心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置.pdf

本发明公开一种心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，包括有：GPS接收机；与GPS接收机相连接收和发送GPS接收机所发出信号的无线传输单元DTU；与碾压机械相连接和发送收碾压机的输出信号的激振力监测VMU；分别通过GPRS网络接收无线传输单元DTU和激振力监测VMU的输出信号的数据库服务器；以及分别向GPS接收机、无线传输单元DTU和激振力监测VMU提供电源的碾压机电源单元；所述的GPS接收机分别连接有GPS卫星天线和差分无线电天线。GPS接收机与无线传输单元DTU是通过RS-232进行通信。GPS卫星天线安装在碾压机械上。本发明是一种高精度、全自动的填筑碾压过程信息的实时采集装置，实现了动态数据的GPRS远程实时传送，数据传输稳定性好，为大坝碾压质量的远程全天候实时监控提供了条件。

1.  一种心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，包括有：GPS接收机(1)；与GPS接收机(1)相连接收和发送GPS接收机所发出信号的无线传输单元DTU(2)；与碾压机械相连接和发送收碾压机的输出信号的激振力监测VMU(3)；分别通过GPRS网络接收无线传输单元DTU(2)和激振力监测VMU(3)的输出信号的数据库服务器(5)；以及分别向GPS接收机(1)、无线传输单元DTU(2)和激振力监测VMU(3)提供电源的碾压机电源单元(4)；所述的GPS接收机(1)分别连接有GPS卫星天线(6)和差分无线电天线(7)。

2.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的GPS接收机(1)与无线传输单元DTU(2)是通过RS-232进行通信。

3.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的GPS卫星天线(6)安装在碾压机械上。

4.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的无线传输单元DTU(2)包括有依次相连的RS-232接口(21)、Flash存储器(22)、第一CPU中央处理器(23)和第一GSM通讯模块(24)；所述的RS-232接口(21)连接GPS接收机(1)的RS-232串行接口；所述的第一GSM通讯模块(24)通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器(5)进行通信。

5.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的激振力监测VMU(3)包括有分别对应接收碾压机PLC电路控制板或碾压机继电器触点(8)所发出的高频低模拟信号和低频高模拟信号的第一光电偶合器(31)和第二光电偶合器(32)；分别接收第一光电偶合器(31)和第二光电偶合器(32)的输出信号并进行处理的第二CPU中央处理器(33)；接收第二CPU中央处理器(33)的输出信号的第二GSM通讯模块(34)，所述的第二GSM通讯模块(34)通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器(5)进行通信。

6.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的碾压机电源单元(4)包括有依次串联连接的电源滤波电路(41)、DC-DC降压模块(42)和输出电源滤波及去纹波电压电路(43)，所述的电源滤波电路(41)的输入端连接碾压机的24V输出电源，所述的输出电源滤波及去纹波电压电路(43)分别输出15V和12V的直流电源。

7.  根据权利要求1所述的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，其特征在于，所述的信息自动采集装置还包括有用于固定和安装各个部件的设备集成机箱，所述的设备集成机箱是采用防水、防电、防震的PVC制作的密封箱，箱内的各个部件的间隙填充缓冲泡沫实现碰撞缓冲，箱内各个部件都设置有绝缘结构。

