工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀設(shè)計(jì)

張 慧，黃躍文，羅 熠

(長江科學(xué)院儀器自動化研究所，武漢 430010)

在工程爆破施工中，由于爆破所引起的振動、空氣沖擊波，飛石、噪音和有毒氣體等都對周圍的構(gòu)筑物產(chǎn)生不同程度的影響，其中爆破振動的危害最為突出［1－2］。近年來國內(nèi)工程爆破施工增多，因爆破振動對構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不良影響而引發(fā)的民事糾紛也越來越多［3］。從而，需要采取科學(xué)有效的手段確保工程爆破中的構(gòu)筑物安全?，F(xiàn)有的振動監(jiān)測技術(shù)已不能滿足實(shí)時(shí)性和靈活性的要求，從而提出了生產(chǎn)新一代的工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀，從有線傳輸?shù)綗o線實(shí)時(shí)傳輸，用戶能夠在線實(shí)時(shí)查詢爆破現(xiàn)場數(shù)據(jù)。它能夠大大降低現(xiàn)場人工布線工作量，綜合成本低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好，達(dá)到爆破數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康摹?/p>

1 工程爆破振動監(jiān)測概況

1.1 工程爆破振動

目前工程爆破是我國水利水電建設(shè)，隧道開挖及礦山開采等工程的主要施工方法［4］，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，越來越多的爆破工程和爆破實(shí)驗(yàn)在城市以及有重要工程建筑的地方進(jìn)行，因此爆破振動對于建筑的影響受到愈來愈多的關(guān)注［5］。在工程爆破過程中，爆破引起的振動影響附近建筑物及相關(guān)設(shè)施的安全。因此，通過對爆破振動監(jiān)測可及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，制定防震措施，指導(dǎo)爆破安全作業(yè)，同時(shí)也可以了解和掌握爆破對建筑物的影響、破壞機(jī)理等。

國家對爆破施工作業(yè)產(chǎn)生的安全及環(huán)境的影響高度重視，出臺了多項(xiàng)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)。如《爆破安全規(guī)程》［6］和《民用爆炸物品管理?xiàng)l例》①中華人民共和國國務(wù)院令(第466號).民用爆炸物品安全管理?xiàng)l例，2006.要求各級爆破企業(yè)應(yīng)配備必要的監(jiān)測設(shè)備，因此工程爆破振動監(jiān)測應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)日益發(fā)展的現(xiàn)狀。

1.2 工程爆破振動記錄儀的發(fā)展

工程爆破振動監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過幾十年發(fā)展，已有很大進(jìn)步。過去常用的爆破振動監(jiān)測包括檢波器、放大器和爆破自記儀［7］。檢波器用于把振動信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸出;放大器用于信號的放大或衰減;爆破自記儀記錄對波形進(jìn)行分析處理［8］。

第一代爆破振動記錄儀由檢波器和光線示波器組成［9］。光線示波器大而重，單根導(dǎo)線長幾十米，甚至幾百米，記錄時(shí)需要測試人員守候以控制曝光時(shí)間，且波形保存時(shí)間，后期量化處理難度大，誤差也大。

第二代爆破振動記錄儀是由檢波器、磁帶機(jī)或瞬態(tài)記錄儀［10］組成。它同樣需用幾十米或幾百米的信號傳輸電纜連接，工作量大，易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。磁帶記錄儀和瞬態(tài)記錄儀在波形處理上需要配接專用的分析儀器，因而價(jià)格過高。

第三代爆破振動記錄儀由檢波器和爆破自記儀組成［11］。這是國內(nèi)目前使用較多的爆破監(jiān)測設(shè)備，但爆破數(shù)據(jù)的傳輸為有線傳輸，不能滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。

新一代的爆破振動記錄儀是由檢波器和無線網(wǎng)絡(luò)化爆破記錄儀組成，現(xiàn)場工作人員只需安裝好檢波器后記錄儀的開關(guān)，記錄儀自動記錄爆破數(shù)據(jù)，記錄儀的參數(shù)設(shè)置均可進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，記錄數(shù)據(jù)無線實(shí)時(shí)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)庫，供有權(quán)限的相關(guān)人員分析和查閱。

2 工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀包括檢波器、無線網(wǎng)絡(luò)化爆破記錄儀、中央服務(wù)器、終端監(jiān)測管理系統(tǒng)。采用多路信號并行采集，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)多個工程爆破點(diǎn)爆破情況。記錄儀內(nèi)嵌的移動通訊模塊通過 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，爆破數(shù)據(jù)由指定中央服務(wù)器接收，中央服務(wù)器連接Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶可在線登錄終端監(jiān)測管理系統(tǒng)獲取爆破現(xiàn)場的數(shù)據(jù)資料。

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀如圖1所示。本系統(tǒng)能夠無線遠(yuǎn)程監(jiān)控多個爆破現(xiàn)場，如圖1中的爆破現(xiàn)場a，爆破現(xiàn)場 b，……，爆破現(xiàn)場n，區(qū)域內(nèi)n個爆破點(diǎn)可同時(shí)被監(jiān)控，被監(jiān)控的爆破數(shù)據(jù)通過移動通訊模塊發(fā)送至服務(wù)器，用戶可輕松監(jiān)測多點(diǎn)的爆破振動數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Principle of system design

2.2 硬件設(shè)計(jì)

