专利名称：隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数据自动化采集、监控装置，特别是一种隧道施工与运营的数据自 动化采集、监控装置。
背景技术：
目前，绝大部分隧道工程中的施工信息都是通过布设各种类型的测量部件(传感器等) 后利用配套的监测仪器进行人工实测和手工输入计算机的方法进行收集的，数据的分析、处 理和反馈也是通过人工进行的。监测方法技术主要依靠人力来完成，导致了工作效率低下， 信息反馈速度慢，劳动强度大，且人工采集的信息在数量上较少，难以及时反映监测对象的 变化，达到指导施工，保障施工安全的目的。
实用新型内容
为了克服隧道工程中现有的监测方法效率低下、劳动强度大、反馈速度慢、信息量少等 缺点，本实用新型的目的是提供一种隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统，要解决 隧道施工与运营多元信息的数据自动化采集与安全管理综合分析的技术问题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是
一种隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统，包括与传感器相连的信号激励采集 模块和与信号激励采集模块信号相连的主控制器，其特征在于
传感器设置在隧道内需要监测的断面，信号激励采集模块与主控制器组成综合传输基站。
主控制器内部自带高速FLASH、 SRAM和计数器，主控制器内部具有连接LED指示灯的接口 和用于连接时钟芯片的接口，外部还具有以下接口。 用于连接无线网络的ZigBee无线模块协议接口。 用于连接有线网络的TCP/IP网络接口 。 用于连接CAN总线收发器的协议接口 。
用于与信号激励采集模块连接的通用I/0口、 IIC接口、 SPI接口。 串口和USB烧录接口。
信号激励采集模块具有1一16路钢弦式传感器测量通道和1一16路电流电压开关量可选的 传感器测量通道。16路钢弦式传感器测量通道分别与16个激励电路连接，16个激励电路分别经高通滤波电 路与16选1模拟开关的16个信号输入端连接，16选1模拟开关的信号输出端顺序经二阶低通滤 波电路、 一级放大电路、五阶低通滤波电路、二级放大电路、隔直整形电路与主控制器的计 数器信号连接。
16路电压/电流传感器测量通道分别经电流电压转换电路与另一个16选l模拟开关的16个 信号输入端连接，该16选1模拟开关的信号输出端经AD转换器与主控制器信号连接。 上述信号激励采集模块和主控制器分别连接交流电/电池双电源供电系统。 上述传感器是电流信号传感器、电压信号传感器、数字式传感器或开关量传感器。 上述信号激励采集模块可以与接收施工现场视频信号的摄像头连接。 上述主控制器内部自带256K高速FLASH和64K的SRAM。
上述主控制器经ZigBee无线模块协议接口 、 CAN总线收发器的协议接口可直接与电脑连 接，也可以通过GPRS与远程服务器或手机信号连接。
上述的远程服务器是指与Internet相连接的、具有固定对外IP的台式电脑或笔记本电脑。
与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果
主控制器提供了ZigBee、 CAN总线、TCP/IP三种协议的接口 ，用它作为网络节点，能灵 活的构建各种有线无线网络。除了三种网络接口外，还预留了一个串口，并将通用I/0口、 IIC、 SPI等接口扩展出来，可以与信号激励采集模块连接，组成功能强大的多功能采集器， 这些接口的预留极大的增强了本实用新型的扩展性。
信号激励采集模块具有多通道、多功能性，具有强大的信号采集功能，提供了16路钢弦 式传感器测量通道和16路电压和/或电流传感器测量通道。
本实用新型适用于各种地下工程的施工监测与管理。它集多元信息及预警安全管理功 能于一体，是全方位地下工程施工与运营的安全保障管理系统。上述多元信息包括钢弦式频 率类、电流电压类、开关量、数字信号类、声音、视频、人机定位卡等，该系统的多元信息 由综合采集器连接，根据设定的采集频率可对所监控的地下工程进行实时监测，并将信息传 送到广域网。也可在无网络覆盖区组合无线基站传输至广域网。然后通过智能化安全管理信 息系统对所采集数据进行常规评价和详细分析。同时对地下工程的危险状态进行不同级次的 安全预警处理。该系统也可对市域所有地下工程进行分布式监控管理，最终保障隧道及地 下工程安全、高效、健康施工。
