模塊收到所述自動化測斜控制器數據後觸發該無線模塊接收消息，並根據收到的數據消息做相應處理。
另外，本發明還提供一種具有上述深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置的深層測斜儀，該測斜儀用於對深層土體傾斜數據進行監測。
本發明所獲得的有益技術效果：
1)本發明解決了現有的固定式測斜儀測斜及可攜式測斜儀的所存在的缺陷，本發明所述的自動化數據採集與傳輸裝置通過牽引電機牽引測斜傳感器在測斜管中往復運動，且通過控制器中的電機驅動器對該牽引電機的運動狀態和方向進行控制，在指定點進行測斜，可以滿足0.5m/1m的測斜點分布要求的測斜需要，且降低現有固定使測斜儀串聯使用成本高的問題；
2)本發明的自動化測斜採集器與控制器之間採用時間同步機制，使得自動化採集器和控制器更好地相互配合工作，無需人工幹預，測斜效率、頻率及精度高；
3)本發明自動化測斜採集器中具有低功耗管理單元能夠使的所述自動化測斜採集器間歇性地開關其無線模塊電源，使得自動化數據採集與傳輸裝置在非工作狀態處於低功耗模式；
4)本發明自動化數據採集與傳輸裝置的自動化控制器還具有壓力檢測裝置，能夠實時檢測牽引線上所承受的拉力，處理所述測斜傳感器在運動狀態下卡在所述測斜管中的異常；
5)本發明自動化數據採集與傳輸裝置還包括數據服務雲平臺，使得測斜數據能夠方便、快速的通過GPRS網絡傳輸至雲平臺，數據可存儲量大。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明自動化數據採集與傳輸裝置的自動化測斜控制器及採集器的結構示意圖；
圖2為本發明自動化數據採集與傳輸裝置的自動化測斜控制器工作過程示意圖；
圖3為本發明自動化數據採集與傳輸裝置的控制器、採集器的工作時間表；
圖4為本發明自動化數據採集與傳輸裝置的自動化測斜採集器的工作過程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術實施過程做進一步說明。
實施例1
如圖1所示，本發明提供一種用於深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置，其包括：自動化測斜採集器、自動化測斜控制器以及數據服務雲平臺，其特徵在於，所述自動化測斜採集器包括測斜傳感器、存儲模塊、無線模塊以及採集處理器模塊；所述自動化測斜控制器包括電機驅動器、測距設備、門磁開關、無線模塊、GPRS通信模塊及控制處理器模塊；所述採集處理器模塊分別與所述測斜傳感器、存儲模塊及無線模塊之間相互電信號連接，所述控制處理器模塊分別與所述電機驅動器、測距設備、門磁開關及無線模塊之間相互電信號連接，所述自動化測斜採集器中的測斜傳感器受所述自動化測斜控制器中的電機驅動器的控制，用於採集預埋在土體中的測斜管的多個測斜點的傾斜數據，在所述自動化測斜採集器的無線模塊和自動化測斜控制器的無線模塊之間實現無線數據同步，所述GPRS通信模塊使測斜數據通過GPRS網絡傳輸至所述數據服務雲平臺中，所述無線數據同步採用時間同步機制，即制定工作時間表，所述工作時間表由待機時間、採集器工作時間和控制器工作時間組成，使得採集器和控制器在各自的時間節點上完成對應的工作(其具體的工作方式將在將下文中具體闡述)；
所述電機驅動器通過控制牽引所述測斜傳感器運動的牽引電機的運動狀態和方向，從而對所述測斜傳感器進行控制，控制牽引電機使得牽引電機牽引測斜傳感器在一個採集點測量後下放到下一個採集點，並在完成最後一個測量點的數據採集後，將測斜傳感器牽引至測斜管口；所述測距設備用於對採集點的距離進行測量或精確定位採集點位置；所述門磁開關用於檢測所述自動化測斜採集器的測斜傳感器是否在測斜管口處，並發出檢測信號。
