分布式监测技术

分布式监测技术（精选11篇）

分布式监测技术 第1篇

随着社会的发展与进步, 安全监测与防范问题越来越受到人们的重视。近年来, 各种恐怖活动层出不穷, 各种入侵手段也日益升级, 因此社会对性价比高、稳定可靠的新一代周界安防系统有着迫切的需求。传统的安防监控系统主要是视频监控系统及保安人员定期巡检, 由于摄像机照射范围的局限性及人力巡检的固有缺点, 企业迫切需要一种更加智能化的安防监控系统。这种系统要求实现智能在线监测, 实现对人员非法入侵的报警和监视。杜绝人员通过非正规渠道进入工作区域, 全方位保护站场, 不留死角。

系统设计在区域四周安装探测光缆, 通过敷设传感光缆, 实时感应周围压力、振动等情况, 对人员非法入侵进行报警, 并能与视频监控系统及声光报警器联动, 在有入侵时自动触发声光报警器。随后系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。

2 分布式光纤振动探测系统研究

光纤振动探测系统是一款基于OTDR原理的分布式光纤振动探测系统, 通过光时域反射技术做到精确定位, 结合后端数据分析处理模块, 实现对振动声音的有效监测。具有智能模式识别, 有效降低误报, 具有TPI事件识别, 可以识别人工挖掘、人工活动、大型机械挖掘、大型机械或车辆的运动、断纤等事件。

光脉冲在光纤中传播时, 由于瑞利散射而发生能量损耗, 通过监测后向散射光强度, 就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。

OTDR (光时域反射计) 是测量光纤传输链路特性的仪器, 依据测量信号的不同, 可分为利用后向瑞利散射的传感技术, 利用拉曼效应的传感技术和利用布里渊效应的传感技术。其中基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。而基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上所能达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 因此这种技术在目前得到了广泛的关注与研究。OTDR原理如下图所示:

OTDR本身具有分布式测量的特点, 但用于分布式传感时, 灵敏度却很低。在OTDR基础上发展了基于相位的光时域反射C-OTDR技术、基于布里渊散射的B-OTDR技术等。其中基于布里渊散B-OTDR技术的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 但是使用该技术时, 数据处理非常复杂。基于C-OTDR的分布式光纤传感系统不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点, 而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理电路相对简单等优点, 适合于对大范围、长距离进行实时监测。

分布式光纤振动探测系统基于C-OTDR传感原理, 采用超窄脉冲光作为种子源, 注入光纤中的光是高度相干的, 输出为脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。系统采集光纤中的后向瑞利散射光。当光纤链路中有扰动发生时, 系统所采集的后向瑞利散射光的折射率发生改变, 导致在该位置处光相位发生变化, 从而导致散射光光强的变化。系统通过实时检测光强, 将前后两个信号光强进行对比。当光强有变化时, 通过计算强度发生变化的反射时间来判断发生变化的扰动位置。根据入射信号与其返回信号的时间差, 利用布里渊散射的分布式光纤传感器模型公式就可计算出上述事件点与C-OTDR的距离:

式中c为光在真空中的速度, n为光纤纤芯的有效折射率, T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。如下图所示:

分布式光纤振动探测系统分布式光纤振动传感器可以在光纤链路中精准定位发生扰动 (扰动主要来自声音和振动) 的地点, 从而定位入侵者。

3 应用研究

本文涉及的周界安防, 主要需求是保护一段防线不受入侵破坏。该系统同时可以与已有的视频监测系统进行联动。当发生报警时, 系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。

3.1 系统方案图

探测光缆可采取环回布置, 主机采用如下接线方式。

采用光纤入侵预警监测系统对边防线区域入侵情况进行监测, 系统采用光纤振动传感技术, 通过无源的光纤传感器实现长距离入侵监测、无人值守等功能。采用的光纤入侵预警监测系统单台主机探测距离可达40km, 将探测光缆敷设在边防线铁丝围网内侧 (或采用地埋施工方式敷设) , 利用多台主机共同监测可使边防线区域形成一个封闭的保护区域, 防止非法进入保护区域。

3.2 分布式光纤周界安防系统系统接入

分布式光纤周界安防系统获取信息有三个流程: (1) 事件发生:由探测光缆感知事件的发生; (2) 信息获取:监控主机获取事件详情; (3) 信息输送:监控主机通过自带网络接口传输信息并报警。

分布式光纤侦测系统主机具备多种通信接口, 可以将监测数据、报警信息等接入多个系统或报警设备中。本系统中通过RJ45以太网口将监测数据、报警数据集成至上位软件平台。一旦发生报警, 上位软件平台界面上将弹出报警画面, 精确定位报警位置, 供管理人员采取措施。

3.3 周界安防系统与视频、声光报警器的联动

周界安防系统是由前端信息采集、中间信息传输、监控中心信息处理以及视频、声光联动等组成, 具有威慑、阻挡、预警、报警四重功能。当入侵行为触发报警时, 系统立即联动相应区域声光警报设备, 发出声光, 对入侵者进行恐吓, 并立即联动相应区域摄像机预置位, 通过视频调出的视频图像, 值班人员可迅速直观地看到现场的实际情况。与此同时, 监控中心报警系统会发送音频信号至值班人员, 提醒复核和处理, 且系统能自动记录警情及自动转发报警, 为警情核实及警后处理提供切实可靠的数据资料。

摘要：本文主要阐述分布式光纤安全监测技术的研究与设计。

监测分布式拒绝服务 第2篇

DDoS工具产生的网络通讯信息有两种：控制信息通讯(在DDoS客户端与服务器端之间)和攻击时的网络通讯(在DDoS服务器端与目标主机之间)。

根据以下异常现象在网络入侵监测系统建立相应规则，能够较准确地监测出DDoS攻击。

异常现象0：虽然这不是真正的“DDoS”通讯，但却能够用来确定DDoS攻击的来源。根据分析，攻击者在进行DDoS攻击前总要解析目标的主机名。BIND域名服务器能够记录这些请求。由于每台攻击服务器在进行一个攻击前会发出PTR反向查询请求，也就是说在DDoS攻击前域名服务器会接收到大量的反向解析目标IP主机名的PTR查询请求。

异常现象1：当DDoS攻击一个站点时，会出现明显超出该网络正常工作时的极限通讯流量的现象。现在的技术能够分别对不同的源地址计算出对应的极限值。当明显超出此极限值时就表明存在DDoS攻击的通讯。因此可以在主干路由器端建立ACL访问控制规则以监测和过滤这些通讯。

异常现象2：特大型的ICP和UDP数据包。正常的UDP会话一般都使用小的UDP包，通常有效数据内容不超过10字节。正常的ICMP消息也不会超过64到128字节，

那些大小明显大得多的数据包很有可能就是控制信息通讯用的，主要含有加密后的目标地址和一些命令选项。一旦捕获到(没有经过伪造的)控制信息通讯，DDoS服务器的位置就无所遁形了，因为控制信息通讯数据包的目标地址是没有伪造的。

异常现象3：不属于正常连接通讯的TCP和UDP数据包。最隐蔽的DDoS工具随机使用多种通讯协议(包括基于连接的协议)通过基于无连接通道发送数据。优秀的防火墙和路由规则能够发现这些数据包。另外，那些连接到高于1024而且不属于常用网络服务的目标端口的数据包也是非常值得怀疑的。

异常现象4：数据段内容只包含文字和数字字符(例如，没有空格、标点和控制字符)的数据包。这往往是数据经过BASE64编码后而只会含有base64字符集字符的特征。TFN2K发送的控制信息数据包就是这种类型的数据包。TFN2K(及其变种)的特征模式是在数据段中有一串A字符(AAA)，这是经过调整数据段大小和加密算法后的结果。如果没有使用BASE64编码，对于使用了加密算法数据包，这个连续的字符就是“Θ”。

分布式监测技术 第3篇

关键词：分布式光纤；地面沉降；监测技术

1引言：近几十年来，地面沉降在不同程度上席卷全国各地，不均匀沉降导致地面开裂、建筑物的倾斜、地下人工管道的错位等现象时有发生，严重影响着基础工程建设和人类正常生活活动的开展。比如：上海自20世纪20年代至21世纪初，由于地下水的开采导致地面沉降，其沉降量最大可达2.6米，直接或间接造成严重的经济损失[1]；危地马拉受飓风“阿加莎”的袭击，造成地面塌陷形成厚60米、宽30米的巨坑。

目前，对于地面沉降的监测手段历经水准测量、三角高程测量、数字摄影测量、GPS方法、InSAR技術和光纤监测等，日益趋向具有精确化、自动化、操作简便、可连续性监测等特点的监测技术，分布式光纤监测在地面沉降中具有相当大的发展空间。

