專利名稱：心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心墻堆石壩施工質(zhì)量信息采集設(shè)備。特別是涉及一種為心墻堆石壩 填筑碾壓過程的全天候?qū)崟r監(jiān)控提供條件的高精度、全自動的心墻堆石壩碾壓過程信息 自動采集裝置。
背景技術(shù)：
在心墻堆石壩施工過程中，有效地控制壩料碾壓密實度是保證大壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵。 根據(jù)《碾壓式土石壩施工規(guī)范》(DL/T 5129-2001)規(guī)定，心墻堆石壩填筑碾壓質(zhì)量主 要通過施工過程中的壓實參數(shù)(鋪層厚度、土石料性質(zhì)、碾壓遍數(shù)、碾壓行車速度、激 振力等)以及壓實標準(單元驗收的抽樣試驗結(jié)果，如壓實度或干密度、含水量和級配 等)來的控制。然而，常規(guī)的依靠監(jiān)理和施工人員人為控制壓實參數(shù)，由于受人為因素 干擾大，管理粗放，故質(zhì)量控制的精度不高。因此，對心墻堆石壩填筑碾壓過程信息進 行實時自動采集，進而對心墻堆石壩的填筑碾壓質(zhì)量進行在線監(jiān)控，對于實現(xiàn)工程精細 化管理、確保施工質(zhì)量具有十分重要的意義。
目前，國內(nèi)外尚未見到有直接用于心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集的裝置。武漢 大學(xué)開發(fā)了應(yīng)用于混凝土面板堆石壩填筑施工質(zhì)量監(jiān)控的碾壓機械動態(tài)坐標GPS采集裝
置，如武漢大學(xué)學(xué)報，2005， 30(9): 813-816刊登黃聲享，劉經(jīng)南的《GPS實時監(jiān)控系 統(tǒng)及其在堆石壩施工中的初步應(yīng)用》；水力發(fā)電，2002(10) : 30-32刊登吳曉銘的《面板 堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)方案研究》。
但該裝置不能采集心墻堆石壩施工質(zhì)量重要的控制參數(shù)——碾壓激振力，而且只能 將數(shù)據(jù)存儲于碾壓機械本地，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程實時傳送(尤其是有高山阻隔時)， 這就意味著不能對大壩碾壓質(zhì)量進行實時的遠程監(jiān)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種采集安裝有該裝置的碾壓機械的動態(tài)位置 坐標、定位時間和激振力輸出狀態(tài)的高精度、全自動的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采 集裝置。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，包括有
GPS接收機；與GPS接收機相連接收和發(fā)送GPS接收機所發(fā)出信號的無線傳輸單元DTU; 與碾壓機械相連接和發(fā)送收碾壓機的輸出信號的激振力監(jiān)測VMU;分別通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接 收無線傳輸單元DTU和激振力監(jiān)測VMU的輸出信號的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；以及分別向GPS接 收機、無線傳輸單元DTU和激振力監(jiān)測VMU提供電源的碾壓機電源單元；所述的GPS接收機分別連接有GPS衛(wèi)星天線和差分無線電天線。
所述的GPS接收機與無線傳輸單元DTU是通過RS_232進行通信。 所述的GPS衛(wèi)星天線安裝在碾壓機械上。
所述的無線傳輸單元DTU包括有依次相連的RS—232接口、 Flash存儲器、第一CPU 中央處理器和第一 GSM通訊模塊；所述的RS_232接口連接GPS接收機的RS —232串行 接口；所述的第一GSM通訊模塊24)通過GSM天線以及GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行通 信。
所述的激振力監(jiān)測VMU包括有分別對應(yīng)接收碾壓機PLC電路控制板或碾壓機繼電器 觸點所發(fā)出的高頻低模擬信號和低頻高模擬信號的第一光電偶合器和第二光電偶合器； 分別接收第一光電偶合器和第二光電偶合器的輸出信號并進行處理的第二 CPU中央處理 器；接收第二CPU中央處理器的輸出信號的第二GSM通訊模塊，所述的第二GSM通訊模 塊通過GSM天線以及GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行通信。
所述的碾壓機電源單元包括有依次串聯(lián)連接的電源濾波電路、DC-DC降壓模塊和輸出 電源濾波及去紋波電壓電路，所述的電源濾波電路的輸入端連接碾壓機的24V輸出電源， 所述的輸出電源濾波及去紋波電壓電路分別輸出15V和12V的直流電源。
