時(shí)間：2023-03-29 09:24:40
序論：在您撰寫檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
針對垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度采集點(diǎn)多，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，提出了以電子技術(shù)和微控制技術(shù)為核心技術(shù)的機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由溫度傳感器、濕度傳感器、變送器、主從單片機(jī)、RS485總線、顯示及鍵盤等部分組成。圖1為垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測系統(tǒng)框圖。工作時(shí)，安裝在探頭上傳感器采集該處機(jī)采棉的溫濕度值，通過變送器和轉(zhuǎn)換器將該處的各點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)信號送至該處的從機(jī);從機(jī)將采集來的信號進(jìn)行歸一化處理，取加權(quán)平均值，再將加權(quán)平均值通過RS485總線送至主機(jī)，通過鍵盤輸入機(jī)采棉霉變預(yù)警的溫濕度閾值;主機(jī)將傳輸來的數(shù)據(jù)和預(yù)警閾值相比較，判斷是否達(dá)到預(yù)警條件，如果達(dá)到預(yù)警條件，發(fā)出命令，控制預(yù)警裝置發(fā)出警報(bào)，并且顯示出霉變或有霉變趨勢的機(jī)采棉位置。
2．1硬件部分
本設(shè)計(jì)的主機(jī)所要實(shí)現(xiàn)匯總從機(jī)發(fā)來的信息和預(yù)先設(shè)定的霉變閾值相比較，判斷每個(gè)從機(jī)位置的機(jī)采棉情況。如果出現(xiàn)異常，主機(jī)控制警報(bào)系統(tǒng)工作，顯示屏可以利用鍵盤控制其翻頁功能，實(shí)時(shí)顯示出每個(gè)從機(jī)位置的機(jī)采棉情況。從機(jī)主要負(fù)責(zé)將采集來的溫濕度信息，經(jīng)處理后，送入主機(jī)。鑒于以上因素，主、從機(jī)都選用單片機(jī)STC89C516RD+。該款單片機(jī)具有加密性強(qiáng)、低功耗、速度快和精度高等特點(diǎn)，其核內(nèi)有64kB的flash，1280B的RAM，16kB的ROM，可以滿足控制的需要。每個(gè)從機(jī)位置的溫濕度信息檢測，采用探頭檢測，在每個(gè)探頭的不同位置，均勻分布4個(gè)溫度傳感器和4個(gè)濕度傳感器，分別構(gòu)成該從機(jī)的溫度傳感器組和濕度傳感器組。濕度傳感器選用HM1500，模擬量輸出，在5V供電條件下，輸出0～4V范圍的電壓對應(yīng)相對濕度值0～100%;因?yàn)槭蔷€性輸出，所以可以直接和單片機(jī)相連，為了檢測信號的穩(wěn)定性，可以將濕度傳感器的輸出量經(jīng)過同相跟隨器將信號穩(wěn)定后送入單片機(jī)。溫度傳感器選用AD590為模擬信號輸出需要驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后才能使溫度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī);可測量范圍－55～150℃，供電范圍寬，4～30V;圖2為溫度傳感器AD590的驅(qū)動(dòng)電路圖。顯示模塊要求實(shí)時(shí)顯示各個(gè)從機(jī)控制的檢測探頭位置的溫濕度以及每個(gè)探頭所在位置的坐標(biāo)值，通過鍵盤的上下鍵控制顯示屏的翻頁和刷新。所以，采用液晶顯示器LCD1602兩行顯示，就可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。鍵盤模塊是向主機(jī)輸入預(yù)設(shè)的參考值以及控制顯示屏的翻頁與刷新，基于以上功能采用4×4的行列式鍵盤。
2．2軟件部分
首先，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，細(xì)化軟件每一部分的功能，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)各部分功能之間的邏輯關(guān)系。垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用keiluvision2編程環(huán)境，編程實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的功能。keilC51是一個(gè)比較主流的單片機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)的開發(fā)工具，主從機(jī)的程序編寫采用模塊化編程。其調(diào)試程序、完成各部分編程后，將程序的．hex工程文件燒錄至Proteus軟件下的仿真電路圖，仿真效果達(dá)到最佳時(shí)，記錄電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù);根據(jù)此優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計(jì)垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的實(shí)物硬件。垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測系統(tǒng)的主機(jī)程序流程圖，如圖3所示。
3試驗(yàn)結(jié)果分析
系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試完成后，在南口農(nóng)場進(jìn)行測試試驗(yàn)。系統(tǒng)測試了垛儲(chǔ)機(jī)采棉的溫濕度值。表1為垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測系統(tǒng)測試的溫濕度數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)檢測出的機(jī)采棉溫濕度值和人工測量的實(shí)際值近似相符。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠精確、實(shí)時(shí)地檢測垛儲(chǔ)機(jī)采棉的溫濕度，達(dá)到了垛儲(chǔ)機(jī)采棉儲(chǔ)存情況的安全控制。
4結(jié)論
考慮到僅是文本的儲(chǔ)存，且該軟件為小型單機(jī)軟件，占用空間較小，所以我們選擇了MicrosoftOfficeAc-cess數(shù)據(jù)庫。此舉不僅節(jié)約了空間，降低了開發(fā)成本，也提高了軟件的性能?；贛icrosoftOfficeAccess數(shù)據(jù)庫，圖2系統(tǒng)框架圖通過開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了電磁兼容檢測信息管理系統(tǒng)，同時(shí)采用MicrosoftOfficeWord文字編輯軟件作為電磁兼容檢測報(bào)告的基礎(chǔ)軟件，采用MicrosoftOfficeExcel電子表格作為部分?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出文件格式。這四個(gè)軟件都源自同一公司，因此四者之間的交互相對來說會(huì)比較簡易快捷。
1.1檢測信息的輸入
