基于Labview的根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亞玲，張憲君，姜文龍，聶海濱，王善輝，郭士明，周錫芳

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

在近幾年來(lái)，黃河調(diào)水調(diào)沙后河道堤壩出險(xiǎn)問(wèn)題都是根石走失問(wèn)題，當(dāng)根石被水淹沒(méi)后，防汛人員將無(wú)法及時(shí)掌握根石的狀態(tài)，更無(wú)法知道堤壩的情況，只有在水面以上的堤壩出現(xiàn)潰壩后，防汛人員才能發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，這種滯后現(xiàn)象存在較大的安全隱患，嚴(yán)重影響人民群眾的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全[1]。針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了基于Labview的根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將感知設(shè)備內(nèi)置于根石中，通過(guò)電腦端采集根石狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)根石狀態(tài)的長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用姿態(tài)傳感器和位移傳感器作為信號(hào)采集裝置，將傳感器內(nèi)置到根石中，對(duì)根石狀態(tài)進(jìn)行感知并返回狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)軟件通過(guò)串口與傳感器進(jìn)行通信，將采集到的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并通過(guò)軟件對(duì)采集參數(shù)和過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和展示，根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。本系統(tǒng)采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸遵守Modbus通信協(xié)議，采用平衡發(fā)送和差分接收的RS-485半雙工工作方式，因此具有較強(qiáng)地抑制共模干擾[2]。

圖1 根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 采集終端

2.1 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器是基于MEMS技術(shù)的高性能三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸電子羅盤(pán)等運(yùn)動(dòng)傳感器[3-4]。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并且提高穩(wěn)定度，本系統(tǒng)選用HWT905-485九軸姿態(tài)傳感器,作為信息根石姿態(tài)感知傳感器，通過(guò)采用數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在降低測(cè)量噪聲的同時(shí)，提高監(jiān)測(cè)精度，XY軸測(cè)量精度為0.05°，Z軸測(cè)量精度為1°，加速度穩(wěn)定性為0.01g，角速度穩(wěn)定性為0.05°/s。

2.2 位移傳感器

位移傳感器功能是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)可以得出運(yùn)動(dòng)物體的位移、方向或速率。本項(xiàng)目位移傳感器選擇拉繩位移傳感器，型號(hào)為深圳米蘭特MPS系列、量行程長(zhǎng)為5000mm，該拉繩位移傳感器空間結(jié)構(gòu)小巧，安裝方式簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度高，線性精度為0.25%FS，重復(fù)精度為0.01%FS～0.005%FS。

3 軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司開(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以完成系統(tǒng)的圖形化編程以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中設(shè)計(jì)、測(cè)試等步驟。與其他采用文本語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生代碼的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言不同，LabVIEW通過(guò)圖形化編輯語(yǔ)言G運(yùn)用框圖的形式來(lái)產(chǎn)生程序。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)采用串行接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW與串行設(shè)備通信前安裝VISA驅(qū)動(dòng)，VISA是虛擬儀器系統(tǒng)IO接口軟件，基于底層自底向上的結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用于在儀器編程中的標(biāo)準(zhǔn)IO應(yīng)用程序接口（API）[5]，通過(guò)儀器的物理連接類(lèi)型和物理連接的位置，運(yùn)用VISA可以進(jìn)行儀器訪問(wèn)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)根石的姿態(tài)和位移的功能，包括姿態(tài)和位移的數(shù)據(jù)采集和顯示，以及歷史采集數(shù)據(jù)的查詢(xún)和顯示等功能。其中數(shù)據(jù)采集和顯示包括在各方向上的加速度、角速度、速度以及綜合位移長(zhǎng)度等參數(shù)；數(shù)據(jù)查詢(xún)按照時(shí)間段對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，并將查詢(xún)結(jié)果以數(shù)據(jù)表格、加速度曲線圖、角速度曲線圖、位移曲線圖和三維展示的形式呈現(xiàn)。