所述的信息自動采集裝置還包括有用于固定和安裝各個部件的設(shè)備集成機箱，所述 的設(shè)備集成機箱是釆用防水、防電、防震的PVC制作的密封箱，箱內(nèi)的各個部件的間隙 填充緩沖泡沫實現(xiàn)碰撞緩沖，箱內(nèi)各個部件都設(shè)置有絕緣結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，提供了一種高精度、全自動的填 筑碾壓過程信息的實時采集裝置，適應(yīng)了心墻堆石壩施工特點，符合心墻堆石壩對碾壓 過程的高要求控制、定位時間，而且實時采集碾壓機械輸出的激振力狀態(tài)，為全面監(jiān)控 心墻堆石壩碾壓質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；集成GSM通訊模塊，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)的GPRS遠程 實時傳送，并經(jīng)數(shù)據(jù)防丟包處理，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，為大壩碾壓質(zhì)量的遠程全天候?qū)?時監(jiān)控提供了條件。


圖l是本發(fā)明構(gòu)成框圖； 圖2是本發(fā)明的集成原理圖 其中
1: GPS接收機 3:激振力監(jiān)測單元VMU 5:數(shù)據(jù)庫服務(wù)器 7:差分無線電天線
具體實施例方式
2:無線傳輸單元DTU
4:碾壓機電源單元 6: GPS衛(wèi)星天線
8:碾壓機PLC電路控制板或碾壓機繼電器觸點下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置做出詳細 說明。
如圖l所示，本發(fā)明的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，包括有GPS接收機
1;與GPS接收機1相連接收和發(fā)送GPS接收機所發(fā)出信號的無線傳輸單元DTU 2;與碾 壓機械相連接收和發(fā)送碾壓機的輸出信號的激振力監(jiān)測VMU 3;分別通過網(wǎng)絡(luò)接收無線傳 輸單元DTU 2和激振力監(jiān)測VMU 3的輸出信號的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器5;以及分別向GPS接收機 1、無線傳輸單元DTU 2和激振力監(jiān)測VMU 3提供電源的碾壓機電源單元4;所述的GPS 接收機1分別連接有GPS衛(wèi)星天線6和差分無線電天線7。所述的GPS接收機1與無線傳 輸單元DTU2是通過RS—232進行通信。
所述的外置GPS衛(wèi)星天線6安裝在碾壓機械上，用于接收GPS衛(wèi)星信號，以確定碾 壓機械的位置，安裝部位離碾輪中心點越近，越能反映碾輪行走的真實軌跡。差分無線 電天線7用于接收GPS基準站的差分信號，用于GPS接收機1內(nèi)部作差分計算。
如圖2所示
所述的高精度GPS接收機1可采用美國天寶5700S的GPS接收機，用于獲取和輸出 碾壓機械的精確位置坐標。GPS接收機1的工作過程如下
通過GPS衛(wèi)星天線，按一定的時間間隔(如ls)，接收到GPS衛(wèi)星所發(fā)射的無線電 信號，GPS接收機內(nèi)部的頻率轉(zhuǎn)換單元通過頻率過濾和轉(zhuǎn)換，把有效無線電信號交給解擴 頻模塊；解擴頻模塊通過解調(diào)獲得加載在無線電載波上的衛(wèi)星信息；差分無線電天線接 受GPS基準站無線電臺發(fā)送過來的差分信息；中央處理器對自身解算的衛(wèi)星定位信息以 及和基準站的差分信息進行整周模糊度的差分計算，獲得碾壓機械所在位置厘米級的定 位坐標；同時通過GPS接收機的外接1/0接口，將位置坐標信息和定位時間及碾壓機標 識傳送至無線數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。該I/0接口是RS—232串行接口，是標準接口，數(shù)據(jù)傳 送格式是NEMA0183數(shù)據(jù)標準。
所述的無線傳輸單元DTU 2包括有依次相連的RS — 232接口 21、 Flash存儲器22、 第一 CPU中央處理器23和第一 GSM通訊模塊24;所述的RS—232接口 21連接GPS接收 機1的RS —232串行接口 ；所述的第一 GSM通訊模塊24通過GSM天線以及GPRS網(wǎng)絡(luò)與 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器5進行通信。第一 CPU中央處理器23采用型號為ARM7的單片機。
無線傳輸單元DTU 2的作用是把GPS接收機發(fā)送過來的坐標信息、定位時間以及該 碾壓機械的標識號等數(shù)據(jù)實時傳送到遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器5。其工作過程如下
無線傳輸單元DTU先把GPS接收機傳輸過來的數(shù)據(jù)放入FLASH存儲器中(因為監(jiān)測 過程中對數(shù)據(jù)完整性要求很高，所以先把數(shù)據(jù)放入FLASH,進行緩存)，再通過緩存把數(shù) 據(jù)通過"棧"的方式發(fā)送給第一 CPU中央處理器，第一 CPU中央處理器對數(shù)據(jù)進行IP化， 然后把IP數(shù)據(jù)包交給第一 GSM通訊模塊，根據(jù)定制的TCP/IP協(xié)議，按一定的時間間隔 (如Is)，將碾壓機械的位置坐標、當(dāng)前時間和碾壓車標識通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程數(shù) 據(jù)庫服務(wù)器。為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，第一GSM通訊模塊對通用GSM模塊(西門子MC39i