電磁兼容檢測需要輸入的主要信息包括：(1)被測件的名稱、型號、編號、生產(chǎn)廠家；(2)被測件供電情況，被測件的供電類型及供電電壓大小，包括直流還是交流，若是交流，則輸入供電頻率；(3)被測件電纜情況，被測件的電纜的類型，包括電源線、信號線等；(4)委托單位名稱和地址；(5)檢測依據(jù)的技術(shù)文件的名稱、編號，包括被測件電磁兼容檢測所依據(jù)的試驗(yàn)大綱；(6)被測件描述，被測件工作狀態(tài)、被測件敏感判據(jù)；(7)檢測說明，被測件在檢測過程中需要說明的內(nèi)容，例如一些同標(biāo)準(zhǔn)測試不同的地方，或被測件整改后的情況等；(8)報(bào)告編號、密級；(9)檢測項(xiàng)目及檢測結(jié)論，每個(gè)檢測項(xiàng)目符合要求與否的結(jié)論；(10)檢測費(fèi)用及結(jié)算情況等。根據(jù)所輸入的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后存入數(shù)據(jù)庫。
1.2軟件配置
為了提高軟件的使用效率，通過配置ComboBox控件的下拉列表，可大大提高軟件信息輸入的效率，例如委托單位的名稱，一般一個(gè)委托單位會(huì)多次對個(gè)產(chǎn)品到電磁兼容實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電磁兼容檢測，那么，提前配置好委托單位名稱的下拉列表，實(shí)際使用時(shí)，只需要通過點(diǎn)選即可，提高了數(shù)據(jù)錄入的速度和準(zhǔn)確性，大大節(jié)省輸入的時(shí)間，提高輸入效率。
1.3報(bào)告自動(dòng)生成
通常一個(gè)產(chǎn)品的電磁兼容實(shí)驗(yàn)涉及到多個(gè)電磁兼容項(xiàng)目，而每個(gè)電磁兼容項(xiàng)目都需要原始記錄和檢測報(bào)告。而不少信息是需要重復(fù)輸入的，例如原始記錄的表頭信息，完全可以通過編程的方法來自動(dòng)生成。事先分別建立每個(gè)電磁兼容項(xiàng)目的報(bào)告模板，把這些報(bào)告模板放在一個(gè)文件夾下以方便軟件調(diào)用。在自動(dòng)生成某產(chǎn)品電磁兼容檢測報(bào)告時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品所檢測的電磁兼容項(xiàng)目在報(bào)告模板文件夾中選擇相應(yīng)的模板，并根據(jù)已經(jīng)輸入的信息，根據(jù)報(bào)告模板中的書簽和表格等樣式定位位置，自動(dòng)生成電磁兼容檢測報(bào)告。這樣可以避免由于人工書寫檢測報(bào)告時(shí)由于個(gè)人因素編制不慎出現(xiàn)的錯(cuò)誤，也提高了報(bào)告編制的工作效率。通過電磁兼容檢測報(bào)告自動(dòng)生成功能，可以避免由于人員水平參差不齊導(dǎo)致的檢測報(bào)告不規(guī)范，從而滿足檢測報(bào)告的質(zhì)量要求。
1.4檢測儀器設(shè)備管理
電磁兼容檢測儀器設(shè)備的基本信息包括名稱、型號規(guī)格、編號、測量范圍、準(zhǔn)確度、計(jì)量的有效期、安放位置、保管人、設(shè)備狀態(tài)等。在出具電磁兼容檢測報(bào)告時(shí)，可方便地調(diào)用，選擇某儀器設(shè)備后可自動(dòng)顯示該儀器設(shè)備的詳細(xì)信息，同時(shí)根據(jù)被測件的具體檢測日期同該儀器設(shè)備的計(jì)量有效期進(jìn)行比較，可方便快捷的提示哪些儀器設(shè)備的計(jì)量有效期需要更新，以免在最終的電磁兼容檢測報(bào)告中出現(xiàn)計(jì)量有效期過期的低級錯(cuò)誤。同時(shí)，根據(jù)儀器設(shè)備的校準(zhǔn)周期，計(jì)算下次校準(zhǔn)日期，制定送檢計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)室人員定時(shí)檢查儀器設(shè)備情況，填寫校準(zhǔn)記錄。
1.5查詢與統(tǒng)計(jì)
提供電磁兼容檢測的基本查詢和統(tǒng)計(jì)功能?？筛鶕?jù)客戶進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，研究系統(tǒng)中委托單位、被測件信息和檢測項(xiàng)目的關(guān)系，分析不同的客戶群體，方便采取不同的市場開發(fā)策略、不同折扣等級，提供更個(gè)性化服務(wù)；可根據(jù)原始的測試費(fèi)用來統(tǒng)計(jì)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)值情況；可根據(jù)實(shí)際收到的測試費(fèi)用統(tǒng)計(jì)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際創(chuàng)收情況；統(tǒng)計(jì)檢測費(fèi)用的結(jié)算情況，可根據(jù)此做好年底時(shí)的催款、請款工作；根據(jù)檢測人員所檢測的被測件，統(tǒng)計(jì)不同檢測人員的工作量，方便實(shí)驗(yàn)室的管理和考核。
2結(jié)束語
防潮是糧食儲(chǔ)存過程中一項(xiàng)重要內(nèi)容，對糧食的儲(chǔ)存質(zhì)量有很重要的作用。它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉庫內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用扦樣式玻璃溫度計(jì)，人工判讀等最原始的測溫方法，工作量大，難以控制，滯后嚴(yán)重，做好日常的糧情檢查工作，可以發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理，以保證儲(chǔ)糧的安全。本論文側(cè)重介紹“單片機(jī)溫度檢測系統(tǒng)”的軟、硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容。論文的主要內(nèi)容包括：采樣、LED顯示，單片機(jī)89C51的開發(fā)以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)等。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度檢測系統(tǒng)綜合運(yùn)用了單片機(jī)技術(shù)、模擬電子技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)碼顯示技術(shù)等諸多方面的知識。
2糧倉濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
糧情測控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件與軟件的結(jié)合體，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對儲(chǔ)糧的檢測與預(yù)警。系統(tǒng)硬件由控制部分和信號檢測部分組成，其中，控制部分包含五個(gè)模塊：控制器模塊、手動(dòng)按鍵、顯示模塊、通信模塊和報(bào)警模塊；信號檢測部分包含一個(gè)模塊：濕度檢測模塊。
2.1核心單元電路
綜合考慮系統(tǒng)的方便性，可靠性，性價(jià)比等因素，系統(tǒng)主機(jī)芯片采用AT89C51。AT89C51是控制系統(tǒng)常用的單片機(jī)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，利用它完成的報(bào)警系統(tǒng)很多。使用AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的采樣煤氣濃度，能夠達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，而且AT89C51單片機(jī)相對于其它型號的單片機(jī)，更加易于學(xué)習(xí)和掌握，性能也相對比較好。