2地面沉降机理

地面沉降亦称为地面塌陷，总体表现为松散土体的压缩固结、地下天然溶洞或人工洞室的坍塌、沿海地区可能造成海水入侵现象等。地面沉降的影响因素按其形成方式分类，大致可分为自然因素和人为因素。其中，自然因素：黄土的湿陷性、构造运动、溶洞的塌陷等，人为因素：地下水的开采、固体矿床的开采、地下施工等。我国引起地面沉降最主要的因素则是地下水的开采[2]。

地下水的开采使土体中的水分减少，孔隙水压力降低致使土体骨架所受的有效应力增大，引起地面沉降。由太沙基有效应力原理可得：

由此可见，开采地下水引起地面沉降的本质是土体骨架所受的有效应力增大，容易超过土体的前期固结应力，随着时间的推移，土体便会产生压缩、固结。

地面沉降还具有累积效应、不可逆性，发生沉降的区域主要为弱透水层，含水层的沉降量相对较少。根据累积效应，用分层总和法可表示为：

3分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术根据其散射原理，大致可分为五类，分别有：拉曼散射技术（ROTDR）、光时域散射技术（OTDR）、自发布里渊散射技术（BOTDR）、受激布里渊时域分析技术（BOTDA）、受激布里渊频域分析技术（BOFDA），主要是通过射入光纤的脉冲光与光纤中的声学声子相互作用，产生布里渊散射，利用布里渊散射光频率的漂移量与出光纤的温度及其应变量之间的关系，根据漂移量与温度、应变之间良好的线性关系，计算出地面的沉降量。

4分布式光纤监测应用

分布式光纤传感器因自身体积小、操作简便、适用性强、精确度高、可远程监控等特点，常应用于各类工程检测中，如：边坡工程、滑坡监测和海堤沉降监测等[3][4][5]。

随着地面沉降监测的高要求，规模大、环境差异大、连续性监测、检测精度要求高等，具有成本低、长距离、分布式、抗干扰、敏感性高等特点的分布式光纤在地面沉降检测中应用愈加广范和重要。例如，2013年阜阳采用分布式光纤检测技术对阜阳地面沉降情况进行连续性检测，可靠的得出该地主要变形深度范围[6]；卢毅等人运用BPTDA技术，通过气囊法模型试验模拟地面变形，造成不均匀沉降，探索出分布式光纤检测技术可检测不同条件下的地面沉降及其施工工艺[7]等。

分布式光纤检测技术随着该技术的发展和创新，将会不断地突破自身的缺陷，更有效地应用于地面沉降检测中。

5结论

（1）联系分布式光纤技术与地面沉降，分析出分布式光纤检测在地面沉降检测中的优越性。

（2）预测分布式光纤技术在地面沉降中的可发展性和可持续性。

参考文献

[1]张维然，段正梁等.上海市地面沉降特征及对社会经济发展的危害[J]. 同济大学学报，2002，30（9）：1129-1151

[2]沈水龙，许烨霜.地下水开采引起的地面沉降的机理及其预测方法的现状与未来[J].第二届全球华人岩土工程论坛论文集，2005，8：179-185

[3] 隋海波，施斌等.边坡工程分布式光纤监测技术研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27（9）：3725-3731

[4] 刘杰，施赋等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J]. 岩土力学，2006，27（7）1224-1228

[5] 史彦新，张青，孟宪玮.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2008，38（5）820-824

[6]魏坤.分布式光纤监测在阜阳地面沉降监测中的应用[J].安徽地质，2016，6（2）135-137

[7]卢毅，施斌等.地面变形分布式光纤监测模型试验研究[J].工程地质学报2015，23（5）896-901

分布式监测技术 第4篇

关键词：路基塌陷,分布式光纤振动技术,塌陷监测

随着我国经济的快速稳定增长, 铁路建设, 特别是高铁建设, 正以前所未有的速度发展。目前, 我国铁路营业里程已达11.2万km, 位居世界第一。2014年我国完成铁路建设投资8 088亿元, 新线投产8 427 km, 包括兰新高铁、贵广高铁、南广高铁、沪昆高铁长怀段等一批重大工程项目。这些在建或既有铁路不可避免的穿越岩溶发育区域, 在环境和外部荷载等动静载耦合作用下, 铁路路基因岩溶土洞的存在易发生塌陷等灾难性事故。例如, 1999年—2006年期间浙赣线路基施工期间和通车运营初期先后多次发生岩溶塌陷;2001年武汉市江夏区乌龙泉京沪铁路K1241+070段路基发生岩溶塌陷。岩溶土洞塌陷已经成为影响铁路行车安全最重要的灾害之一。因此, 科学评价铁路路基安全状态是路基工程一个亟待解决的问题[1]。常规监测/检测手段如地表监测技术 (GPS) 、探地雷达法 (GPR) 、合成孔径雷达 (In SAR) 干涉测量法、基于岩溶管道裂隙水 (气) 压力监测的触发因素监测法、高密度电阻率法、浅层地震反射法、钻孔电磁波法 (CT) 、声波透射法等[2,3,4,5]存在检测周期长、容易漏检或漏监的缺陷。分布式光纤振动传感技术可以有效探测施加其上振动信号, 目前已经在周界安防等工程中得到了很好应用。岩溶土洞在发育扩展过程中, 土洞内部的坍塌也会产生振动, 通过对振动信号的采集, 可以对土洞发展及塌陷进行及时监测。本文主要提出采用分布式光纤振动测试技术构建分布式路基塌陷监测系统, 利用该系统采集土洞塌陷引起的振动信息, 为路基安全评估提供行之有效的在线监测方法。

1 分布式光纤振动传感原理

分布式光纤振动监控系统利用光的干涉现象, 当由声音或物体振动产生的压力施加于传感光缆时, 由于弹光效应导致传感光缆的长度和折射率发生变化, 从而引起传感光缆中传输光的相位改变。通过光干涉仪, 将光相位的改变转换为光强度的变化, 从而实现信号的解调。以普通通讯光缆本身作为传感设备, 可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动情况和应变, 空间采样间隔仅1 m, 检测周期可达秒级。

2 分布式光纤路基塌陷监测集成系统及工程示范

图1为分布式光纤路基塌陷监测集成系统示意图, 主要包括分布式光纤振动系统、多芯信号传输光缆、分布式光纤振动传感器以及路基结构。其中分布式光纤振动系统测试路基塌陷过程中产生的振动信息。路基用的传感器分层布设, 分布式振动传感器布设在靠近岩溶土洞的上部位置, 便于实时采集岩溶土洞演化过程 (产生→扩展→塌陷) 产生的振动信号。各个传感器通过多芯光缆连接, 然后同光纤振动系统集成构建路基测试网络系统。

图2为某高铁路基结构塌陷试验现场施工图, 传感器沿路基方向布设。图3为150 m处路基塌陷振动信号图, 图中光纤振动传感器可有效监测路基塌陷引起的振动信息并对塌陷位置进行定位。

3 结语

基于分布式光纤振动测试技术构建了路基塌陷分布式光纤监测集成系统, 并在某高铁路基工程中进行了路基土洞塌陷现场模型试验。试验结果表明该集成监测系统可以有效获取路基土洞塌陷引起的振动信息, 并能实现较高精度的塌陷区域定位。

参考文献

[1]乔志华.道路工程软土路基变形监测及常见问题分析[J].山西建筑, 2014, 40 (14) :181-182.

[2]何禹, 李永涛, 朱亚军.钻孔电磁波CT技术在设备岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报, 2010, 7 (4) :451-455.

[3]李嘉, 郭成超, 王复明, 等.探地雷达应用概述[J].地球物理学进展, 2007, 22 (2) :629-637.

[4]张栓宏, 纪占胜.合成孔径雷达干涉测量In SAR在地面形变监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报, 2004, 15 (1) :112-117.