4.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集模塊中，RS-485采用半雙工工作方式，發(fā)送電路需要通過(guò)使能信號(hào)進(jìn)行控制，使得在任何時(shí)候只能有一個(gè)傳感器處于發(fā)送狀態(tài)[6]。根據(jù)數(shù)據(jù)通信Modbus-RTU協(xié)議和16CRC校驗(yàn)協(xié)議計(jì)算得出不同傳感器的讀取命令，在執(zhí)行讀取命令后，程序進(jìn)行延時(shí)等待，目的等待傳感器返回?cái)?shù)據(jù)，避免獲取不到數(shù)據(jù)或者獲取的數(shù)據(jù)不完整，然后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的緩存和讀取。通過(guò)對(duì)設(shè)備的輸入和輸出緩沖區(qū)進(jìn)行清零避免再次發(fā)送讀取命令時(shí)，線路中數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)信號(hào)沖突現(xiàn)象。

4.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)軟件接收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將從傳感器獲得的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行解析、展示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)展示分為二維展示和三維姿態(tài)展示，物體旋轉(zhuǎn)過(guò)后相對(duì)于之前的三維角度變化信息，可以等效為物體依次繞三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)復(fù)合得到，當(dāng)姿態(tài)角結(jié)算時(shí)所使用的坐標(biāo)系為東北天坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閦-y-x，即先繞z軸轉(zhuǎn)，再繞y軸轉(zhuǎn)，再繞x軸轉(zhuǎn)，可獲得最終旋轉(zhuǎn)姿態(tài)[7]。

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢(xún)

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，將測(cè)試信息和測(cè)得的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀操作，使得測(cè)得數(shù)據(jù)能夠顯示在列表數(shù)據(jù)中，直觀的顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中所記錄的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)列表中的數(shù)據(jù)顯示在角度、角速度、角加速度、位移圖中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分程序如圖2。數(shù)據(jù)查詢(xún)通過(guò)選擇查詢(xún)時(shí)間，設(shè)定查詢(xún)起始時(shí)間和終結(jié)時(shí)間，并生成Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)命令，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接子VI進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)并將獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行輸出顯示。

圖2 數(shù)據(jù)查詢(xún)部分程序框圖

5 基于Labview根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件工作界面主要用于控制系統(tǒng)操作的流程、顯示采集、查詢(xún)數(shù)據(jù)波形和顯示三維姿態(tài)。其中采集軟件操作界面共分四個(gè)區(qū)，分別為基本設(shè)置區(qū)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)區(qū)、表盤(pán)數(shù)據(jù)顯示區(qū)、數(shù)據(jù)波形和三維圖形顯示區(qū)，如圖3。

基本設(shè)置區(qū)包括串口名稱(chēng)、監(jiān)測(cè)選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接、監(jiān)測(cè)間隔、角度變量、位移變量、開(kāi)始監(jiān)測(cè)等。其中串口名稱(chēng)下顯示當(dāng)前電腦端所連串口且可更新現(xiàn)有號(hào)的串口；監(jiān)測(cè)選擇下拉列表選擇監(jiān)測(cè)全部值或者監(jiān)測(cè)角度；數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接部分已聲明數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接方式；監(jiān)測(cè)間隔用于根據(jù)需要填寫(xiě)監(jiān)測(cè)間隔和數(shù)據(jù)設(shè)定變量；歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)框中包含起止時(shí)間和終結(jié)時(shí)間以及查詢(xún)，日期設(shè)置完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，即在歷史結(jié)果查詢(xún)中生成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格、加速度曲線圖、加速度曲線圖、角度曲線圖、位移曲線圖等。

圖3 系統(tǒng)主界面

6 結(jié)語(yǔ)

基于Labview的根石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用姿態(tài)傳感器和位移傳感器作為根石狀態(tài)感知設(shè)備并封裝到根石中，以Labview為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了電腦端監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下根石狀態(tài)的全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，其中XY軸測(cè)量精度為0.05°，Z軸測(cè)量精度為1°，加速度穩(wěn)定性為0.01g，角速度穩(wěn)定性為0.05°/s。經(jīng)試驗(yàn)，本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案可行可用，實(shí)現(xiàn)了用自動(dòng)化采集代替人工采集，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)可靠，減少人力物力的成本；感知終端所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息可隨時(shí)調(diào)用，節(jié)約時(shí)間成本；水下根石狀態(tài)的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)河道整治工程安全監(jiān)管只能依靠人工和非汛期的根石探測(cè)成果的短板，為河防工程防洪搶險(xiǎn)的現(xiàn)代化、精細(xì)化管理提供有力支撐。