2.2檢測傳感器和檢測電路
濕度檢測采用的是濕度傳感器HS1101。在糧情測控系統(tǒng)中主要是檢測室內(nèi)與室外的濕度，一般一個(gè)糧倉有兩個(gè)濕度檢測點(diǎn)，且精度要求不高。
2.3顯示電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)顯示模塊采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理，清晰的顯示實(shí)時(shí)濕度值
3軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，作為主控的上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)及作為數(shù)據(jù)采樣的單片機(jī)終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實(shí)現(xiàn)，主要的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、線性校正、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)值顯示、發(fā)送、接收和部分中斷子程序。
4系統(tǒng)調(diào)試
本次設(shè)計(jì)采用的是模塊化電路和模塊化程序，因此在聯(lián)調(diào)時(shí)只需要把各模塊進(jìn)行正確的連接就可以實(shí)現(xiàn)仿真，其模塊與電路圖在前面已經(jīng)介紹這里只是給出總體調(diào)試的效果，把軟件調(diào)試的.HEX文件燒入其中的AT89C51中就可以運(yùn)行了。
5結(jié)語
1．1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)主要由多個(gè)手持設(shè)備終端和監(jiān)控中心端組成。每個(gè)手持設(shè)備終端都由R2868紫外線型火焰?zhèn)鞲衅骱蚙igBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，實(shí)時(shí)檢測火場中殘余火種的情況，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由ZigBee的FFD設(shè)備、監(jiān)視器和SQL數(shù)據(jù)庫組成，主要功能是完成數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。
1．2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)、簇—樹型網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)、建網(wǎng)、控制方面特性各有優(yōu)劣。針對火場復(fù)雜的環(huán)境，考慮到系統(tǒng)配置、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，本文采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于:結(jié)構(gòu)簡單、建網(wǎng)容易、網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制相對簡單。節(jié)點(diǎn)間路徑相對星型結(jié)構(gòu)要多，但比簇—樹型結(jié)構(gòu)要簡單。數(shù)據(jù)的碰掩和阻塞情況相對減少。局部的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，因此，網(wǎng)絡(luò)工作的可靠性高。
2手持設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手持設(shè)備終端主要由微處理器CC2530、火焰?zhèn)鞲衅鱎2868、溫濕度傳感器、撥碼開關(guān)、聲光報(bào)警、液晶屏顯示和電源管理模塊組成。
2．1傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
采用一個(gè)1∶70的變壓器，將5V電壓轉(zhuǎn)換成350V電壓。由于紫外線傳感器的工作原理是基于金屬的光電發(fā)射效應(yīng)和電子繁流理論，傳感器一旦開始放電，就會(huì)處于一種自保持放電方式，這樣就不能正確地檢測紫外線。由于傳感器本身沒有自動(dòng)抑制火花的特性，所以，必須從外部加入滅弧電路。采用周期性地減小陽極電壓，使其低于放電維持電壓的方法可以防止放電電流的自保持。
2．2信號處理電路設(shè)計(jì)
CC2530芯片使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核，同時(shí)該芯片可以配置輸入脈沖捕捉模式。信號處理電路根據(jù)不同情況下傳感器輸出脈沖的特點(diǎn)，利用CC2530的輸入脈沖捕捉功能，將傳感器的輸出脈沖捕捉回來，輸入到CC2530的相應(yīng)引腳內(nèi)。利用CC2530內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)算接收回來的脈沖數(shù)。同時(shí)結(jié)合CC2530內(nèi)部的的定時(shí)器，設(shè)定一個(gè)單位時(shí)間。單位時(shí)間內(nèi)，如果計(jì)數(shù)大于設(shè)置的閾值，CC2530的相關(guān)管腳則輸出高電平;否則，相關(guān)管腳一直處于低電平。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括手持終端軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)兩部分。本設(shè)計(jì)主要對手持終端軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對監(jiān)控中心管理軟件進(jìn)行部分設(shè)計(jì)。
3．1手持終端軟件設(shè)計(jì)
手持終端的主要職責(zé)是檢測火場是否有殘余火種的存在。手持終端開機(jī)后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)正常工作時(shí)需要的基本配置。接下來手持終端會(huì)自動(dòng)檢查自身撥碼開關(guān)的情況，根據(jù)撥碼開關(guān)不同的組合，設(shè)置相應(yīng)的靈敏度。然后手持終端會(huì)主動(dòng)地與監(jiān)控中心的設(shè)備相連，并將自己的ID號發(fā)送給監(jiān)控中心。利用微處理器輸入脈沖捕捉中斷，實(shí)時(shí)捕捉R2868火焰?zhèn)鞲衅鲉挝粫r(shí)間內(nèi)輸入的脈沖個(gè)數(shù)。判斷有無殘余火種存在。為了使檢測情況精確無誤，避免誤判情況的出現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)采用比較限制法解決這一問題。如果第一次檢測到輸入的脈沖數(shù)大于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)不是立刻報(bào)警。因?yàn)檫@次可能是系統(tǒng)采集的干擾值。系統(tǒng)接著進(jìn)行第二次檢測，如果第二次輸入的脈沖數(shù)仍然大于閾值，則判定為有殘余火種存在;如果小于閾值，則證明上一次是由背景噪聲引起的誤判。
3．2監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)