分布式监测技术 第5篇

根据相应的规定得知，在分布式发电技术并入智能电网技术的过程当中，首先需要了解分布式发电技术的分布状况以及负荷增长的程度，之后以此为依据对分布式发电技术在智能电网技术当中的接入位置、接入容量进行适当调整。调整中需要依照相应的标准来开展工作，标准可以依照IEEEP1574内容来进行选择，本文对IEEEP1574进行了解之后确认，其标准适用于所有低于10MVA的分布式电源入网。

3.2分布式发电技术并入智能电网控制方法

分布式发电技术并入智能电网之后会发生一系列的问题，针对问题的特性进行分析可见，其大多数问题都存在难以控制的特性，因此为了保障分布式发电技术在智能电网当中的合理运作，需要采用相应的控制方法。本文主要介绍了电力电子技术、功率管理系统两种控制方法，具体如下文所述：(1)电力电子技术。在电力电子技术领域中，一种即插即用的技术受到了广大用户的青睐，本文通过前人研究了解到，此项技术能够对分布式发电技术与智能电网并行进行有效控制，控制侧重点在于协调性控制、能量控制。应用当中，首先采用电力电子耦合技术构建并行电路，此电路有两个显著的功能特点：①支持接口快速转换;②限制短路电流。其次，在电力电子耦合并行电路当中，可以始终保持短路电流低于额定电流200%，以此维持电路的稳定性。此外，虽然此项技术的性能良好，但同样存在一个“致命”的缺陷，即当电力故障发生之后无法恢复系统的电压与频率，不利于配电运作。(2)功率管理系统。此管理系统主要是针对上述电力电子耦合并行电路缺陷而设定的，其中包含了许多控制模块，可以针对电力电子耦合并行电路中的无功、有功电力潮流进行控制，因此可以作为电力电子耦合并行电路的终端处理系统。通过实际应用发现，功率管理系统具备3种不同的控制模式，即电压下垂特性调整、电压调整策略制定、电力潮流因子校正，因此该管理系统的灵活性也相对较高，可以避免电压下垂特性出现偏离、电力总线合理电压维持、校正电力潮流因子实现母线无功补偿。此外，因为功率管理系统本身不具备通信功能，所以也存在一定的弊端，对此本文建议电力单位采用相应的优化方法来进行改善，例如智能电网高级故障管理系统。智能电网高级故障管理系统能够在电力发生故障时，通过通信功能使分布式供电应用转化为孤岛模式，避免了故障的扩散。

4结语

本文主要分析了分布式发电技术与智能电网技术的协同发展，分析首先对分布式发电技术进行了概述，了解了此项技术的应用面以及应用优势，之后针对分布式发电技术并入智能电网技术后产生的问题进行分析，了解了此两项技术并入的难度，最终提出了两者协同发展的方法，主要包括标准设定、控制方法两个部分。

参考文献

[1]陈丽丽.智能电网大数据处理技术现状与挑战[J].科技资讯，，15(9)：56.

分布式监测技术 第6篇

关键词：监测系统；网络终端；温湿度传感器

中图分类号： TP274；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0416-03

收稿日期：2015-04-27

基金项目：院士工作站资助项目（编号：fckt201503）；陕西省教育厅产业化培育项目（编号：14JF004）；陕西理工学院科研基金（编号：SLGKY14-06、SLGKY15-25）。

作者简介：韩团军（1981—），男，陕西乾县人，硕士，讲师，主要从事集成电路设计与分析相关研究。E-mail：htjzyh@163.com。随着汉中茶园种植朝着产业化、标准化种植方向发展，茶园环境的信息化管理水平对其质量和产量有着很大影响。因此，生产过程中实时掌握种植环境参数有着重要意义。传统的监控设备数据不能实时在网络上进行显示，用户不可以随时随地查看信息进行控制[1-3]。随着农业的迅速发展，远程实时监控农作物生长环境显得更加重要。为了达到实时监控空气质量的目的，并且能方便、快捷、高效、直观地查看监控的结果，本研究提出了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统。相比传统的监控设备，该系统是将数据发送到网络上进行显示，用户可以随时随地查看信息，进行控制。

1检测系统的设计方案

该系统是通过各个气体传感器将模拟当地空气浓度模拟信号传到AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号，单片机接收数字信号，分析、处理再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库。服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体硬件框图如图1所示。

2硬件接口设计

2.1传感器选择

传感器对于监测系统来说就如同生物的眼睛一样重要，它决定着该系统数据的稳定性、真实性。因此，就数据的真实性﹑稳定性和价格合理性选择了技术先进、性能稳定、灵敏度

高、性价比高的MQ系列气体传感器和Sensirion公司生产的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11[4-6]。气体传感器原理是其输出电压和气体的浓度有一定的比例，输出为模拟电压值，利用ADC7888将模拟信号数字化。温湿度传感器是一个将放大和调理为一体的器件，而且输出为数字信号，避免了芯片之间转化而使信号产生误差。经过长时间的测试和厂家提供的传感器技术资料，得出这为后期的数据处理提供了优越的先天条件，而且为系统数据的稳定性、真实性提供有力的保障。

2.2GSM通信模块电路

SIM9000A模块是一个双频GPRS/GSM模块，TCP/IP协议在其内部嵌入。控制模块利用它的串口控制其工作实现该模块的收据收发。电路如图2所示。

2.3电源模块电路

电源电路要为整个系统供电，由于单片机、传感器和GPRS模块所需电流不同，系统用双电源进行供电。GPRS模块供电用MP2307设计，该器件工作电流可达3A，集成可调MOSFET，电流模式控制快速瞬态响应和逐周期电流限制。采用78M05、LM2940稳压芯片分别为传感器和AD芯片及各部分电路供电。GPRS供电具体电路如图3所示。

2.4控制电路

控制电路采用STC12C5A60S2完成傳感器数据的采集和线性处理，控制GSM模块完成信息的无线传输，最后在终端

显示实时参数（图4）。

3系统的软件设计

3.1系统的流程

系统主要由控制芯片完成环境的数据采集、分析、处理，再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库，服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体流程如图5所示。

3.2WEB服务器的设计

空气质量远程监测软件的WEB服务器最终决定使用 Apache 公司的一款免费开源的Web 应用服务器TomCat作为B/S结构的WEB服务器。ApacheTomcat服务器接收用户发来的请求并送至数据逻辑处理部分的Servlet进行处理，Servlet 则根据需要，调用JavaBean中的方法，通过JDBC技术获得数据库的数据，最后将所得到的数据再经由Tomcat、Apache 服务器和Jsp、HTML页面呈现给用户。

4实现与应用

通过硬件和软件设计，系统可以正常地监测分散地域的环境相关参量，可以很好地在用户页面上展示数据，系统稳定，页面美观大方。用户页面如图6所示，最终的设计终端如图7所示。

5结论

针对汉中茶园种植的特点，设计了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统，实现了对当地空气质量数据的实时采集，并全自动发送至网络，通过自建的服务器收到后并响应，用户可以很方便的访问和查询，该系统测量精确抗干扰能力强、性价比高，支持7×24 h不间断为用户提供信息服务，具有一定的农业应用价值。

参考文献：

[1]梅志坚，马娅婕，肖凡男. 基于 ZigBee 和 GPRS 的大气污染监测系统设计[J]. 武汉科技大学学报：自然科学版，2015（1）：63-66.

[2]郑争兵. 基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J]. 广东农业科学，2012，39（1）：158-159.

[3]李震，洪添胜，文韬，等. 基于物联网的果园实蝇监测系统的设计与实现[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2015，41（1）：89-93.

[4]唐慧强，葛黎黎，景华. 基于无线传感器网络的接地电阻检测系统[J]. 仪表技术与传感器，2015（2）：54-56，70.

[5]董玉德，于洽，金国良，等. 基于Web的蔬菜农药残留检测网络监控系统构建[J]. 农业工程学报，2008，24（5）：178-180.

分布式裂缝监测技术在桥梁上的应用 第7篇

关键词：分布式传感技术,混凝土裂缝,应变传感器,结构安全,状态评估

1 概述

近年来, 国民经济快速发展对道路交通的要求越来越高, 我国的公路桥梁建设突飞猛进, 各类桥梁拔地而起。我国的桥梁建设不论在建设数量、规模, 还是技术难度上, 都已位居世界桥梁建设强国之列。预计到2020年, 中国还将新建大中小桥梁20万座。但是桥梁结构的运营安全状态形势却日趋严峻。我国最新统计数据显示, 在70多万座公路桥梁中, 各类病桥的数量已逼近10万座, 其中危桥近2万座, 且各类恶性事故屡有发生。

因此, 需要对桥梁的健康状况做定期检查以了解桥梁的损伤程度以及剩余承载能力。既有桥梁的结构损伤检测和状态评估问题20世纪50年代就已提出并深受重视, 除大量研究文献外, 已出版有若干方法和规程。

在影响桥梁安全的多种病害中, 混凝土裂缝是桥梁中常见的病害, 其中严重的结构开裂将会对桥梁结构安全构成威胁。因此, 裂缝检测及监测一直是桥梁管理和养护中的重要任务。本文提出一种基于长标距光纤的分布式传感技术, 介绍了裂缝监测原理, 并在实验室中进行了试验验证。试验结果对长标距光纤分布式传感技术的应用具有指导意义。

2 光纤传感技术分析

光纤传感技术是在20世纪70年代随着光纤制造和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的, 是一种以光为载体, 光纤为媒介, 感知与传输外界信号为一体的高精度传感技术。光纤传感技术的类型多, 可以监测的物理量多, 包括应变、温度、变形, 以及各种化学参量等。