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
图l是信号激励采集模块与主控制器连接的结构示意图。
图2是信号激励采集模块功能原理图。
图3是主控制器的结构示意图。
图4是GPRS网关主控基站结构图。
图5是系统工作结构图。
具体实施方式
实施例这种隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统，包括与各种传感器相连的 信号激励采集模块和与信号激励采集模块信号相连的主控制器，其传感器设置在隧道内需要 监测的断面，信号激励采集模块和主控制器组成了多功能综合传输基站，所有基站由交流电 /电池双电源供电系统供电。
参见图l、图3，主控制器采用ATMEL的AT91SAM7x256，其主频达到55腿z，主控制器内部 自带256K高速FLASH禾口64K的SRAM和计数器。
主控制器内部具有连接LED指示灯的接口和用于连接时钟芯片的接口 ，外部还提供了以 太网接口、 CAN、 SPI、 UART、 USB、 IIC、通用10等以下丰富的接口
用于连接无线网络的ZigBee无线模块协议接口；
用于连接有线网络的TCP/IP网络接口；
用于连接CAN总线收发器的协议接口 ；
用于与信号激励采集模块连接的通用I/0口、 IIC接口、 SPI接口； 串口和USB烧录接口。
信号激励采集模块具有16路钢弦式传感器测量通道和16路电流电压开关量可选的传感器 测量通道。
信号激励采集模块的功能原理图见图2， 16路钢弦式传感器测量通道分别与16个激励电 路连接，16个激励电路分别经高通滤波电路与16选1模拟开关的16个信号输入端连接，16选 l模拟开关的信号输出端顺序经二阶低通滤波电路、 一级放大电路、五阶低通滤波电路、二 级放大电路、隔直整形电路与主控制器的计数器信号连接。
16路电压和/或电流传感器测量通道分别经电流电压转换电路与另一个16选l模拟开关的 16个信号输入端连接，该16选1模拟开关的信号输出端经AD转换器与主控制器信号连接。
上述ZigBee、 CAN、 GPRS等接口能直接与电脑连接，或通过GPRS将信息发送到远程服务 器，或将信息发送到手机。该系统的综合采集器可采集多种信号；包括电压、电流、开关量、钢弦传感器频率信
号及数字信号等。
通过现场人员或设备佩戴定位卡，可实现人员、设备定位功能，它非常方便隧道施工现 场的工程管理。
综合采集器上可安装摄像头，对施工现场进行视频监控。
可对隧道工程进行全方位预警及安全管理，可自动生成隧道施工日、周、月数据监测报 表，可供工程管理人员对现场数据进行査询、分析、预警报管理。
该系统已将监控数据、人机定位、声音、视频等多元信息和已有工程资料、专业分析、 管理模式、专家经验等密切联系起来进行危险预警分级，从而形成人机对话的预警报机制， 它将最大程度的化解隧道及地下工程施工与运营的安全风险。
参见图4， GPRS网关主控基站是主服务器电脑或笔记本电脑。它包括中央处理器和与之 相连的GPRS模块、ZigBee模块、显示屏和交流电/电池双电源供电系统。GPRS网管设备以 ARM9处理器为核心，外接ZigBee模块和GPRS模块。系统通过控制ZigBee模块，完成对局域 ZigBee无线网络中各节点的管理。利用GPRS模块实现和远程服务器的连接和通信，将 ZigBee局域网的数据信息整理发送到服务器，并将服务器的数据经ZigBee模块转发到 ZigBee网络中。
在图5中，用户通过网络访问服务器，进行硬件设置、数据采集、资料输入和査询、工 程管理等内容；服务器向硬件发出指令，通过采集器采集监测数据，存入数据库，并利用软 件进行数据査询、图形显示、自动预警、专业分析等，发现警情时结合专家经验可给出提示 和进行报警。