ZigBee監(jiān)控結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息的接收，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS—232電平，通過串口將信息傳送給主機(jī)。監(jiān)控軟件采用VB作為開發(fā)工具編寫，安裝在監(jiān)控中心的主機(jī)上，負(fù)責(zé)對火場傳回信息的處理、分析、顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)等功能。數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件采用方便集成和移植的SQL數(shù)據(jù)庫，在實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)可以在火災(zāi)過后進(jìn)行分析歸納，指導(dǎo)消防人員高效地進(jìn)行殘余火災(zāi)的檢測。
4測試結(jié)果與分析
在有火焰的時(shí)候，R2868傳感器輸出的脈沖波形通過分析該波形圖可以看出:輸出脈沖的頻率f＜2Hz，即有少量紫外線射入。通過分析此脈沖信號，確定R2868可以正常的工作。設(shè)置三個(gè)檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)的ID號分別為000，001，002，將它們分別放置在以下情況下，測試設(shè)備在不同環(huán)境下聲光報(bào)警是否有效。紫外線是電磁波譜中波長從100～400nm輻射的總稱，太陽光透過大氣層時(shí)波長短于290nm的紫外線被大氣層中的臭氧吸收掉，該紫外線傳感器就是利用太陽光譜盲區(qū)(日盲區(qū))，只對185～260nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng)。將手持設(shè)備置于太陽光下，手持設(shè)備聲光報(bào)警均不工作，證明紫外線傳感器確實(shí)不受太陽光的影響。用手持設(shè)備檢測分別在太陽光環(huán)境下、黑暗環(huán)境下、煙霧環(huán)境下的火焰，均會(huì)引起設(shè)備的聲光報(bào)警功能。只有在火焰的存在的條件下，手持設(shè)備才能進(jìn)行聲光報(bào)警，手持設(shè)備受外界環(huán)境的影響非常小。利用上述三個(gè)檢測點(diǎn)對設(shè)備的檢測范圍和可以檢測的火焰大小進(jìn)行了測試。在相同環(huán)境下，分別改變火焰長度和測試距離。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)可以看出:檢測距離與火焰長度的大小呈正比，火焰長度越長，檢測范圍越大。設(shè)備可以在5m的范圍內(nèi)，準(zhǔn)確地檢測到大于1cm的火焰。針對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，在實(shí)驗(yàn)中關(guān)掉傳播途徑中的一部分路由器，模擬火場中路由器發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)，手持終端設(shè)備可以通過其他路由器傳播數(shù)據(jù)。通過多次改變手持設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收端數(shù)據(jù)的情況對比發(fā)現(xiàn)，只要有可用的傳播途徑，手持設(shè)備就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
5結(jié)論
檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、嵌入式網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程發(fā)送端以及檢測管理中心三部分組成。首先，傳感器通過ZigBee協(xié)議發(fā)送所采集的植物生理參數(shù)信息到網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過RS—232串口發(fā)送到基于ARM9的CDMADTU嵌入式模塊，CDMADTU模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過CDMA2000網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到由PC構(gòu)建的Web服務(wù)器，發(fā)送到服務(wù)器的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)易存儲(chǔ)易查詢。最后，檢測中心還能通過基于LabVIEW編寫的上位機(jī)軟件根據(jù)已知的數(shù)據(jù)分析出植物的生理生長狀況，并設(shè)計(jì)了一種根據(jù)蒸騰速率和葉綠素含量等參數(shù)的自動(dòng)報(bào)警界面，從而可以更精確地判斷和控制植物的長勢和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組要負(fù)責(zé)采集植物的各項(xiàng)生理參數(shù)(莖稈與果實(shí)直徑、葉綠素含量、植物莖流等)和無線發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。無線收發(fā)芯片選用TI公司推出的CC2530作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的射頻收發(fā)送模塊。CC2530是應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的真正片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，包括一個(gè)高性能的2．4GHz射頻收發(fā)器，內(nèi)含一個(gè)高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051內(nèi)核和一個(gè)8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器。CC2530較以往常用的CC2430芯片具有靈敏度更高、功耗更小、通信距離更遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，滿足無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)對高性能、低成本、低功耗的要求。本設(shè)計(jì)中需要測量的莖稈直徑采用基于LVDT的植物莖稈傳感器，葉綠素含量測量采用基于透射型活體葉綠素傳感器，植物莖流測量采用基于熱平衡法傳感器，這些傳感器的輸出均為模擬信號，在傳感器部分對輸出信號進(jìn)行調(diào)理就能夠直接與CC2530芯片連接。
2．2嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