与传统的电信号相比, 光纤传感器具有众多独特的优势: (1) 质量轻、体积小, 普通光纤外径为250μm, 最细的传感光纤外径直径仅为35~40μm, 可在结构表面或者埋入结构体内部, 对被测结构影响小; (2) 灵敏度高, 传输频带宽, 采用波长调制技术, 分辨率可达到纳米量级; (3) 耐腐蚀, 光纤涂覆层为高分子材料, 化学性能稳定, 适合长期监测; (4) 抗电磁干扰, 光信号传输时, 不会与电磁场产生作用, 因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力较强; (5) 分布或准分布式测量, 能够用一根光纤测量空间多点或者无限自由度的参数分布; (6) 使用期限内维护费用低。

随着光纤传感技术的发展, 分布式光纤传感技术在结构裂缝检测方面的优势更加明显, 它能同时测量空间多个点的环境参数, 甚至能测量空间连续分布的环境参数。对于大型重要结构, 结构损伤的开展存在较大不确定性, 传统的“点式”传感器难以准确反映结构的损伤信息, 分布式光纤传感技术的发展应用很好地实现了土木结构的分布式监测。丁睿等[1]基于分布式光纤传感技术检测裂缝的原理, 讨论了光纤的布置方式, 并通过模型实验探讨了光衰减与裂缝宽度的关系, 获得了相应的经验公式;唐天国等[2]研究并应用了一种新型分布式光纤传感器, 埋入混凝土并与预期裂缝相交一定斜角, 当裂缝出现引起光纤局部微弯, 并诱发瑞利散射光产生衰减, 用光时域反射技术实现分布式检测;毛江鸿等[3]围绕BOTDA技术应用于结构应变和开裂监测中的关键技术, 通过理论分析和试验研究完善了分布式传感光纤在混凝土内部的布设工艺, 同时进行了分布式光纤监测结构开裂的试验研究;张少杰等[4]采用混凝土模型实验研究一种新型光纤碳涂覆光纤的传感特性, 测定了分布式光纤传感用于混凝土结构裂缝监测中的力-光本构关系和性能参数;郭宗莲等研究了可用于重大工程结构的分布式传感技术, 包括基于布里渊散射的光纤传感技术、封装长标距光纤光栅 (FBG) 技术[5]等等, 这些传感技术的特征是具有长的测量标距 (按实际需求确定) , 且可以实现大范围的分布监测, 其中长标距FBG传感技术可用于动静态精确测量, 测量精度1~2με, 适用于结构在动力荷载下的动态监测。

目前, 光纤传感器可以测量位移、震动、转角、压力、加速度、温度、湿度和应变等物理量。

普通FBG的传感栅区大约2 cm左右, 与常用的钢筋电阻应变片的尺寸相仿, 将FBG全面粘贴在结构表面, 除了传输通道为一根光纤外, 与应变片一样, 只监测了结构某些点的应变, 并不能实现分布式测量。当随机裂缝产生时, 没有与裂缝在同一位置的长标距光纤FBG有可能应变值下降, 无法实施有效的损伤识别。但是通过两个锚固点FBG可以测量它们之间的结构平均应变。在FBG长标距化之后, 通过不同方向串联传感器, 可实现结构的一维、二维和三维的分布式测量。长标距光纤光栅传感器如图1所示。

3 基于分布式光纤监测的RC梁试验

作为一种传统的结构性能的评价方法, 现场测试因为其理论简单以及较少的数据处理和信号分析, 受到人们的青睐。因此, 采用室内实验研究分布式长标距FBG监测系统在混凝土桥梁监测中的可行性很有必要。

3.1 试验准备

采用6 m长的RC梁进行静载试验, 采用四点弯曲加载, 从而验证本文监测系统的可靠性以及分布式长标距FBG监测理论对于健康监测的适用性。混凝土梁的尺寸、配筋及加载形式如图2所示。

封装好传感器分别布设于梁的受拉和受压区, 监测梁的分布应变。开槽埋入梁的底部受拉侧和受压翼缘, 其标距和具体布设情况如图3所示。梁挠度采用电测百分表 (LVDT) 进行测量。采用同类型的FBG传感器粘贴于不受力的混凝土试块上进行温度补偿, 加载过程中使用裂缝观测仪对梁的裂缝进行观测。

此外, 为了保证解调设备的正常工作, 位于同一通道内的FBG初始波长选择应留有足够的间隔, 否则, 各标距内不同步的应变变化, 有可能导致FBG中心波长的重叠, 使解调失效。一般来说一个通道内的FBG, 其初始波长间隔2 nm以上将能满足测试要求。

本次试验加载采用采用液压式千斤顶加载, 分5级加载, 第一级荷载12.5 k N, 每10 k N为一级, 至52.5 k N (80%的极限荷载) 。每级加载后, 持载1 min, 待仪表的读数基本稳定后, 记录数据。试验前进行预加载, 保证传感器与结构的协同工作后, 读取一段平稳时间FBG的初始中心波长数据, 取平均值后作为初始值保存。

3.2 监测结果分析

部分传感器的荷载-应变曲线如图4所示。从图中可以看出, 在应变较小的梁端区段曲线呈直线, 这表明梁的该区段仍然处于弹性工作阶段, 未出现损伤。传感器3在第三级荷载下应变出现了突然的增大, 表明该区段在该级荷载下可能出现了损伤。对于位于跨中最有可能最先出现裂缝的传感器6所在区段, 其应变的突变在第四级荷载下才出现, 并没有很好地探测到梁的初损伤。经过分析, 这有可能是因为液压千斤顶加载难于控制, 荷载步长又过大, 在预加载阶段, 梁就已经出现了初损伤, 而第四级荷载下的应变突变, 对应的应该是该区段出现第二次损伤。

裂缝观测仪得到的梁的裂缝开展情况如图5所示 (图中省略了未出现裂缝的单元) 。可以看出, FBG传感器探测到了所有裂缝的出现。从试验结果可以看出, 相比传统的应变片, 长标距的FBG传感器覆盖了更大的空间, 拥有更大的传感范围, 可以准确地捕捉裂缝的出现。

4 结论

混凝土裂缝是桥梁中常见的病害, 其早期发现对于保证桥梁安全具有重要意义。传统的传感器往往是点式监测, 如果测点少则无法覆盖整个结构, 测点过多又耗费巨大的成本。因此本文提出了一种基于光纤的分布式传感技术。

此外, 通过实验室内混凝土梁的试验, 对该分布式传感技术的裂缝监测方法和可靠性进行了分析, 结果表明该传感可以准确地监测到裂缝, 因此该方法对于实际桥梁的应用具有重要意义。

参考文献

[1]丁睿, 刘浩吾.分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用[J].西南交通大学学报, 2003 (6) :651-654.

[2]唐天国, 陈春华, 刘浩吾.分布式光纤传感用于大坝基座裂缝监测 (英文) [J].传感技术学报, 2007 (10) :2357-2360.

[3]毛江鸿.分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究[D].杭州:浙江大学, 2012.

[4]张少杰, 陈江, 闵兴鑫, 等.碳涂覆光纤用于分布式裂缝检测的实验研究[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2010 (4) :230-233.

分布式监测技术 第8篇

10kV开关柜的作用是接受和分配电能, 主要由母线、高压断路器开关、电抗器线圈、互感器、电力电容器、避雷器、高压熔断器、二次设备及必要的其它辅助设备组成。电气设备的隔离开关、动静触头、电缆头等连接部分, 在电流通过时因故导致温度升高, 将引起设备老化, 绝缘下降, 严重的将造成短路, 损坏设备。目前普遍采用的人工巡检方式, 是定期用红外热像仪、测温仪或示温贴片等对触头等连接部分进行离线式监视, 只能测量露在外的接点温度, 不能监测10kV开关柜内情况。本文介绍的10kV开关柜分布式实时状态监测技术可实时在线检测10kV开关柜的运行状况, 在10kV开关柜出现过热、放电等情况下, 自动在监控计算机上显示出故障的位置信息, 并可通过短信的方式将故障信息发送到相关运维人员的手机上。

1 检测传感器安装

10kV开关柜分布式实时状态监测系统主要由安装在站房内的控制器和安装在各开关柜中的不同种类检测器组成。每个开关柜内部结构分上、中、下三层。下层为电缆层, 并有母线与中层设备连接, 如图1所示, 在下层安装UHF局放传感器、温度传感器 (嵌在开关柜的内壁) 。开关柜内的传感器信号通过现场同轴或信号电缆传输到布置在站房内墙壁上的系统控制箱内, 再由控制箱内的无线通信传输系统, 转发到远方的控制中心。

