水利大坝监测智能识别系统

智能识别(RFID)是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。 一套完整 RFID系统由 Reader 与 Transponder 两部份组成，其动作原理为由 Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部之ID Code送出，此时Reader便接收此ID Code。 Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡、不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。
最基本的RFID系统由三部分组成：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象的所有信息； 阅读器(Reader)：读取（有时还可以写入）标签设备的信息，可设计为手持式或固定式； 天线(Antenna)或电缆：在标签和读取器间传递射频信号。
RFID的应用非常广泛，目前典型应用有银行卡片、汽车防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等。RFID标签有两种：有源标签和无源标签。
大坝安全监测智能识别系统应用的是有源标签和无源标签。

摘要：智能识别传感器的出现是大坝监测技术的一次革命，将对仪器的设计和制造提出新的要求，同时给仪器的使用方式带来了根本的改变。智能识别传感器内存有仪器的各项参数及编号，并可植入安装人员、安装时间、安装部位、安装环境，基准值等信息，采集时与读取系统自动交互，实现监测工作的无纸化，方便数据的快速查询统计计算。关键词：智能传感器；智能识别技术；电子标签ETC；识别芯片；传感器系数

传感器技术、[1] 现代通信技术与计算机技术是构成现代信息技术的三大基础，它们分别完成对被测量的信息感知、信息传输及信息处理，是当代科学发展的重要标志[2] 。随着加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断出现，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，人们把微处理器和传感器相结合，开发出具备一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器——“智能传感器”。智能传感器的出现是传感器技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远影响。

智能识别技术在我们日常生活中已随处可见，如身份证、银行卡、商品识别码、火车票公交卡、水电费自报收取等都大量使用了身份识别技术[3] 。在高速公路收费站汽车过站收费采用人工操作方式是：过往车辆停车缴费，收费员需要判断过往车辆的车型及收费标准，并读卡和收费找零工作。这导致过站时间长，在交通高峰期堵塞现象严重，时常因不能识别车辆是否或如何收费而扯皮。随着智能识别技术应用在车辆计费系统中(车载电子标签ETC)，可以在不停车的情况下在高速公路收费站快速通过自动计费[3] 。

当装有无线智能识别模块的车辆接近收费站时，无线智能识别模块将本车辆的缴费账户、存款金额、车辆车型、车牌号码、进路站点等识别信息发送给收费站智能收费系统，收费站的摄像机先对车辆的车牌号进行视频信息采集识别，并与系统数据库对比，两者一致进入收费程序。记录车辆进路站名、进站时间、出站名、出站时间等信息，并准确收取相应费用，同时将收费情况通过无线智能识别系统返回给车辆。当收费站与车辆的识别系统不一致时，将进入报警程序，下闸、向下个收费站发出预警等方式。智能识别技术应用在车辆计费系统中可有效缓解高速公路收费堵车问题，实现无人值守不停车自动缴费的工作。

大坝安全监测技术融入了电子、机械、光学、信息等多行业，是个多学科融合的专业。由于水电站大坝所处的重要性和应用环境的严酷及不可回收，所以对安全监测传感器的要求比其他行业更高，传感器必须是另部件少、可靠性高、前端少用电子元器件等。由于所限条件大坝监测传感器多数还停留在比较原始的状态，仅有将物理量转换为电量的功能。

在大量的工程实践中发现埋入大坝中的传感器有3个致命的弱点：1）现有的传感器都是通过电缆传输信号，在工地现场区分传感器之间的对应关系是依靠电缆尾部的标签，在建坝施工过程中，施工断面的变化、大型机械作业、人为的损坏都大量造成电缆线的断裂。多条成束电缆断裂后将很难判别每根电缆线与之相连的是那一支传感器，传感器标签也很容易磨损或丢失，这样就导致传感器因参数不可知(身份不明)而成为废品。2）工地现场测量沿用的是传统笔写纸记的方式，而测量仪表中也有自带存储的功能，可存储数据都是按时间排序的，多支传感器的测量数据又非常近似，即便人工判别也非常困难，没有智能识别的测量仪表的存贮和通讯功能只能是个摆设。3）大型的水电站的建设施工期都比较长达十多年以上，仪器安装的数量多、品种多、部位复杂。仪器的生产厂家、安装人员、安装时间、安装部位、仪器类型、仪器名称、仪器编号、仪器系数以及仪器基准值等原始资料，可能会随着时间的推移、安装记录人员的流动很难追溯，对日后数据整理解析大坝运行状态带来不便。