嵌入式網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，從而將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由協(xié)調(diào)器和基于AM9的CDMADTU模塊組成，CDMADTU模塊包括AM9微處理器和DTU發(fā)送模塊。本設(shè)計(jì)的CDMADTU選用CDMA2000通信模塊，該模塊采用AM9高性能工業(yè)級嵌入式處理器，供電范圍寬(5～32VDC)，數(shù)據(jù)傳輸速度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。在使用CDMADTU之前需要做兩步準(zhǔn)備:一是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)IP鏈接Internet網(wǎng)絡(luò)與Web服務(wù)器，因此，要申請域名，申請域名解析服務(wù)后可以通過域名自動(dòng)建立通信。接入CDMA網(wǎng)絡(luò)前，需要向電信公司申請SIM卡，SIM卡可為CDMADTU提供鏈接Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。二是使用前需要用終端軟件或AT命令對參數(shù)設(shè)置，以決定進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)透明數(shù)據(jù)傳輸模式的工作方式。
2．3鋰電池供電模塊設(shè)計(jì)
植物生理檢測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境很復(fù)雜，電源供給很難保障，因此，本設(shè)計(jì)中采用3．6V鋰電池供電。但植物生理檢測系統(tǒng)中傳感器模塊、CC2530等模塊需要不同的電源供給，因此，本設(shè)計(jì)采用DC-DC芯片NCP500SN33G獲得穩(wěn)定的3．3V，該電壓適用于SOC工作電壓。采用TPS61040將3．6V自舉到適用于各類傳感器工作的12V電壓。其電路圖分別如圖4、圖5所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
采集端傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集植物各項(xiàng)生理信息并組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)。本設(shè)計(jì)采用IAR集成開發(fā)環(huán)境自底向上構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。為了節(jié)省電量，采用的傳感器節(jié)點(diǎn)一般處于低功耗模式，直到收到上位機(jī)命令后才將對應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)。為了提高效率，上位機(jī)可設(shè)置每隔一段時(shí)間后對傳感器發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令。另外，還采用了中值平均濾波算法來消除個(gè)別傳感器系統(tǒng)內(nèi)部的隨機(jī)干擾，提高了傳感器的測量精度。
3．2嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)是建立在Linuxredhatlinux操作系統(tǒng)上的，該操作系統(tǒng)具有多任務(wù)操作進(jìn)程、支持硬件廣泛、程序模塊化、源代碼公開等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。使用IAR集成開發(fā)環(huán)境來建立嵌入式網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程檢測管理中心的網(wǎng)絡(luò)連接。
3．3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用LabVIEW平臺編寫上位機(jī)軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將軟件分為數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三大模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊主要是將接收到的數(shù)據(jù)和分析后的結(jié)果顯示在上位機(jī)的前面板上。數(shù)據(jù)分析模塊主要是根據(jù)所要檢測植物參數(shù)的不同選擇合適的分析和處理方法。本系統(tǒng)分析模塊實(shí)現(xiàn)的功能是:當(dāng)測量數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)時(shí)指示燈顯示綠色，表示植物長勢正常。當(dāng)某一參數(shù)超出或者低于正常范圍時(shí)，其對應(yīng)的指示燈顯示紅色報(bào)警。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，由于LabVIEW不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，因此，采用SQL語言來完成對數(shù)據(jù)庫的訪問。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為了對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能各方面進(jìn)行驗(yàn)證，在29℃的溫室環(huán)境下選擇了4株番茄做為測試對象，4株番茄均勻分布于250mm×250mm的測試區(qū)域，將協(xié)調(diào)器放置在溫室的中心區(qū)域從而組建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每株番茄同時(shí)采集莖流、葉綠素含量、番茄果實(shí)的直徑等生理參數(shù)并將參數(shù)發(fā)送到上位機(jī)顯示界面，采集間隔為2h，總檢測時(shí)間為24h。
5結(jié)論
系統(tǒng)概述
待檢測車輛需要經(jīng)過檢測通道，如圖1所示。將紅外攝像頭放置于通道中間，獲得車底部熱感應(yīng)圖像。為了獲取較廣的視角以及較小形變的圖像，紅外攝像頭安放的仰角為40°。由于監(jiān)控室與檢測通道的距離較遠(yuǎn)，且通道數(shù)較多，因此需要通過光端機(jī)將所獲取的視頻傳輸給監(jiān)控室控制臺PC機(jī)。檢測軟件根據(jù)本文提出的檢測算法對捕獲到的圖像進(jìn)行分析，若判斷車輛底部藏人則向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，以便其通過控制安全桿做出相應(yīng)攔截措施。視頻傳輸示意圖，如圖2所示。
軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采取的基本實(shí)現(xiàn)策略是先定位后檢測。首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)車輛檢測，其次根據(jù)車輛的自身特征，定位可疑目標(biāo)在車輛底部可能的藏匿部位。當(dāng)區(qū)域定位完成后，對該區(qū)域進(jìn)行感興趣區(qū)域（RegionOfInterest，ROI）的選取。最后對ROI進(jìn)行檢測，判斷是否藏人。檢測系統(tǒng)流程圖如圖3所示。通過對車輛的掃描檢測過程，查出藏匿于車底的可疑目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測。
1圖像去噪