1.1 超高频信号监测

当开关柜内发生局部放电时, 能激励起1GHz以上的超高频电磁信号。由于开关柜柜体为金属材料, 对外界干扰信号有一定的抑制效果, 其封闭式结构使得超高频电磁波信号在开关柜内部传播时衰减较小, 因此可方便地利用超高频传感器来接收。如图1所示, 所有传感器安装于柜体背部, 10kV开关柜对应柜后中下部, 干式变压器对应柜后下部。

1.2 地电波和超声波监测

地电波和超声波监测传感器应根据现场开关柜的情况布置, 为尽可能不影响开关柜的日常维护工作, 所有走线先走到地面再拐到柜体侧面沿柜体侧面布置。传感器安装及走线方式同图1。

1.3 温度监测

开关柜内温度过高, 对柜内设备安全运行具有一定的危险性, 会加速开关柜内设备的老化速度;过高的温度也可能是由发生故障的设备导致的。监测开关柜内的温度可及时发现设备运行环境的恶劣程度, 也可及时预防可能发生的故障。温度检测单元安装如图1所示。

2 配网设备状态监测终端系统总体结构

网络系统总体结构是基于配电生产管理系统已有的网络环境、硬件环境、经济性、实用性等条件, 规划的满足应用需求的设计方案。系统总体结构如图2所示。配网设备状态监测终端系统分为配网状态监测硬件设备和在线监测应用程序两部分。其中, 内网在线监测程序及在线监测数据库处于电力内网III区, 外网服务端程序、主站及配网监测硬件设备处于外网 (非电力内网统称外网) , 监测设备最终获取的数据必须由外网在线监测服务端传入内网在线监测数据库, 中间经过内外网信息隔离装置进行处理, 保证内、外网数据包传输的安全性和保密性。

从纵向角度分析, 系统逻辑与物理层次如图3所示, 该结构图表示了数据信息流在不同软硬件系统或存储体中的流动情况。

2.1 监控层

监控层即人机交互平台, 系统提供给用户软件应用功能均反映在各人机界面上。监控层提供的功能基本与软件功能类似, 分为GIS上界面展示与操作、IE窗口中的界面、手机等移动终端、报警设备等相关软、硬件所包含的功能。

2.2 分析层

分析层主要由后台分析引擎担任, 主要实现对数据的分析、判断、推理等功能, 是系统的核心。后台分析引擎基于GIS地理模型、设备台帐基础信息, 结合采集的局放、温度等历史数据, 推理状态发生异常的情况, 并给予预警。

2.3 收集层

收集层作为对采集层不同监测设备的统一接收平台, 承担着类似中继器的功能, 为更高层次的业务分析统一数据获取通道。通常, 收集层除数据收集、加工、处理、存储、转发外, 作为与采集层直接交互的唯一通道, 还应有对终端进行维护管理的功能职责。

2.4 采集层

采集层也称为硬件层, 包含了跟数据采集有关的所有监测终端、接收主机、DTU等与现场作业和网络传输有关的设备, 实现10kV开关设备状态的采集与传输, 为收集层提供数据来源。

2.5 系统异常预警分析

系统可设置不同季节时间段的分级预警异常值, 根据用户设置的预警条件对实时数据进行检测, 发现符合预警条件时自动报警。报警信息包括设备名称、采集点名称、报警时间、报警值、当前电压值、当前电流值、异常原因等。

报警方式有两种:一是报警提示, 发生报警时系统会自动切换到发生报警的画面, 报警点传感器闪烁提示, 可清楚观察到报警点的位置;二是短信通信方式, 即以短信方式通知运行人员, 避免了因其它原因带来的延误。

系统还可根据当前异常设备的电压、电流、局放、温度数据, 通过监测值异常专家知识库进行异常分析和推理, 从而判断出设备运行状况和异常原因, 作为处理异常的参考, 并为采取相应的对策措施提供数据支持。

报警类型有两种:一是监测值越界报警, 即提前给监测单元设定监测值, 一旦设备监测值超过该正常值就立刻报警;二是监测值变化率过大报警, 如果监测值迅速升高, 那么在变化率高于设定值时立刻报警。

3 实际应用

10kV开关柜分布式实时状态监测技术于2014年初先后应用于国网厦门供电公司蓝湾国际开闭所、海峡国际开闭所、万科湖心岛开闭所、合道开闭所等站房内, 实现了对站房中60多面10kV开关柜等主要设备运行状态的实时监测。通过收集来自分布式内嵌式传感器多维度的实时运行状态信息, 评估设备的健康状况, 及时发布状态劣化和趋势不良的设备状态预警消息, 实现了10kV开关柜分布式实时状态监测。

2015年8月27日, 系统监测并预警了10kV蓝湾国际开闭所907下柜电缆室局部放电和温度超标问题。经停电检修, 发现该柜电缆终端头绝缘缺陷及绝缘老化引起局部放电和温度升高, 有效避免了设备故障。

4 结束语

10kV开关柜分布式实时状态监测技术将超高频传感器、超声波、暂态地电压、温度等传感技术安装应用到配网10kV开关柜设备监测上, 通过配网设备状态监测终端系统实时获取并融合分析10kV开关柜设备的多维信息, 为设备状态检修提供积极的数据支持, 提高了电力系统运行的安全可靠性及自动化程度, 实现了10kV开关柜分布式实时状态监测。测试与现场运行结果表明, 该技术各项指标达到预期工作目标。

参考文献

[1]邬钢, 李进.光纤在开关柜触头温度监测中的应用[J].高电压技术, 2006 (2) :122

[2]刘景安, 张杰.电气设备温度在线监测系统[J].电网技术, 2006 (3) :98-100

[3]陈振生.智能高压开关设备的在线监测技术[J].电力设备, 2008 (3) :5-8

[4]何明科, 张佩宗, 李永丽.分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J].电力设备, 2007 (10) :30-32

分布式监测技术 第9篇

W13N块是1987年WD油田投入开发的高压低渗油藏, 由于埋藏深、储层物性差、层间非均质严重、异常高温高压, 同时该块油水井大多经过大型水力压裂, 且长期高压注水, 人工裂缝、天然裂缝及长期高压注水可能产生的微破裂比较发育, 目前开发中呈现水驱动用程度低、采出程度低、局部构造认识和注采关系不明确、开发效果差等突出问题。

因此期望通过微地震地下影像技术研究的开展, 试图发现在此期间由于注水产生的破裂位置, 以进一步解释该块的裂缝或裂缝带、水驱前缘或主要水淹区、剩余油储区及其构造等等, 从而为油藏下步注采调整和剩余油挖潜提供依据。

1 微地震地下影像技术原理

微地震地下影像技术是近年来出现的用于油气田勘探开发中的新技术, 主要是利用密集高频微地震台阵网记录到的天然或生产活动中诱发的微震事件的体波的到时信息 (T) , 来反演得到研究区三维波速 (v) 的分布, 地震波波速异常在空间上的分布往往对应于岩石或土壤成分变化在空间上的分布, 据此可以得到深层构造面的空间状态。

2 微地震地下影像技术配套关键技术应用

2.1 数据采集

从2007年3月26到2007年6月11日, 利用微地震数据采集站共23台, 在W13N块4.5Km2的范围内的19个观测点, 布设成一个小型地面观测台阵持续进行天然微地震观测 (见图1) 。每个微地震采集站均由记录仪、GPS天线、三分量检波器和其它附件组成。监测期间, 为研究破裂同注水措施的关系, 在B、C区先后实施了注水井的关闭、增注等措施。A区由于正在钻新井, 整个监测期间注水井均关闭。经过七十多天的观测, 采集到大量远震和块内微震。

2.2 数据处理

2.2.1 数据预处理

将采集到的数据利用CONVERSION软件将各台数据组合为台网数据库, 进行数据检查, 模拟触发式记录, 挑选破裂 (地震) 事件, 除去受干扰大的坏分量记录、消除固定噪音源 (抽油机的机箱响动) 的干扰等处理, 最后转换为Seg-Y数据。

2.2.2 破裂能量扫描

利用FERT微破裂能量扫描软件, 将包含各种振动源的信号记录经过射线追踪有机的迭加起来以增强振动源信号, 同时削弱随机的无用信号。具体计算过程为:

首先选择100m的粗网格, 对每一小时的数据进行扫描, 然后选择释放能量较高的时段采用12.5m的细网格进行扫描, 再将它们组合起来, 每一点均选取各时段中最高值做为此点的释放能量的代表值, 从而获得观测期间破裂释放能量的空间分布。

2.2.3 破裂定位与地震波速度反演

震源成像是微地震数据处理的首要任务, 有纵横波时差法、同型波时差法、偏振分析定位法及Geiger修正法等多种方法进行震源成像, 本项目中利用了北京京援伟达技术有限公司研发MV软件进行破裂定位, 其主要功能是确定破裂发生时刻、空间位置及震级等, 同时该软件还具有地震波速度模型反演功能, 利用射线追踪、多次迭代等方法进行地震波速度模型反演, 并可对模型施加一定的约束条件。