心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置
技术领域
本发明涉及一种心墙堆石坝施工质量信息采集设备。特别是涉及一种为心墙堆石坝填筑碾压过程的全天候实时监控提供条件的高精度、全自动的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置。
背景技术
在心墙堆石坝施工过程中，有效地控制坝料碾压密实度是保证大坝施工质量的关键。根据《碾压式土石坝施工规范》(DL/T 5129-2001)规定，心墙堆石坝填筑碾压质量主要通过施工过程中的压实参数(铺层厚度、土石料性质、碾压遍数、碾压行车速度、激振力等)以及压实标准(单元验收的抽样试验结果，如压实度或干密度、含水量和级配等)来的控制。然而，常规的依靠监理和施工人员人为控制压实参数，由于受人为因素干扰大，管理粗放，故质量控制的精度不高。因此，对心墙堆石坝填筑碾压过程信息进行实时自动采集，进而对心墙堆石坝的填筑碾压质量进行在线监控，对于实现工程精细化管理、确保施工质量具有十分重要的意义。
目前，国内外尚未见到有直接用于心墙堆石坝碾压过程信息自动采集的装置。武汉大学开发了应用于混凝土面板堆石坝填筑施工质量监控的碾压机械动态坐标GPS采集装置，如武汉大学学报，2005，30(9)：813-816刊登黄声享，刘经南的《GPS实时监控系统及其在堆石坝施工中的初步应用》；水力发电，2002(10)：30-32刊登吴晓铭的《面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案研究》。
但该装置不能采集心墙堆石坝施工质量重要的控制参数——碾压激振力，而且只能将数据存储于碾压机械本地，不能实现数据的远程实时传送(尤其是有高山阻隔时)，这就意味着不能对大坝碾压质量进行实时的远程监控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采集安装有该装置的碾压机械的动态位置坐标、定位时间和激振力输出状态的高精度、全自动的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置。
本发明所采用的技术方案是：一种心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，包括有：GPS接收机；与GPS接收机相连接收和发送GPS接收机所发出信号的无线传输单元DTU；与碾压机械相连接和发送收碾压机的输出信号的激振力监测VMU；分别通过GPRS网络接收无线传输单元DTU和激振力监测VMU的输出信号的数据库服务器；以及分别向GPS接收机、无线传输单元DTU和激振力监测VMU提供电源的碾压机电源单元；所述的GPS接收机分别连接有GPS卫星天线和差分无线电天线。
所述的GPS接收机与无线传输单元DTU是通过RS-232进行通信。
所述的GPS卫星天线安装在碾压机械上。
所述的无线传输单元DTU包括有依次相连的RS-232接口、Flash存储器、第一CPU中央处理器和第一GSM通讯模块；所述的RS-232接口连接GPS接收机的RS-232串行接口；所述的第一GSM通讯模块24)通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器进行通信。
所述的激振力监测VMU包括有分别对应接收碾压机PLC电路控制板或碾压机继电器触点所发出的高频低模拟信号和低频高模拟信号的第一光电偶合器和第二光电偶合器；分别接收第一光电偶合器和第二光电偶合器的输出信号并进行处理的第二CPU中央处理器；接收第二CPU中央处理器的输出信号的第二GSM通讯模块，所述的第二GSM通讯模块通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器进行通信。
所述的碾压机电源单元包括有依次串联连接的电源滤波电路、DC-DC降压模块和输出电源滤波及去纹波电压电路，所述的电源滤波电路的输入端连接碾压机的24V输出电源，所述的输出电源滤波及去纹波电压电路分别输出15V和12V的直流电源。
所述的信息自动采集装置还包括有用于固定和安装各个部件的设备集成机箱，所述的设备集成机箱是采用防水、防电、防震的PVC制作的密封箱，箱内的各个部件的间隙填充缓冲泡沫实现碰撞缓冲，箱内各个部件都设置有绝缘结构。
本发明的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，提供了一种高精度、全自动的填筑碾压过程信息的实时采集装置，适应了心墙堆石坝施工特点，符合心墙堆石坝对碾压过程的高要求控制、定位时间，而且实时采集碾压机械输出的激振力状态，为全面监控心墙堆石坝碾压质量提供了数据基础；集成GSM通讯模块，实现了动态数据的GPRS远程实时传送，并经数据防丢包处理，数据传输稳定性好，为大坝碾压质量的远程全天候实时监控提供了条件。
附图说明
图1是本发明构成框图；
图2是本发明的集成原理图。
其中：
1：GPS接收机           2：无线传输单元DTU
3：激振力监测单元VMU   4：碾压机电源单元
5：数据库服务器        6：GPS卫星天线
7：差分无线电天线      8：碾压机PLC电路控制板或碾压机继电器触点
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置做出详细说明。
如图1所示，本发明的心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置，包括有：GPS接收机1；与GPS接收机1相连接收和发送GPS接收机所发出信号的无线传输单元DTU 2；与碾压机械相连接收和发送碾压机的输出信号的激振力监测VMU 3；分别通过网络接收无线传输单元DTU 2和激振力监测VMU 3的输出信号的数据库服务器5；以及分别向GPS接收机1、无线传输单元DTU 2和激振力监测VMU 3提供电源的碾压机电源单元4；所述的GPS接收机1分别连接有GPS卫星天线6和差分无线电天线7。所述的GPS接收机1与无线传输单元DTU2是通过RS-232进行通信。