圖像去噪是圖像預(yù)處理的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是整個(gè)圖像預(yù)處理中的關(guān)鍵一步。在對運(yùn)動(dòng)車輛定位的過程中，針對車輛與環(huán)境對比度大、信息豐富，受噪聲影響較小等特點(diǎn)，只需對圖像采用常規(guī)的均值濾波進(jìn)行處理。而在檢測目標(biāo)時(shí)，為了在去除噪聲的同時(shí)，最大程度的保存目標(biāo)的邊緣信息，采用了基于開關(guān)控制的組合濾波。濾波器的基本思路是將圖像劃分為三類區(qū)域：孤立噪聲點(diǎn)區(qū)、平坦區(qū)和邊緣信息區(qū)。其主要處理原則為：孤立噪聲點(diǎn)區(qū)的灰度與其鄰域往往有較大的差異，可按照椒鹽噪聲進(jìn)行處理，選用中值濾波器；平坦區(qū)往往包含高斯噪聲，可采用加權(quán)均值濾波器加以消除；邊緣信息區(qū)包含了圖像的細(xì)節(jié)信息，應(yīng)作為保留區(qū)域不做處理。將處理后的三個(gè)區(qū)域加以合成，即得到了去噪后的圖像。
濾波器性能的關(guān)鍵在于分類開關(guān)的設(shè)計(jì)，借用順序統(tǒng)計(jì)濾波的思路，將濾波器設(shè)計(jì)成N×N的掩模算子，N為奇數(shù)，使該掩模在整個(gè)圖像上滑動(dòng)，對它所覆蓋的圖像中的像素點(diǎn)xi進(jìn)行排序，得到序列x（1），x（2）……x（N^2），利用排序結(jié)果設(shè)計(jì)下面的分類規(guī)則：a、b為排序后的位置偏移量，Ta和Tb為閾值?；陂_關(guān)控制的組合濾波算法就包括這么幾個(gè)步驟：（1）對掩模覆蓋的圖像像素點(diǎn)進(jìn)行排序；（2）利用分類規(guī)則進(jìn)行三個(gè)區(qū)域劃分；（3）對孤立噪聲點(diǎn)區(qū)進(jìn)行中值濾波，對平坦區(qū)進(jìn)行均值濾波；（4）將處理后的區(qū)域合成，得到去噪圖像。
2車輛檢測及目標(biāo)區(qū)域的定位
2.1運(yùn)動(dòng)車輛檢測
對于實(shí)時(shí)性要求較高的場合，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測一般用背景差分法和幀間差分法。背景差分法是利用序列中當(dāng)前幀圖像與背景圖像的差分來消除背景、提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域的一種技術(shù)。背景差分法可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定差分閾值，所得到的結(jié)果直接反映了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大小、形狀和位置，可以得到比較精確的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，但該方法應(yīng)用于紅外目標(biāo)檢測時(shí)易受環(huán)境溫度、天氣等外界條件變化的影響。幀間差分法是利用視頻序列中連續(xù)的兩幀或多幀圖像的差異來檢測和提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該方法對場景的變化不太敏感，適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定性好。不足之處是：1）無法抽取完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，僅能得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的邊界；2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取效果依賴于幀間時(shí)間間隔的合理選擇。本文針對待檢測目標(biāo)所處背景在短時(shí)間內(nèi)為靜態(tài)背景，而較長時(shí)間內(nèi)背景會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，并結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出改進(jìn)的背景差分法。算法原理圖如下：其中F(K)為當(dāng)前幀，B為通過隔幀幀差法求得的當(dāng)前背景圖像，D為差分結(jié)果圖，R為二值化圖像。
該算法繼承了幀間差分法對場景變化不太敏感的優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確更新背景差分法所需要的當(dāng)前背景圖，進(jìn)而提取出完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。下面是采用基本背景差分法和改進(jìn)后背景差分法，在不同時(shí)候背景更新保存的背景圖片?；颈尘安罘址ㄔ谙到y(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行之后，會(huì)出現(xiàn)背景更新出錯(cuò)，檢測流程紊亂，從而產(chǎn)生檢測系統(tǒng)失效現(xiàn)象。而采用改進(jìn)的背景差分法，即使是經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，系統(tǒng)也能確保背景更新的準(zhǔn)確。
2.2目標(biāo)區(qū)域定位
由于運(yùn)動(dòng)車輛特性已知，在其運(yùn)動(dòng)的過程中，可以通過對目標(biāo)局部圖像進(jìn)行特征提取，定位可疑區(qū)域。目標(biāo)的一般特征包括點(diǎn)、邊緣、區(qū)域和輪廓。點(diǎn)特征對圖像的分辨率、旋轉(zhuǎn)、平移、光照變化等有很好的適應(yīng)性，常用的點(diǎn)特征描述算子如SIFT、SURF等都具有很高的精度，但這些算法復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)時(shí)檢測的要求，并且紅外圖像特征點(diǎn)往往較少，采用點(diǎn)描述算子并不能達(dá)到令人滿意的效果。因此本文根據(jù)實(shí)際目標(biāo)的特性，采用了對線、面特征進(jìn)行描述的方法來標(biāo)注運(yùn)動(dòng)車輛。運(yùn)動(dòng)的車輛受車底傳動(dòng)抽、燃燒室以及空間限制，目標(biāo)一般躲藏于車廂后輪位置。
為了準(zhǔn)確定位目標(biāo)區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域進(jìn)入視場之前的運(yùn)動(dòng)車輛局部特征需要重點(diǎn)描述。車廂底部進(jìn)入攝像頭視場時(shí)如圖6(a)所示。為了提取車輛的直線特征，需要對車底圖像進(jìn)行邊緣提取。常見的邊緣檢測算子有：Laplace、Sobel以及Canny等。由于Laplace算子常常會(huì)產(chǎn)生雙邊界，而Sobel算子又往往會(huì)形成不閉合區(qū)域，對后面直線檢測都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
Canny算子克服了上述算子的缺陷，能夠盡可能多的標(biāo)識出圖像中的實(shí)際邊緣，并且能夠?qū)⑤^小的間斷點(diǎn)進(jìn)行連接，因此能夠形成較為完整的邊界線。Canny算子是最優(yōu)的階梯型邊緣檢測算法，本文采用選用Canny算子進(jìn)行圖像的邊緣檢測。邊緣檢測結(jié)果如圖6(b)所示，較為明顯且具有特征不變性的為直線邊緣。當(dāng)可能藏人的區(qū)域進(jìn)入攝像頭視場時(shí)，車底圖像的直線特征隨之消失（如圖6(c)），因此可以利用圖像的直線特征來定位后輪檢測區(qū)域。Hough變換檢測直線是較為理想的直線檢測方法，由PaulHough于1962年提出。經(jīng)過Hough變換后，根據(jù)已知的目標(biāo)直線位置、角度、長度，選取符合條件的直線。圖6(b)、(c)中白色粗線為所檢測出的目標(biāo)直線。