2.3 资料解释及成果分析

微震数据经过以上处理后就可以根据破裂释放能量与裂缝的关系, 进行裂缝、破裂解释, 分析管流、渗流水驱前缘及剩余油储带的分布, 由于目前监测时间较短, 构造解释不具有参考价值。

2.3.1 破裂能量随时间的变化及空间分布

对破裂释放能量影响最大的是B区的关增措施, 其次是地震的影响, 看不出C区的关增措施对破裂释放能量有何重要关联, 同时破裂释放能量不随白天黑夜变化。

同时从能量的空间分布上可以看出油水井周边没有高的能量显示区, 这是合理的, 因为经过长期的高压注水, 注水井周边已形成了破裂通道, 很难产生新的破裂, 即使有远处的较大地震的扰动及增注水的措施。

2.3.2 裂缝带的空间分布及与油井产量的关系

当前监测到的活动裂缝的规律是:

(1) 多呈带状或片状, 甚至网状, 主要分布在区块内部 (即井网密集区) , 在块区边界的区域则分布较少;

(2) 在区块中央井最密集的区域, 即压裂裂缝最密集的区域, 现今活动裂缝带反而相对较少;

(3) 储层内裂缝活动带的走向趋势是近北或北北东 (NE10-35°) 且近乎直立。

通过分析监测期间该块主要油井的产量, 可以发现距活动裂缝带较近的井产量较高 (见图2) , 这证明裂缝分布的解释具有较高的参考价值。

2.3.3 水驱前缘及剩余油分布

(1) 新裂缝带的边界即为水驱前缘

主要活动裂缝带轮廓并不在块区中心, 而在四周, 裂缝带的边界即为管流或高渗流水驱前缘, 裂缝带或高渗流带的边界法向, 即是注水通过渗流前进的方向。

(2) 非裂缝带内即为剩余油富集区

非裂缝带内即为剩余油储带, 除去过去已有生产井历史的地域 (包括压裂、高压注水及抽油等) 。

3 应用效果评价 (Evaluation of application effect)

通过W13N块的长期整体监测及其监测结果分析, 对该块的裂缝发育、注采关系及剩余油分布等都有了明确的认识, 在此基础上制定了该块综合调整治理方案, 主要依据裂缝发育方向调整注采井别和油水井配置关系, 根据水驱方向和范围进行卡堵水、调剖及压裂引效, 共进行各类油水井措施18次, 油藏开发效果得到了明显改善, 累计增油0.62×104t, 其中W13-605井压裂后日产油由0.5t/d上升到了8.5t/d, 累计增油1800t, 效果非常显著。

4 结论 (Results)

(1) 微地震地下影像技术通过观测、分析生产活动中天然或诱导的微小地震事件, 用于油田储层裂缝的动态成像和流体驱动监测, 为油田开发提供了一种廉价的技术手段;

(2) 该项目中裂缝分布的研究结果与用其它技术的研究结果基本吻合, 同时水驱前缘的分布与油井产量的高低也与生产实际基本相符, 说明该项目的研究结果具有一定的可靠性;

(3) 微地震地下影像技术在W13N块的成功应用, 拓宽了油藏裂缝、驱动监测思路和途径, 具有良好的推广应用前景;

(4) 进一步延长监测时间, 不但可以提高油藏裂缝、水驱前缘及剩余油分布研究的精度, 而且还可以反演地下构造, 研究断层分布。

摘要：本文介绍微地震监测技术的基本原理、数据采集和数据处理方法, 并以W13N块日常注水破裂监测为实例阐述了该项技术的关键技术及其监测过程, 描述了W13N块裂缝分布、水驱前缘及其剩余油分布规律, 其结果与生产实际比较吻合。微地震地下影像技术在W13N块的成功应用, 拓宽了油藏裂缝、驱动监测思路和途径, 具有良好的推广应用前景。

关键词：微地震,地下影像监测,W13N块,水驱前缘,剩余油分布

参考文献

[1]刘继民, 刘建中.用微地震法监测压裂裂缝转向过程[J].石油勘探与开发, 2005, 2.

[4]张山, 刘青林.微地震监测技术在油田开发中的应用[J].石油物探, 2002 (2) :226-231.

[3]冯明生, 袁士义, 许安著.高含水期剩余油分布数值模拟的平面网格划分[J].油气地质与采收率, 2008, 15 (4) :81-83.

分布式无线土壤水分监测系统 第10篇

土壤水分是农作物生长所需水分的主要供给源, 土壤水分过少时, 农作物无法充分吸收土壤中的肥料; 土壤水分含量过多时, 会导致水分渗漏, 肥料流失, 还可能对土壤造成污染。因此, 研究土壤水分监测仪器仪表有着重要的意义。

目前, 土壤水分监测仪器多数还是采用有线传输方式, 即必须在采集现场铺设大量的线缆用于传感器供电、信号传输以及数据采集, 信号线、控制线和电源线混杂在一起。系统运行时, 容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变得不稳定, 尤其是在测量点数较多或通信距离较远时, 系统的不稳定因素会变得更加严重。因此, 开发一种简单高效、准确实用的分布式无线土壤水分监测系统, 可以克服传统技术需人工看守、无法及时检测动态数据的缺点, 同时利用无线模块无需馈线连接, 其主机和从机可以随时移动, 可扩展性好。

1系统设计

分布式无线土壤水分监测系统, 包括一个上位机和多个下位机, 系统框图如图1所示。上位机包括第一微处理器、显示模块、按键模块、报警模块、存储模块和无线接收模块。其中, 显示模块、按键模块、报警模块、存储模块和无线接收模块均与第一微处理器相连。下位机包括第二微处理器、土壤水分信号检测模块、电源模块、按键模块和无线发射模块。其中, 电源模块为移动式电源, 分别于无线发射模块、土壤水分信号检测模块和第二微处理器电连接, 负责给从机系统供电; 土壤水分信号检测模块、无线发射模块和按键模块均与第二微处理器相连, 从机结构框图如图2所示。

微处理器均为单片机。多个下位机的硬件配置相同, 使用时, 将多个下位机放置在多片待测量土壤区域中, 同时将土壤水分传感器直接埋入土壤中, 多个从机通过土壤水分传感器将测量的土壤水分数据转换为数字信号送给微处理器; 微处理器将测量的所有数据传输给无线发射模块, 再激发无线发射模块将数据发送出去。主机上电后, 将无线接收模块置于接收状态, 等待从机发送数据, 当监测到从机有数据发送并且载波频率与地址匹配后, 主机无线接收模块开始接收对应从机发送的土壤水分数据, 接收到数据后处理成相应的测量结果存储在存储器中, 同时在上位机的液晶屏上显示。其按键模块可设置各测量点土壤水分的报警阈值, 当某监测点数据超标时, 系统将自动启动报警模块进行报警。

2主要硬件电路设计

2. 1无线收发模块电路

无线收发模块主要完成上位机与下位机的无线数据通讯, 采用PTR2000模块, 主机通过发送特定的从机地址与确定的多个从机进行通信, 端口连接电路图如图3所示。

PTR2000有3种工作模式: 接收模式、发射模式和待机模式, 工作模式由TXEN, CS, PWR3个引脚决定。 单片机的RXD和TXD引脚与PTR2000模块的D0和D1引脚直接相连, 实现串行数据传输; PTR2000的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连, 其中CS接电源线, 即接高电平CS = 1, PTR2000选择工作频道2, 即在434. 33MHz频段进行数传, TXEN和PWR两引脚分别与单片机P1. 0和P1. 1引脚直接相连。当系统工作时, 由单片机中运行的控制程序实时控制其工作模式 ( 接收状态、发射状态以及待机微功耗状态) 。

主机和从机之间进行无线数据传输时, 从机将测量的土壤水分数据调制成射频信号, 发送到主机, 发射模式的通信速率最高为20kbit /s, 主机接收射频信号, 将它调制成TTL信号送至单片机。应考虑数据的纠检错, 采用CRC校验方式检错。主机和从机的无线收发模块和单片机的连接电路相同。