5或華為GTM900b)的控制程序進行以下改進
1) 按定制TCP/IP協(xié)議進行串口的透明傳輸；
2) 增加設(shè)備數(shù)據(jù)緩存功能，在GPRS斷線的情況下對串口數(shù)據(jù)進行存儲，緩沖區(qū)大 小為50K;
3) 數(shù)據(jù)實時性傳輸，增加斷線重撥功能；
4) 按約定的壓縮協(xié)議對串口輸入的數(shù)據(jù)進行壓縮后發(fā)送；
5) 增加看門狗計時機制(watchdog timer, WDT)，能對設(shè)備死機狀況進行處理和 恢復(fù)。
看門狗是一個定時器電路， 一般有一個輸入， 一個輸出到第一CPU中央處理器的RST 端。第一CPU中央處理器正常工作的時候，每隔一段時間輸出一個信號到輸入端，給WDT 清零，如果超過規(guī)定的時間不清零(一般在程序跑飛時)，WDT定時超過，就會給出一 個復(fù)位信號到第一CPU中央處理器，于是第一CPU中央處理器復(fù)位。WDT的作用，就是防 止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。
所述的激振力監(jiān)測VMU 3包括有分別對應(yīng)接收碾壓機PLC電路控制板或碾壓機繼電 器觸點8所發(fā)出的高頻低振模擬信號和低頻高振模擬信號的第一光電偶合器31和第二光 電偶合器32;分別接收第一光電偶合器31和第二光電偶合器32的輸出信號并進行處理 的第二 CPU中央處理器33;接收第二 CPU中央處理器33的輸出信號的第二 GSM通訊模塊 34(西門子MC39i或華為GTM900b)，所述的第二 GSM通訊模塊34通過GSM天線以及GPRS 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器5進行通信。
所述的激振力監(jiān)測VMU的作用是實時獲取碾壓機械輸出的激振力工作狀態(tài)。其工作 過程如下
碾壓機械激振力工作狀態(tài)的控制電路不外乎是老式的繼電器控制或是比較先進的 PLC電子控制。從碾壓機械的PLC電路控制板I/O 口或繼電器觸點引出激振力狀態(tài)的信號 線，激振力的狀態(tài)不同，信號的高低電壓也就不同；然后通過激振力監(jiān)測VMU的I/0口， 經(jīng)過光電耦合器，把高低電平的模擬信號識別為二進制數(shù)字信號(對應(yīng)不同激振力狀態(tài))， 經(jīng)第二CPU中央處理器處理后，按定制的TCP/IP協(xié)議，通過第二GSM通訊模塊，將TCP 數(shù)據(jù)包(含碾壓機械的激振力狀態(tài)信號、當(dāng)前時間和碾壓車標識)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到 遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
本發(fā)明的碾壓機電源單元4的作用是給上述各中單元提供穩(wěn)定的電源。所述的碾壓 機電源單元4包括有依次串聯(lián)連接的電源濾波電路41、 DC-DC降壓模塊42和輸出電源濾 波及去紋波電壓電路43，所述的電源濾波電路41的輸入端連接碾壓機的24V輸出電源， 所述的輸出電源濾波及去紋波電壓電路43分別輸出15V和12V的直流電源。其工作過程 如下
本發(fā)明設(shè)備工作的電源由碾壓機械自身供電。因為碾壓機械都是柴油發(fā)動機提供動 力，供電是24V，但是本發(fā)明中各個單元對電壓的要求不一樣，如高精度GPS接收機的工作電壓是12-18V， DTU的工作電壓是9-36V，所以需要對電源做電壓轉(zhuǎn)換。經(jīng)過碾壓機電 源模塊的DC-DC變換，輸出一路+15V為高精度GPS供電，輸出一路+12V為DTU和VMU供 電。同時，還要加上電源穩(wěn)定模塊，因為雖然柴油動力標稱是24V供電，但是實際上， 因為工作條件限制，供電電壓并不穩(wěn)定，有時候波峰電壓甚至可能超過100V，這種電壓 造成的電流沖擊對各個電子元器件都是致命性，所以需要加上電源穩(wěn)定模塊，對波峰電 壓進行濾波。
所述的信息自動采集裝置還包括有用于固定和安裝各個部件的設(shè)備集成機箱，所述
的設(shè)備集成機箱是采用防水、防電、防震的PVC制作的密封箱，箱內(nèi)的各個部件的間隙
填充緩沖泡沫實現(xiàn)碰撞緩沖，箱內(nèi)各個部件都設(shè)置有絕緣結(jié)構(gòu)。
設(shè)備集成機箱用于固定和安裝各個部件，并作三防(防水、防電、防震)處理。 本發(fā)明的設(shè)備集成機箱采用PVC密封箱，實現(xiàn)防水。對于防震處理，首先對各部件
采用螺絲等進行適當(dāng)固定，同時采取緩沖泡沫進行填充，實現(xiàn)碰撞緩沖。采用對各電子
設(shè)備進行絕緣的方式，實現(xiàn)防電處理。
權(quán)利要求