受環(huán)境因素的影響，車底直線特征可能并不明顯，因此單一的直線特征提取難以滿足檢測精度要求，如圖7所示情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車底面特征不易受到周圍環(huán)境、溫度的影響，因此可以進(jìn)行面特征提取。選定區(qū)域?yàn)閳D6(b)中虛線框內(nèi)，滿足要求的特征為梯度小于一定閾值，即具有平滑特征，判斷方法是計(jì)數(shù)虛線框內(nèi)邊緣點(diǎn)數(shù)，判斷其是否小于給定閾值。采用Sobel內(nèi)核計(jì)算圖像差分其中src為輸入圖像，dst為輸出圖像，xorder為x方向的差分階數(shù)，yorder為y方向的差分階數(shù)。
由于當(dāng)車底藏人時(shí)，其進(jìn)入攝像頭視場會(huì)阻斷車底原有的平滑特征如圖6(d)，因此當(dāng)平滑特征消失時(shí)，這時(shí)判斷是否符合定位位置特征，若符合即可進(jìn)行定位檢測；若車底沒有藏人時(shí)，車底平滑特征會(huì)持續(xù)到車尾部位才結(jié)束，這時(shí)只需判斷到達(dá)車尾就可以結(jié)束檢測流程。
實(shí)驗(yàn)表明，基于這種車箱底部中間區(qū)域光滑特征去定位檢測對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，而基于兩側(cè)直線特征定位的方法又能夠比較準(zhǔn)確的定位到目標(biāo)區(qū)域。綜合上述兩種思路，設(shè)計(jì)出的定位流程如下圖8所示：應(yīng)用中是否滿足直線以及平滑特征是通過檢測連續(xù)多幀圖像來實(shí)現(xiàn)的，這樣可以盡量減少偶然因素導(dǎo)致的定位失敗。
3藏人的檢測
3.1基于高亮度特征的ROI的選取
如圖9為定位之后的待檢測目標(biāo)圖。為了排除車底本身熱源的干擾（如車輪）縮小檢測范圍，必須對原圖進(jìn)行ROI的選取。行進(jìn)過程中的車輪一般在紅外圖像中會(huì)呈現(xiàn)高亮度特征?；诖颂卣鳎瑥膱D片左右兩側(cè)分別搜索列像素平均灰度值最高的部分（最可能為車輪內(nèi)鋼圈），加上一定偏移量即可求出ROI左邊界位置（PositionofLeft，PL）。ROI下邊界線也采用同樣的方法，上邊界采用默認(rèn)值。當(dāng)車輪不明顯時(shí)采用默認(rèn)感興趣區(qū)域即可下面圖9為采用固定ROI選取和基于高亮度特征的ROI提取結(jié)果對比。實(shí)驗(yàn)表明，這種基于具體特征的感興趣區(qū)域提取方法，對于車輪出現(xiàn)的偏差具有良好的適應(yīng)性，即使車輛行駛時(shí)發(fā)生較大的偏移也能做出正確的ROI選取。
3.2目標(biāo)的檢測
對于已知形狀、外貌以及姿態(tài)等特征目標(biāo)檢測采用特征匹配、直方圖反向投影等方法都能取得較為理想的效果。但對于躲藏姿勢未知并且本身形狀較為模糊的紅外目標(biāo)，采用匹配的方式效果并不明顯。
紅外目標(biāo)與目標(biāo)區(qū)域的周圍存在一定的灰度差異，改變了原有區(qū)域梯度小、較為平滑的特征。針對這種改變采用評價(jià)函數(shù)f(x,y)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行評估，若達(dá)到一定的閾值，即可預(yù)判車底藏人。評價(jià)函數(shù)依據(jù)不同區(qū)域可疑信息權(quán)重不一樣而選定(ROI內(nèi)中間部位權(quán)重較高、四周權(quán)重較低)，表示如下其中T為警戒閾值，Warnflag為預(yù)警標(biāo)志。具體檢測步驟如下：
1)對原圖的感興趣區(qū)域進(jìn)行組合濾波處理；
2)對感興趣區(qū)域進(jìn)行邊緣梯度檢測(圖10)；
3)采用評價(jià)函數(shù)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行評分并判斷是否超過給定閾值；
4)重復(fù)步驟1-3，若連續(xù)三幀超出閾值則發(fā)出報(bào)警指令，否則表示無人。對應(yīng)的報(bào)警截圖如圖11所示
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及算法的可靠性，在不同的貨檢口岸、時(shí)間段、天氣條件進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果如下。結(jié)果表明，在不同月份檢測誤報(bào)率十分低，漏報(bào)率也能滿足相應(yīng)指標(biāo)。設(shè)計(jì)出的車底藏人自動(dòng)檢測系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，說明了這套檢測系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。軟件界面如圖12所示。
關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目橋梁
20世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動(dòng)了大距度橋梁的發(fā)展；同時(shí)，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。
一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況
1．監(jiān)測系統(tǒng)
80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。
從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運(yùn)行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點(diǎn)：
（1）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；
（2）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風(fēng)、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時(shí)，試圖通過橋梁在正常車輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)；
（3）在通車運(yùn)營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；
（4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
這些特點(diǎn)使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動(dòng)控制裝置[4]等）。
2．理論研究
十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的深入研究和運(yùn)用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動(dòng)測量值的整體性評估方法研究的另一個(gè)原因是，結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可以在橋梁運(yùn)營過程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此這一方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的潛力。