2. 2土壤水分信号检测电路

土壤水分信号检测模块采用DB171数字土壤水分传感器探头, DB171是电缆型传感器, 输出全标定的数字信号, 传感器内部包括1个电容性聚合体测湿敏感元件、1个用能隙材料制成的测温元件, 并在同一芯片上, 与14位的A /D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行, 校准系数以程序形式储存在OTP内存中, 在标定的过程中使用。 四芯电缆中, 黄色为时钟线SCK, 红色为电源线VDD, 蓝色为地线GND, 黑色为数据线DATA。设计中, DATA引脚与单片机P3. 6引脚直接相连, 用于读取传感器数据; SCK引脚与单片机P3. 5引脚直接相连, 用于单片机与DB171之间的通讯同步; 电源引脚 ( VDD, GND) 之间加一个去耦电容, 用来去耦滤波, 连接电路如图4所示。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态, 并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间, 在SCK时钟高电平时, DATA必须保持稳定。为避免信号冲突, 单片机应驱动DATA在低电平, 需要1个外部的上拉电阻, 将信号提拉至高电平。

DB171通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值, 该湿度值为“相对湿度”, 相对湿度数字输出特性呈一定的非线性, 需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到精确的湿度值。可按下式修正湿度值, 即

其中, SORH为传感器相对湿度的读出数; C1, C2, C3均为修正系数, 12位SORH参数取值C1= - 4 , C2= 0 . 040 5 , C3= - 2 . 8 10-6; 8位SORH参数取值: C1= - 4 , C2= 0 . 064 8 , C3= - 7 . 2 10-4。

由于实际温度和测试参考温度25℃ 有所不同, 而温度对土壤水分的影响十分明显, 测量时也需要温度补偿, 补偿公式为

其中, RHtrue为经过线性补偿和温度补偿后的土壤水分值, T为测试土壤水分值时的温度 ( ℃ ) , 为温度补偿系数, 该参数取值如下: 12位SORH时, t1= 0. 01 , t2= 8 10-5; 8位SORH时, t1= 0 . 01 , t2= 1 . 28 10-3。DB171采用由PTAT能隙材料制成的温度敏感元件, 因而温度数据具有非常好的线性输出, 实际温度值可由下式算得, 即

其中, d1和d2为特定系数, d1的取值和DB171工作电压有关, d2的取值则和DB171内部A /D转换器采用的分辨率有关, 可通过产品手册查得。

2. 3液晶显示电路

液晶显示模块主要是将主机处理后的数据显示出来, 设计中采用液晶显示屏LCD12864, 是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式, 设计采用并行连接方式, DB0 ~ DB7分别连接单片机的P0. 7 ~ P0. 0, 用来传输数据和指令, 单片机P2. 7, P2. 6, P2. 5, P2. 4接液晶显示器的E, RS, RW和PSB端, LCD12864的VO引脚接10K的滑动变阻器, 可以通过滑动变阻器调整液晶屏的对比度, 具体的连接如图5所示。

3软件设计

系统的处理器是兼容8051指令集的高速单片机AT89C52, 选用Keil作为其开发工具, C语言编程, 采用模块化方式设计, 思路清晰, 移植性强, 易于查错与修改。整个软件系统可分成两大部分, 即下位机发送部分和上位机接收部分, 主要包括土壤水分采集以及处理模块、显示模块、无线发送模块、无线接收模块。 下位机发送部分主流程如图6所示; 上位机接收部分主流程图如图7所示。

土壤水分采集以及处理模块程序设计时, 设置单片机AT89C52定时器/计数器为定时方式, 定时一段时间, 控制DB171采集并处理相关数据, 此过程都是以数字信号进行采集和传输, DB171传回的是确定的数值, 将数据送回主控芯片后等待下一次主控芯片的命令, 并做出相应反应, 依次循环, 子程序流程图如图8所示。

无线数据传输的程序包括主机 ( 显示部分) 和从机 ( 采集部分) 。主机中, 程序主要包括发送从机地址并接收从机数据, 采集端程序主要是接收主机发送过来的地址、采集数据并发送回到主机。子程序流程图如图9和图10所示, 发射流程如下:

1) 将PWR置高, 是PTR2000处于工作状态;

2) 设置CS = 0, 选择工作频道1即433. 92MHz;

3) 将TXEN置高, 即PTR2000处于发送状态, 数据从DO端发送出去;

4) 发送结束后将TXEN置低, 即PTR2000处于接收状态。

接收流程如下:

1) 配置本机地址和要接收的数据包大小;

2) 将PWR置高, 并设置CS=0;

3) 设置TXEN = 0, 即PTR2000处于接收状态, 数据从DI端输入;

4) 数据接收结束后将TXEN置高, 即PTR2000处于发送状态。

主机和从机之间数据通信采用主从式串行通信模式, 主机负责发送从机地址、控制命令以及调度, 从机则负责采集土壤水分数据, 并进行数据处理, 发送测量数据至主机。由于多台从机的发送和主机的接收共用同一物理信道, 因此在任意时刻只允许1台从机处于发送状态, 只有被主机呼叫的从机才能占用总线, 对主机做出应答, 故每台从机均分配有一个唯一的从机地址。具体实现如下:

主程序中重要中断包括定时器0中断、外部中断0和串口中断。利用定时器中断0, 工作方式1, 设置初值为TH0 = 0x3c, TL0 = 0xb0, 计时100ms, 进入中断后关闭定时器中断0并令ET0 = 0, 定时时间到达1s后, 置PTR2000模块为发送模式, 即TXEN = 1, POUP = 1, 每进一次, 秒数加1, 当时间到达3s时, 主机发送指定指令与1号从机通信, 置PTR2000为接收模式, 即TXEN = 0, POUP = 1, 并且将接受的数据用液晶模块显示, 当时间到达5s时主机发送指定指令与2号机通信, 置PTR2000为接收模式, 即TXEN = 0, POUP = 1, 将接收到的数据显示, 此后秒数还原为1s, 依次循环。主机接收到从机采集到的数据后, 进入串口中断, 后关闭总中断EA = 0, 屏蔽定时器0和外部中断0, 将接收的从机地址与主机设置的地址比较: 一致时, 主机与该从机继续联系, 并接收该从机发送的土壤水分数据, 将接收的数据通过液晶模块显示并显示从机号。

4系统测试

将整个系统的硬件和软件部分结合起来后, 进行系统联调, 检验系统能否正常运行, 测试系统各项性能指标, 看是否能够达到预期的要求。系统正常工作后, 用altium designer作出系统原理图, 并绘制系统各元器件对应的引脚封装图, 绘制PCB板, 雕刻PCB板, 对刻好的PCB板进行电路检测, 确保无误后在PCB板上焊接元器件, 加载系统程序代码。测试中以1kg的土壤为测试对象, 每间隔10min加入50g纯净水, 50min之后, 停止加水, 然后利用风扇对着测试土壤进行让水分快速蒸发。测量数据如图11所示, 纵轴表示土壤水分, 单位为百分比, 横轴表示时间, 单位为min。从测量数据可以看出, 土壤水分的增加和减少与实际情况较为吻合, 该系统可很好的测量土壤水分。将从机1和从机2置于同一土壤样本中, 测得的结果如曲线图12所示。由图12可以看出, 两个从机测得的数据基本一直, 并且在大约4s后数据趋于稳定。

系统是分布式监控, 因此对与无线数据传输能力要求较高, 特别是数据传输的稳定性与传输距离。经测试, 下位机与上位机相隔约40m2的四间房间, 通信仍然稳定, 同时在空旷地上可以在200m内的范围内建立稳定的通信。

5结束语

系统设计采用无线分布式技术, 可同时监控256个点的土壤水分数据, 使用范围广, 无线通信便于移动与便携, 主机采用液晶直观显示出各监测点数据, 可视性好。经测试该系统稳定性高、成本低, 具有很好的实用价值, 可广泛推广。

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分布式无线土壤湿度监测系统的设计 第11篇

土壤湿度即土壤中的水分状况,土壤湿度过低时作物吸水困难,甚至凋萎;而湿度过高,又会发生渍害,故对土壤湿度的监测以及调控十分重要。同时,它是科学地控制调节土壤水分状况进行节水灌溉、实现科学用水和灌溉自动化的基础,是抗旱减灾工作中最重要的信息。如何快速、准确地测定农田土壤水分,对于探明作物生长发育期内土壤水分盈亏,以便做出灌溉、施肥决策或排水措施等具有重要意义。

目前,土壤湿度的测量方法有很多种,包括称重法、电阻法、张力计法、中子法、r-射线法、驻波比法、光学测量法和时域反射法。为了操作简单、精度高、携带方便,设计成电子装置。设计中采用TDR型土壤湿度传感器,其工作原理是利用反射时间差测量土壤的介电常数,虽然价格有些贵,但是精度较高,测量的速度快,尤其适用于连续的多点测量。

传统的土壤湿度测量大多为单一的测量点,一大片土壤区域需要人工带着测量装置逐个测量点进行测量和统计数据,费时费力。即使有多点测量装置,其大多数都为有线的测量装置,需要网络布线,缺乏灵活性、可移动性和可扩展性。采用无线通信就可以从根本脱离电气连接,方便移动和系统的扩展,而且不容易受到电磁干扰、环境恶劣等因素的影响。可以采用传感器采集数据,微处理器计算和处理,然后通过无线方式发送测量的数据,接收到的土壤湿度数据再经过微处理器计算和处理后,在手持终端的显示屏上显示,从而实现集成化、低成本和易操作的目的。

