岩土工程多元数据汇聚与远程监测系统设计及应用

摘要

随着我国经济的迅速发展，岩土工程建设迎来了前所未有的黄金期，涌现出了大量深长隧道、高陡边坡等大型基础设施工程。由于上述工程多分布在地质条件与自然环境复杂的偏远地区，在施工扰动、地质灾害、外界荷载等多种因素作用下，大型岩土工程安全事故频繁发生，造成了严重的人员伤亡、巨大的经济损失与恶劣的社会影响。安全监测是保障岩土工程施工及运营安全，避免安全事故发生的有效方法，但目前用于岩土工程的电类、光纤类等常用监测设备存在协同共采难题，各系统孤立，形成了严重的“信息孤岛”现象。因此亟待开发岩土工程多元数据汇聚与远程监测平台，实现多源异构监测设备多参数的协同采集与远程监测。
　　针对上述问题，本文研发了一套多监测设备协同共采与远程监测系统，采用了现场数据采集层与传输层通信总线，构建了多系统协同共采及远程传输硬件系统，开发了远程管理层服务器软件，研究了无损数据压缩算法，并基于硬件编程实现了远传数据的无损压缩，通过实验室测试及工程实际应用，验证了系统的可靠性和稳定性。具体研究内容包括:
　　设计并开发了系统硬件，以STM32微控制器为核心，设计了基于RS485通信的接口电路，采用主从模式将现场多套从机的数据传输至STM32微控制器中，实现多套系统协同共采与数据汇聚;设计了基于GPRS的无线通讯模块，将汇聚后的数据通过GPRS模块无线发送至服务器软件;设计了双电源供电单元电路，并实现了断电无间隔切换。设计了可与用户实现人机交互的触摸控制及显示模块，实现了监测设备数据查看、发送频率切换等人机交互功能。同时，系统包括了SD卡本地数据存储、环境温度监测及故障报警等功能。
　　开发了基于C＃的服务器软件平台，实现了远程管理层与传输层进行的连接，为传输层硬件的GPRS模块提供目标IP和端口号;制定了命令与数据的通信格式，实现了采集命令的发送和传输层硬件返回数据的接收，并对该数据进行解析、分类显示、存储及报警。
　　采用了基于LZW的数据压缩算法与STM32的DMA技术，实现了基于硬件编程的数据无损压缩;通过多次硬件无损数据压缩实验，对比了10帧、100帧、300帧三种压缩数据量的压缩效果，选择出了最适合于本系统的单次数据压缩量。
　　完成了系统的测试及应用，并将本系统应用到隧道模型实验中，进行了联调测试，验证了系统的稳定性与可靠性。
　　本系统极大的提高了岩土工程安全监测的效率，实现了光纤类采集设备及电类采集设备的协同共采与数据远传，对保障岩土工程安全施工及运营、避免安全事故发生具有重要意义和推广应用价值。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩土工程安全监测技术研究现状

1．2．2 监测系统无线数据传输技术研究现状

1．3 本文的主要研究内容和工作安排

1．3．1 论文的研究内容

1．3．2 具体章节安排

第二章 多元数据汇聚与远程监测系统总体方案设计

2．1 系统需求分析

2．1．1 系统功能需求分析

2．1．2 系统非功能性需求分析

2．2 系统设计目标

2．2．1 系统的性能设计指标

2．2．2 系统结构设计

2．3 系统整体工作流程

2．4 本章小结

第三章 系统硬件设计

3．1 硬件总体设计与制作

3．1．1 硬件总体功能设计

3．1．2 数据终端制作

3．2 主控模块最小系统

3．2．1 微控制器

3．2．2 晶振和硬件复位电路

3．2．3 调试接口电路

3．3 RS485串行通信总线

3．3．1 多机通讯原理

3．3．2 RS485接口电路

3．3．3 RS485总线数据汇聚传输流程

3．4 GPRS无线模块设计与实现

3．4．1 GPRS芯片及其外围电路

3．4．2 GPRS模块工作流程

3．5 供电模块

3．5．1 双电源无间隔切换模块

3．5．2 直流电压降压电路

3．6 其他外设模块

3．6．1 人机交互模块

3．6．2 SD卡存储模块

3．6．3 工作环境温度检测模块及蜂鸣器报警模块

3．7 本章小结

第四章 远程服务器软件设计及其数据通信格式的制定

4．1 远程服务器软件功能需求分析

4．2 远程服务器软件设计

4．2．1 网络连接协议

4．2．2 Window应用软件设计

4．3 命令与数据通信格式

4．3．1 位移数据采集仪

4．3．2 应变数据采集仪

4．3．3 应力数据采集仪

4．4 CRC校验功能

4．5 本章小结

第五章 数据压缩算法在本系统中的应用

5．1 LZW编码原理

5．2 LZW解码原理

5．3 LZW压缩算法的硬件实现

5．3．1 DMA技术和乒乓操作

5．3．2 LZW压缩硬件实现流程

5．3．3 LZW压缩试验结果

5．4 本章小结

第六章 系统的调试与试验

6．1 数据终端人机交互模块的测试

6．2 通信测试

6．3 系统联合测试

6．3．1 模型试验系统

6．3．2 试验流程与测点埋设

6．3．3 试验结果

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况