1.一種心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，包括有GPS接收機(1)；與GPS接收機(1)相連接收和發(fā)送GPS接收機所發(fā)出信號的無線傳輸單元DTU(2)；與碾壓機械相連接和發(fā)送收碾壓機的輸出信號的激振力監(jiān)測VMU(3)；分別通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收無線傳輸單元DTU(2)和激振力監(jiān)測VMU(3)的輸出信號的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(5)；以及分別向GPS接收機(1)、無線傳輸單元DTU(2)和激振力監(jiān)測VMU(3)提供電源的碾壓機電源單元(4)；所述的GPS接收機(1)分別連接有GPS衛(wèi)星天線(6)和差分無線電天線(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的GPS接收機(1)與無線傳輸單元DTU (2)是通過RS—232進行通信。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的GPS衛(wèi)星天線(6)安裝在碾壓機械上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的無線傳輸單元DTU (2)包括有依次相連的RS—232接口 (21) 、 Flash存儲器(22)、 第一CPU中央處理器(23)和第一GSM通訊模塊(24);所述的RS—232接口 (21)連 接GPS接收機(1)的RS—232串行接口；所述的第一GSM通訊模塊(24)通過GSM天線 以及GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(5)進行通信。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的激振力監(jiān)測VMU (3)包括有分別對應(yīng)接收碾壓機PLC電路控制板或碾壓機繼電器觸 點(8)所發(fā)出的高頻低模擬信號和低頻高模擬信號的第一光電偶合器(31)和第二光電 偶合器(32);分別接收第一光電偶合器(31)和第二光電偶合器(32)的輸出信號并 進行處理的第二 CPU中央處理器(33);接收第二CPU中央處理器(33)的輸出信號的 第二GSM通訊模塊(34)，所述的第二GSM通訊模塊(34)通過GSM天線以及GPRS網(wǎng)絡(luò) 與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(5)進行通信。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的碾壓機電源單元(4)包括有依次串聯(lián)連接的電源濾波電路(41) 、 DC-DC降壓模塊(42)和輸出電源濾波及去紋波電壓電路(43)，所述的電源濾波電路(41)的輸入端 連接碾壓機的24V輸出電源，所述的輸出電源濾波及去紋波電壓電路(43)分別輸出15V 和12V的直流電源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，其特征在于，所 述的信息自動采集裝置還包括有用于固定和安裝各個部件的設(shè)備集成機箱，所述的設(shè)備 集成機箱是采用防水、防電、防震的PVC制作的密封箱，箱內(nèi)的各個部件的間隙填充緩 沖泡沫實現(xiàn)碰撞緩沖，箱內(nèi)各個部件都設(shè)置有絕緣結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種心墻堆石壩碾壓過程信息自動采集裝置，包括有GPS接收機；與GPS接收機相連接收和發(fā)送GPS接收機所發(fā)出信號的無線傳輸單元DTU；與碾壓機械相連接和發(fā)送收碾壓機的輸出信號的激振力監(jiān)測VMU；分別通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收無線傳輸單元DTU和激振力監(jiān)測VMU的輸出信號的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；以及分別向GPS接收機、無線傳輸單元DTU和激振力監(jiān)測VMU提供電源的碾壓機電源單元；所述的GPS接收機分別連接有GPS衛(wèi)星天線和差分無線電天線。GPS接收機與無線傳輸單元DTU是通過RS-232進行通信。GPS衛(wèi)星天線安裝在碾壓機械上。本發(fā)明是一種高精度、全自動的填筑碾壓過程信息的實時采集裝置，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)的GPRS遠程實時傳送，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，為大壩碾壓質(zhì)量的遠程全天候?qū)崟r監(jiān)控提供了條件。
文檔編號G01S1/02GK101577043SQ20091006916
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者磊 劉, 劉東海, 博 崔, 鐘登華 申請人:天津大學(xué)