1 系统设计

设计的分布式土壤湿度监测系统由多个从机和一个主机组成,从机的数量可以根据实际需要进行扩展。从机负责测量点土壤湿度数据的采集,装置分布安装在一片待测土壤的多个测量点中,主机负责土壤湿度数据的收集和显示。主机和从机之间是无线双向通信。

所述的主机和从机的设计包括土壤湿度信息采集、无线模块、按键控制及显示模块4部分。土壤湿度信息采集主要由土壤湿度传感器和A/D转换器构成,通过传感器测量土壤湿度数据后经过A/D转换后送给微处理器;无线模块主要由无线收发芯片组成,用来接收和发射信息。从机通过传感器将土壤湿度信息采集到单片机内,然后在单片机内按照一定的协议和检错机制构成帧,通过无线模块发射出去。主机以中断方式接收每帧信息,然后对接收的帧信息进行错误检测,判断是否有误码信息。如果没有误码,提取出数据位,计算出湿度值,把多个从机发送来的湿度信息在显示模块上显示。所述分布式土壤湿度检测装置的结构框图如图1所示,从机的结构框图如图2所示。

2 硬件电路设计

主机中,单片机采用AT89S52,显示模块采用LCD1602,按键控制模块采用4个独立式按键,无线模块采用NRF401芯片构成的PTR2000。

从机中,土壤湿度传感器采用基于时域反射法的XR61-TDR2型土壤湿度传感器,微处理器采用AT89S52,A/D转换采用8位逐次逼近式模数转换器ADC0809,无线模块采用NRF401芯片构成的PTR2000。主机通过与从机的无线通信将土壤各个测量点的湿度数据收集起来进行有效的监测。

2.1 无线通信模块

无线通信模块选用无线收发一体的PTR2000模块。PTR2000和单片机的连接电路如图3所示。

PTR2000共10根引脚:VCC为系统电源;GND为电源地;DI为数据输入端;DO为数据输出端;TXEN为收发状态选择,TXEN=1为发射状态,TXEN=0为接收状态;PWR为节能控制端,可设置为正常工作状态和待机微功耗状态;CS为频道选择,CS=0工作在433.93MHz,CS=1工作在433.33MHz。从机中单片机AT89S52通过PTR2000模块将数据发射出去,AT89S52的P2.0连接PTR2000的CS引脚,AT89S52的P2.1连接PTR2000的PWR引脚,AT89S52的P2.2连接PTR2000的TXEN引脚,单片机串口接收和发送端P3.0和P3.1连接PTR2000的数据输出DO和数据输入DI。主机部分要接收多个从机发送过来的湿度数据,其单片机AT89S52与PTR2000连接电路与从机一致。

2.2 土壤湿度采集电路

所述的土壤湿度传感器采用XR61-TDR2型传感器,测量精度达到(0～50%)±2%(m3/m3),工作电压为DC4-6.5V,输出为直流0～2.5V,有4根接线,白色连接电源正极,黑色连接电源负极,红色连接信号正极,黄色接信号负极。其具有高稳定性,安装维护方便;良好的屏蔽性和抗干扰性;传输距离远,采用查分采集方式可实现最大400m接线测量;体积小型化设计,带有针校器,能够长时间保证传感器之间的一致性,同时具有保护探针的功能等特点。

设计中XR61-TDR2型传感器输出为模拟量0～2.5V,故需经过AD转换后接单片机。A/D转换采用8位逐次逼近式模数转换器ADC0809,测量精度小于±1LSB,单+5V供电,模拟输入电压范围为0～+5V,功耗尽为15mW,其与传感器,微处理器的连接电路如图4所示。土壤湿度信号通过AD转换成数字信号送入单片机,ADC0809芯片的工作过程是:首先选通3位地址ADDC,ADDB和ADDA为000,选择IN0通道,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。给指令在START的下降沿启动AD转换,转换时间大约500μs之后,管脚EOC由低电平变成高电平,并将结果数据存入锁存器。使用中,可以通过查询和中断的方式监测管脚EOC的信号,当EOC为高电平时,读取转换的数字量送入单片机的数据线。

2.3 显示模块

所述的显示模块采用1602字符型液晶模块,主要包括控制模块、显示驱动和接口电路3个部分。1602与单片机的连接电路如图5所示,将液晶模块的8位数据端同AT89S52的8位I/O口P0.0～P0.7与相连,LCD的控制口RS,R/W,E连接单片机AT89S52的P2.7,P2.6,P2.5等3根口线.由于P0内部的输出驱动级是漏极开路电路,需要外接上拉电阻,故设计中P0口与LCD1602加了1kΩ的排阻作为上拉电阻。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括从机和主机的程序设计,从机中主要包括:土壤湿度数据采集、单片机数据处理和无线数据发送等。主机部分包括:无线数据接收、数据校验、多机主从方式通信和按键设置和LCD液晶显示等。整个程序采用C语言编写,在keil和proteus中调试和仿真,模块化设计。

采用XR61-TDR2进行土壤湿度数据采集,待单片机上电后,延时等待系统稳定,XR61-TDR2处于待命状态,即DATA=0,等到接收到数据后,进行判断,如果数据有误,则丢弃此数;单片机的采集命令时,置DATA=1,开始循环采集数据,如果数据无误,则将数据根据自身算法转化为实际的数值后传回给单片机,由单片机进行进一步处理并由PTR2000进行传输;数据处理完成后XR61-TDR2又置于待命状态,即DA-TA=0,继续等待下一次采集命令的到来。

主从机之间的无线数据交换通过单片机的串口实现,由于多台从机和主机间的发送和接收共用同一物理信道,所以设计中,任意时刻只允许1台从机处于发送状态。每台从机均分配一个唯一的从机地址。主从机通信时,从机不主动发送数据,只有主机呼叫某从机地址时该从机才能占用总线,应答主机,进行数据交换,而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主从机之间通信流程图如图6所示。

主机与从机实现一对多通信,采用轮流查询的方式。主程序中利用定时器中断0,工作方式1,设置初值为TH0=0x3c,TL0=0xb0,计时100ms,进入中断后关闭定时器中断0,并令ET0=0,定时时间到达1s后,置PTR2000模块为发送模式,即TXEN=1,POUP=1。从机上电稳定后置PTR2000模块为接收模式(SM2=1),即TXEN=0,POUP=1。当主机开启时间到达3s时,主机以帧(每帧10位,包括1位起始位、8位数据位和1位停止位)的形式发送指定地址从而与相应的从机通讯(发送一帧地址帧时,TB8=1;发送数据帧时,TB8=0),随后主机变为接收模式,即TXEN=0,POUP=1。被唤醒从机将SCON中的控制位SM2=0,接收主机传送来的数据帧,同时产生串口中断,保证了主机与被叫从机间的正常通信。其他从机未被唤醒,仍处于接收状态。被唤醒的从机采集相应温湿度数据并进行处理;数据处理结束后置PTR2000模块为发送模式,即TXEN=1,POUP=1;然后将处理后的数据发回给主机;数据传送完后,置PTR2000模块为接收模式,即TXEN=0,POUP=1;为下次接收主机发送的地址做好准备。当时间到达5s时主机发送指定指令与另一从机通信,过程同上述。此后秒数还原为1s,依次循环。

按键模块的流程图,如图7所示。利用外部中断0设置土壤湿度值,当有外部中断0产生时,进入到调节湿度界面,关闭总中断EA=0,关闭定时器中断ET0=0。通过端口P1.0选择要调节的项目;端口P1.1实现数值加1操作;端口P1.2实现数值减1操作;端口P1.3实现退出外部中断0操作,开放进入时关闭的中断EA=1,ET0=1。

主机接收到从机采集到的数据后,进入串口中断,后关闭总中断EA=0,屏蔽定时器0和外部中断0;将接收的从机地址与主机设置的地址比较,一致时,主机与该从机继续联系并接收该从机发送的湿度数据,同时将接收的数据通过液晶模块显示并显示从机号。

4 系统测试

表1为该分布式土壤湿度测量装置在实验室中所采集数据,采集时间间隔为3min,通过与专用湿度计对比分析,湿度误差不超过±4%。

5 结束语

设计的分布式土壤湿度监测系统可以对一片土壤的湿度进行同时监测,其结构简单、使用方便,具有小型化、可视性好等特点;同时采用无线方式,无需馈线连接,主机和从机可以随时移动,可扩展性好,具有一定的推广应用价值。

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