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。無線網(wǎng)絡(luò)化爆破記錄儀包括依次連接的濾波電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、ARM嵌入式處理器。ARM嵌入式處理器分別與移動通訊模塊、GPS模塊、RFID模塊連接。

爆破信號經(jīng)過濾波電路，放大電路，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并由嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和儲存，以ARM為主控芯片的處理器對爆破信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析。ARM負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)采集是在爆破現(xiàn)場安裝N路檢波器用于采集爆破振動信號，被采集的爆破信號接收于爆破記錄儀中，數(shù)據(jù)發(fā)送由移動通訊模塊發(fā)送給指定服務(wù)器。同時(shí)爆破記錄儀具有RFID唯一標(biāo)識碼認(rèn)證和GPS定位定時(shí)功能，保障了爆破數(shù)據(jù)的同步性和有效性。

2.2.1 移動通訊模塊

移動通訊模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。移動通訊模塊包括移動通訊CPU及與之連接的指示燈模塊、電源模塊、狀態(tài)指示燈模塊、看門狗模塊、無線天線、SIM卡接口、RS232/485串口、存儲器模塊單元，移動通訊CPU與ARM嵌入式處理器連接。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Diagram of hardware design

圖3 移動通訊模塊硬件設(shè)計(jì)Fig.3 Hardware design for mobile communication module

移動通訊模塊通過 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，爆破數(shù)據(jù)由指定服務(wù)器接收。在沒有第三方無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋時(shí)，可通過自建無線網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)字信號無線傳播模式，實(shí)現(xiàn)爆破數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。管理人員能夠通過Internet網(wǎng)絡(luò)，登錄到終端監(jiān)測管理系統(tǒng)對爆破記錄儀的測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和查詢，對實(shí)測波形進(jìn)行分析和處理等。

2.2.2 通道切換電路

通道切換電路設(shè)計(jì)如圖4所示，包括依次連接的地址譯碼電路、開關(guān)電路和通道譯碼電路，通道切換電路與ARM嵌入式處理器連接。

通道切換電路通過數(shù)據(jù)幀來進(jìn)行通道切換，ARM嵌入式處理器發(fā)送信號控制地址譯碼電路，將多路輸入切換至有效輸出。地址譯碼電路用于將多路輸入端信號地址轉(zhuǎn)換為開關(guān)電路可識別地址，開關(guān)電路進(jìn)行通道電路開關(guān)切換，通道譯碼電路用來選擇有效的輸出通道，選中指定的端口，從而切換到相應(yīng)通道上。

圖4 通道切換電路設(shè)計(jì)Fig.4 Design of channel switching circuit

2.3 軟件設(shè)計(jì)

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀的移動通訊模塊軟件流程圖如圖5所示。

圖5 移動通訊模塊軟件流程圖Fig.5 Software flow of mobile communication module

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀的軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，爆破振動數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)時(shí)間短，數(shù)據(jù)量大，具有瞬時(shí)性。按照國家規(guī)定各級爆破企業(yè)均需配備爆破監(jiān)測設(shè)備，然而對大多數(shù)企業(yè)而言配備專職測試人員有一定困難，每年的測試工作量也不大，若采用工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀的用戶，就只需購買少量設(shè)備，如需同時(shí)測量多個測點(diǎn)時(shí)，可向系統(tǒng)管理中心租賃設(shè)備，由項(xiàng)目安全員在現(xiàn)場安置檢波器即可，其余的工作均可由終端監(jiān)測管理系統(tǒng)完成。

2.4 系統(tǒng)測試指標(biāo)

目前樣機(jī)正在測試階段，系統(tǒng)測試指標(biāo)如下:振動速度范圍為±35cm/s，精度為±0.02cm/s;頻率響應(yīng)范圍為5～300 Hz，精度為±0.1 Hz;采樣速率為5 kS/s;量程為±10 V;動態(tài)范圍＞80 dB;工作模式分為全自動運(yùn)行模式和手動模式，2種模式都需要手動設(shè)置觸發(fā)閾值;通過設(shè)備USB口連接導(dǎo)出數(shù)據(jù)。工作溫度范圍為－10℃～60℃，鋰電池供電，適應(yīng)長時(shí)間野外監(jiān)測;爆破數(shù)據(jù)丟失率約為萬分之一，實(shí)時(shí)性在30 s以內(nèi)，較好地實(shí)現(xiàn)了爆破振動的無線網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀采用嵌入式操作系統(tǒng)，以ARM為主控芯片，結(jié)合移動通訊模塊實(shí)現(xiàn)了工程爆破安全監(jiān)測的無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)管理，相比有線傳輸網(wǎng)絡(luò)而言，大大降低了現(xiàn)場布線工作量，綜合成本低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好、維護(hù)費(fèi)用低，性能穩(wěn)定。在任何能夠上Internet網(wǎng)絡(luò)的地方查看爆破數(shù)據(jù)，用戶僅需在終端用戶界面登陸即可獲取爆破現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保證了爆破數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，能夠遠(yuǎn)程在線設(shè)置記錄儀參數(shù)。每臺記錄儀都有唯一RFID標(biāo)識碼認(rèn)證，并具有GPS精確定位功能。工程爆破振動無線網(wǎng)絡(luò)化記錄儀的設(shè)計(jì)進(jìn)一步推動了爆破振動測試儀器的無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在提高爆破數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)保證爆破數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，從而使爆破振動監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提高到一個新階段。

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