該實施例為本發明的優選實施例，所述自動化測斜採集器的無線模塊和自動化測斜控制器的無線模塊均為433M通信模塊，該自動化測斜採集器還包括運動狀態檢測單元、低功耗電源管理單元及工作狀態指示單元，所述運動狀態檢測單元用於檢測採集器的測斜傳感器是否處於被牽引電機牽引運動的狀態，所述低功耗電源管理單元，能夠使的所述自動化測斜採集器間歇性地開關其無線模塊電源，在非工作狀態處於低功耗模式，所述工作狀態指示單元用於對所述自動化測斜採集器的工作狀態進行顯示；該自動化測斜控制器還包括壓力檢測裝置，用於處理所述測斜傳感器在運動狀態下卡在所述測斜管中的異常，實時檢測牽引線上所承受的拉力，當拉力大於設定的閾值，所述電機驅動器停止電機的驅動拉力，並嘗試下放一段距離，再繼續上拉。另外，本發明的自動化數據採集與傳輸裝置中的自動化測斜控制器中還可具電壓檢測單元(圖1中未示出)，用於檢測系統電壓，實時上報供電狀態，採集器下放距離檢測系統，用於確定採集器電纜和牽引繩的放卷長度，防止電纜或牽引繩長度不足的情況下還被意外拉伸或牽引。
另外，在該實施例中還提供一種具有上述深層測斜的自動化數據採集與傳輸裝置的深層測斜儀，該測斜儀用於對深層土體傾斜數據進行監測。該測斜儀同現有的測斜儀一樣還包含外殼、滑輪及牽引繩，外殼設置在測斜傳感器外，外殼上設置有滑輪，用於使測斜傳感器其牽引繩的牽引下沿測斜管中滑槽運動對深層土體傾斜數據進行監測。
如圖2所示，為本發明所述自動化測斜控制器在所述自動化測斜採集器採集測斜數據的過程中其工作過程：
首先，測斜儀設備開始工作時，控制器通過門磁開關檢測採集器的測斜傳感器是否在測斜管口處。若不在管口，控制器驅動電機，牽引採集器的測斜傳感器運動，直到控制器檢測到門磁開關發出的停機信號，控制器停止電機運動。在牽引的過程中，壓力檢測系統，控制器實時檢測牽引線上所承受的拉力，當拉力大於設定的閾值，控制器停止電機向上運轉，並嘗試下放一段距離，然後繼續上拉。
進一步，採集器測斜傳感器已經位於測斜管口。控制器和採集器通過無線模塊建立通訊，進行參數配置，並讀取採集器中的數據(若採集器中沒有數據，控制器會自動跳過讀取操作)，上傳到數據云平臺。當數據讀取結束後，控制器根據配置的參數生成工作時間表，復位測距設備，並啟動本輪採集。
進一步，工作時間表由待機時間、採集器工作時間、控制器工作時間組成，如圖3所示。待機時間，指的是第一輪採集結束到第二輪採集器開始的時間間隔，在該間隔內，採集器和控制器均處於待機狀態。採集器工作時間，指的是採集器停止在測量點位置後，採集測量點傾斜狀態的工作時間。控制器工作時間，指的是控制器控制電機從當前採集點下放到下一個採集點的工作時間。
進一步，等待待機時間結束，並完成第一個測量點的數據採集，即採集器工作時間1耗盡，此時控制器工作時間到，控制器啟動電機，將採集器下放到下一個測量點。直到控制器工作時間1耗盡。採集器啟動測斜傳感器，完成對第二個測量點的數據採集，以此類推，直到採集器完成對最後一個測量點的數據採集。
進一步，當完成對最後一個測量點的數據採集，控制器驅動電機，將採集器的測斜傳感器牽引至測斜管口，配置採集器、讀取採集器數據，將數據上傳到數據服務雲平臺，並啟動下一輪採集。
進一步，當在採集器的測斜傳感器下放的過程中，如果被卡住，無法到達指定的測量點，控制器會將採集器牽引至測斜管口，完成本輪採集。
如圖4所示，為本發明自動化數據採集與傳輸裝置的所述自動化測斜採集器的工作過程：
首先，系統開始工作時，對用到的外設進行初始化，並關閉測斜設備的電源，以降低系統功耗。採集器系統是基於消息機制開發的，消息隊列中一開始沒有消息，系統處於低功耗模式。當有外部消息事件觸發時，系統從低功耗模式喚醒，處理消息隊列中的消息，處理完以後繼續進入低功耗模式。
進一步，外部消息事件包括，定時器發出的測斜數據採集消息、測斜數據解算消息，測斜設備數據應答消息，無線模塊接收消息。
進一步，系統在處理測斜數據採集消息時，發送測斜傳感器採集命令，當收到傳感器應答的傾斜數據時，觸發測斜設備數據應答消息，系統在該消息的處理過程中，將測斜值從數據協議包中解析出來，並保存。
進一步，當傳感器解算時間到達時，觸發測斜數據解算消息，系統在該消息的處理過程中，完成對測斜值得平滑處理，並保存。
進一步，當無線模塊收到控制器數據，觸發無線模塊接收消息。系統根據收到的數據數據內容，對消息做相應的處理。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。