結(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為模式識別法、系統(tǒng)識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類【1】。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力響應(yīng)的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入實(shí)用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。
另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評價(jià)。
二、橋梁健康監(jiān)測新概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：
·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；
·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；
·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；
·大橋所處環(huán)境條件；等等。
與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。
然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動(dòng)臺模擬試驗(yàn)預(yù)測橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺試驗(yàn)時(shí)對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實(shí)現(xiàn)橋?quot;虛擬設(shè)計(jì)"的基礎(chǔ)。
還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室"。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有許多問題需要研究。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。
綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。
三、健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
兩座大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置情況可以看出，兩個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目與規(guī)模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主要是因?yàn)閷Ω鞅O(jiān)測系統(tǒng)的投資額和（或）建立各個(gè)系統(tǒng)的目的（或者說是對系統(tǒng)的功能要求）不同。因此，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上有意或無意地遵循著某些準(zhǔn)則。
顯然，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評估，或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，甚至以研究發(fā)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。
根據(jù)功能要求和成本一效益分析可以將監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此，功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。
2．監(jiān)測項(xiàng)目
不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項(xiàng)目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估出發(fā)的，個(gè)別也兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證甚至部分監(jiān)測項(xiàng)目以橋梁問題的研究為目的[5]。文獻(xiàn)［12］通過對國內(nèi)多座運(yùn)營中的斜拉橋進(jìn)行大量病害調(diào)查與檢測分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監(jiān)控與評估的頗具代表性的監(jiān)測項(xiàng)目。
如果監(jiān)測系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應(yīng)預(yù)測。另外，在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。
目前，某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項(xiàng)目是專為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項(xiàng)目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進(jìn)行深入研究或論證。
·抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。
·抗震方面：包括研究各種場地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過對墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復(fù)力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。
·結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評估方法非常重要。
·結(jié)構(gòu)局部問題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機(jī)制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。
·耐久性問題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。
·基礎(chǔ)：大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)計(jì)問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計(jì)算方法不很合理。借助大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題，也是設(shè)計(jì)部門的需要。
四、小結(jié)
（1）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。
（2）大型橋梁健康監(jiān)測三方面的意義反映了從事橋梁維護(hù)管理、設(shè)計(jì)咨詢和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問題。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以功能要求和效益－成本分析為基本準(zhǔn)則。此外，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過布點(diǎn)優(yōu)化分析，并且考慮到系統(tǒng)實(shí)施中的非常重要的通信問題。