所述的外置GPS卫星天线6安装在碾压机械上，用于接收GPS卫星信号，以确定碾压机械的位置，安装部位离碾轮中心点越近，越能反映碾轮行走的真实轨迹。差分无线电天线7用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机1内部作差分计算。
如图2所示：
所述的高精度GPS接收机1可采用美国天宝5700S的GPS接收机，用于获取和输出碾压机械的精确位置坐标。GPS接收机1的工作过程如下：
通过GPS卫星天线，按一定的时间间隔(如1s)，接收到GPS卫星所发射的无线电信号，GPS接收机内部的频率转换单元通过频率过滤和转换，把有效无线电信号交给解扩频模块；解扩频模块通过解调获得加载在无线电载波上的卫星信息；差分无线电天线接受GPS基准站无线电台发送过来的差分信息；中央处理器对自身解算的卫星定位信息以及和基准站的差分信息进行整周模糊度的差分计算，获得碾压机械所在位置厘米级的定位坐标；同时通过GPS接收机的外接I/O接口，将位置坐标信息和定位时间及碾压机标识传送至无线数据传输单元DTU。该I/O接口是RS-232串行接口，是标准接口，数据传送格式是NEMA0183数据标准。
所述的无线传输单元DTU 2包括有依次相连的RS-232接口21、Flash存储器22、第一CPU中央处理器23和第一GSM通讯模块24；所述的RS-232接口21连接GPS接收机1的RS-232串行接口；所述的第一GSM通讯模块24通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器5进行通信。第一CPU中央处理器23采用型号为ARM7的单片机。
无线传输单元DTU 2的作用是把GPS接收机发送过来的坐标信息、定位时间以及该碾压机械的标识号等数据实时传送到远程数据库服务器5。其工作过程如下：
无线传输单元DTU先把GPS接收机传输过来的数据放入FLASH存储器中(因为监测过程中对数据完整性要求很高，所以先把数据放入FLASH，进行缓存)，再通过缓存把数据通过“栈”的方式发送给第一CPU中央处理器，第一CPU中央处理器对数据进行IP化，然后把IP数据包交给第一GSM通讯模块，根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔(如1s)，将碾压机械的位置坐标、当前时间和碾压车标识通过GPRS网络发送到远程数据库服务器。为了保证传输的稳定性，第一GSM通讯模块对通用GSM模块(西门子MC39i或华为GTM900b)的控制程序进行以下改进：
1)按定制TCP/IP协议进行串口的透明传输；
2)增加设备数据缓存功能，在GPRS断线的情况下对串口数据进行存储，缓冲区大小为50K；
3)数据实时性传输，增加断线重拨功能；
4)按约定的压缩协议对串口输入的数据进行压缩后发送；
5)增加看门狗计时机制(watchdog timer，WDT)，能对设备死机状况进行处理和恢复。
看门狗是一个定时器电路，一般有一个输入，一个输出到第一CPU中央处理器的RST端。第一CPU中央处理器正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到输入端，给WDT清零，如果超过规定的时间不清零(一般在程序跑飞时)，WDT定时超过，就会给出一个复位信号到第一CPU中央处理器，于是第一CPU中央处理器复位。WDT的作用，就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。
所述的激振力监测VMU 3包括有分别对应接收碾压机PLC电路控制板或碾压机继电器触点8所发出的高频低振模拟信号和低频高振模拟信号的第一光电偶合器31和第二光电偶合器32；分别接收第一光电偶合器31和第二光电偶合器32的输出信号并进行处理的第二CPU中央处理器33；接收第二CPU中央处理器33的输出信号的第二GSM通讯模块34(西门子MC39i或华为GTM900b)，所述的第二GSM通讯模块34通过GSM天线以及GPRS网络与数据库服务器5进行通信。
所述的激振力监测VMU的作用是实时获取碾压机械输出的激振力工作状态。其工作过程如下：
碾压机械激振力工作状态的控制电路不外乎是老式的继电器控制或是比较先进的PLC电子控制。从碾压机械的PLC电路控制板I/O口或继电器触点引出激振力状态的信号线，激振力的状态不同，信号的高低电压也就不同；然后通过激振力监测VMU的I/O口，经过光电耦合器，把高低电平的模拟信号识别为二进制数字信号(对应不同激振力状态)，经第二CPU中央处理器处理后，按定制的TCP/IP协议，通过第二GSM通讯模块，将TCP数据包(含碾压机械的激振力状态信号、当前时间和碾压车标识)通过GPRS网络发送到远程数据库服务器。
本发明的碾压机电源单元4的作用是给上述各中单元提供稳定的电源。所述的碾压机电源单元4包括有依次串联连接的电源滤波电路41、DC-DC降压模块42和输出电源滤波及去纹波电压电路43，所述的电源滤波电路41的输入端连接碾压机的24V输出电源，所述的输出电源滤波及去纹波电压电路43分别输出15V和12V的直流电源。其工作过程如下：
本发明设备工作的电源由碾压机械自身供电。因为碾压机械都是柴油发动机提供动力，供电是24V，但是本发明中各个单元对电压的要求不一样，如高精度GPS接收机的工作电压是12-18V，DTU的工作电压是9-36V，所以需要对电源做电压转换。经过碾压机电源模块的DC-DC变换，输出一路+15V为高精度GPS供电，输出一路+12V为DTU和VMU供电。同时，还要加上电源稳定模块，因为虽然柴油动力标称是24V供电，但是实际上，因为工作条件限制，供电电压并不稳定，有时候波峰电压甚至可能超过100V，这种电压造成的电流冲击对各个电子元器件都是致命性，所以需要加上电源稳定模块，对波峰电压进行滤波。
所述的信息自动采集装置还包括有用于固定和安装各个部件的设备集成机箱，所述的设备集成机箱是采用防水、防电、防震的PVC制作的密封箱，箱内的各个部件的间隙填充缓冲泡沫实现碰撞缓冲，箱内各个部件都设置有绝缘结构。
设备集成机箱用于固定和安装各个部件，并作三防(防水、防电、防震)处理。
本发明的设备集成机箱采用PVC密封箱，实现防水。对于防震处理，首先对各部件采用螺丝等进行适当固定，同时采取缓冲泡沫进行填充，实现碰撞缓冲。采用对各电子设备进行绝缘的方式，实现防电处理。