本实用新型在隧道需要的断面布设各种传感器，由传感器自动采集隧道施工围岩、支 护结构受力和变形的实时数据，将采集信号输入信号激励采集模块，利用无线网络的远程控 制，进行监测数据的实时自动化采集。同时，可在隧道掌子面安装摄像头，将摄像头连接到 综合采集器；也可通过佩戴人员定位卡进行人员定位考勤管理及信息交互；也可连接隧道激 光三维扫描系统；也可利用声音通讯卡在基站覆盖的范围进行通讯等操作。将采集得到的数 据通过主控制器以无线的形式传输至主控基站，主控基站可直接连接电脑或通过GPRS上网进 行远程传输，将数据传输至远程服务器或手机；电脑上的软件和数据库系统对采集数据进行 处理、分析和反馈，用户可通过互联网访问远程服务器及时掌握现场信息，并可根据具体情 况进行下达指令、分级预警等操作，实现隧道工程的远程交互安全管理。
权利要求权利要求1一种隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统，包括与传感器相连的信号激励采集模块和与信号激励采集模块信号相连的主控制器，其特征在于传感器设置在隧道内需要监测的断面，信号激励采集模块与主控制器组成综合传输基站；主控制器内部自带高速FLASH、SRAM和计数器，主控制器内部具有连接LED指示灯的接口和用于连接时钟芯片的接口，外部还具有以下接口用于连接无线网络的ZigBee无线模块协议接口；用于连接有线网络的TCP/IP网络接口；用于连接CAN总线收发器的协议接口；用于与信号激励采集模块连接的通用I/O口、IIC接口、SPI接口；串口和USB烧录接口；信号激励采集模块具有1—16路钢弦式传感器测量通道和1—16路传感器测量通道；16路钢弦式传感器测量通道分别与16个激励电路连接，16个激励电路分别经高通滤波电路与16选1模拟开关的16个信号输入端连接，16选1模拟开关的信号输出端顺序经二阶低通滤波电路、一级放大电路、五阶低通滤波电路、二级放大电路、隔直整形电路与主控制器的计数器信号连接；16路电压/电流传感器测量通道分别经电流电压转换电路与另一个16选1模拟开关的16个信号输入端连接，该16选1模拟开关的信号输出端经AD转换器与主控制器信号连接。
2.根据权利要求l所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述信号激励采集模块和主控制器分别连接交流电/电池双电源供电系 统。
3.根据权利要求2所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述传感器是电流信号传感器、电压信号传感器、数字式传感器或开关量 传感器。
4 根据权利要求3所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述信号激励采集模块与接收施工现场视频信号的摄像头连接。
5 根据权利要求4所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述主控制器内部自带256K高速FLASH和64K的SRAM。
6 根据权利要求4所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述主控制器经ZigBee无线模块协议接口、 CAN总线收发器的协议接口直 接与电脑连接，或通过GPRS与远程服务器或手机信号连接。
7 根据权利要求6所述的隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系 统，其特征在于上述的远程服务器是指与Internet相连接的、具有固定对外IP的台式电脑 或笔记本电脑。
专利摘要一种隧道施工与运营多元信息预警与安全保障系统，传感器设置在隧道内需要监测的断面，信号激励采集模块与主控制器组成综合传输基站；主控制器内部自带高速FLASH、SRAM和计数器，主控制器内部具有连接LED指示灯的接口和用于连接时钟芯片的接口，外部还具有以下接口用于连接无线网络的ZigBee无线模块协议接口；用于连接有线网络的TCP/IP网络接口；用于连接CAN总线收发器的协议接口；用于与信号激励采集模块连接的通用I/O口、IIC接口、SPI接口；串口和USB烧录接口；信号激励采集模块具有1-16路钢弦式传感器测量通道和1-16路传感器测量通道。本实用新型可实现信息的快速反馈，大大提高工作效率。
文档编号G05B19/048GK201259623SQ200820302398
公开日2009年6月17日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者英 叶, 杨新锐, 毋运龙, 王昌华, 欣 谢 申请人:北京市市政工程研究院;北京索通紫蜂通讯工程技术有限公司;北京交通大学