智能识别传感器[url=]编辑[/url]
大坝监测传感器智能识别技术就是将传感器的仪器名称、仪器类型、出厂编号、标定系数、温度修正系数等参数写进智能识别芯片，相当每个传感器都携带有电子身份证[3] 。附有智能识别功能的读取系统在测量时，首先读取智能识别芯片内的信息，当需要存贮测量数据时，测量数据是自动排列在传感器的编号及系数后。这样测量数据不管存贮在读数仪中或传输给计算机永远不会混乱，测量时也不需要再另记录电缆上的传感器编号，只要将测量数据存入读数仪就一定与本支传感器是对应的。如遇多支传感器电缆被剪断，只要将每支传感器测量一遍，就自动识别出了每支传感器所对应编号。

研制技术要点[url=]编辑[/url]
智能识别传感器有4部分组成：传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件、智能识别电路、信号传输部件。传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件及信号传输部件在长期的生产使用过程中已经非常成熟，智能识别传感器就是在原有传感器中加装智能识别电路。经调研发现已有的智能识别传感器在信号读取中需要2芯电缆，加上原有的物理量转换为电量的信号电缆需要6(振弦式) 芯或7(差阻式)芯电缆线才能满足其信号的读取；通用的识别电路复杂，线路板大无法植入现有传感器狭小的空间，信号电缆传输距离近等问题，智能识别技术要用在大坝监测传感器上必须解决以上问题。

3.1线缆芯数不变
智能识别传感器必须使原有的测量线缆芯数不变，因为许多工程在土建施工中都大量预埋了电缆，如果电缆芯数不对应，将需要重新敷设电缆增大成本。葛南公司研制的智能识别电路并接在传感器的温度电阻上，所以读取时与温度测量共用两芯线，解决了智能识别芯片读取需要多加电缆芯数的问题。

3.2识别电路可靠性
大坝监测传感器设计必须遵循组成部件在满足其使用性能的条件下元器件和机械另件越少越可靠的原则，葛南公司研制的传感器智能识别电路专为植入小巧传感器而设计的，面积大小约为0.4平方厘米，电路大量减化了外部元件的数量，提高了识别电路的可靠性。 智能识别电路图1。

                               
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Fig. 1 Read/Writecircuit schematic diagram ofintelligent identification
图1智能识别读写电路原理图.

3.3 数据存储
智能识别电路采用进口芯片绑定，读写次数≥100000次，可植入仪器名称、仪器类型、出厂编号、标定系数、温度修正系数等参数，植入数据可保存时间≥10年，可在恶劣的环境中使用，数据读取稳定不丢失，满足大坝长期监测的使用要求。

3.4 连续识别
智能识别芯片唤醒时间≤3ms，写读间隔≤8ms，可进行单次识别、连续识别，解决了自动或手动数据采集系统读取时快速切换的问题。

3.5 电缆距离长
特设的寄存器对前端仪器参数进行控制，使得每一次应用的读取距离最大化。由于有专设的读取程序(下行链路，从读取器到智能识别芯片)，读取距离达到800米以上，基本满足大型水电工程传感器长电缆传输的要求。

3.5 可重复写入
用户可以将自己重新检验的传感器标定系数、温度修正系数以及设计编号等写入智能识别芯片，有效解决了一次写入无法修改的问题，方便用户随时更新仪器参数，提高了智能识别功能的使用交互性。

智能识别读取系统[url=]编辑[/url]
智能识别采集系统就是在原有采集系统中增加读取识别芯片中的传感器各项参数及编号的功能，将读取到的传感器参数及识别出的传感器类型进行公式对应，并根据该传感器的各项参数、对应的计算公式、传感器输出的电量直接可以计算出实际物理工程值。

4.1读取识别芯片

                               
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智能识别采集系统在单支仪器逐个测量时，首先读取智能传感器识别芯片内传感器的各项参数及编号。智能识别振弦读数仪测量显示如图2：A为存贮单元、0048为序号、SA5121为传感器类型及编号、2008/10/18 10:28为日期和时间、K=0.4897με/F为传感器的标定系数、b=13.5με/℃为传感器的温度修正系数、【【】 为读数仪的在线电压、200-4840F为扫频激励范围、4500.5F为被测传感器的频率摸数值、R=3k为被测传感器温度计的类型、25.5℃为被测传感器的温度值。

                               
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Fig.2Display interface of the intelligent identification vibrating wire readoutinstrument.
图2智能识别振弦读数仪的显示界面
智能识别读数仪在连接自动或手动集线箱快速切换时可以设置连续快速识别，其读写间隔≤8ms的反应速度完全可以满足要求。

4.2 快速查询
智能识别采集系统在存贮测量数据时数据是自动排列在传感器的编号及系数后，与计算机通信后数据排列为：存贮单元及序号、仪器名称、仪器编号、标定系数、系数单位、温度修正系数、存贮日期及时间、频率模数值、频率值、温度值(如图3)，这样排列测量数据不管存贮在智能识别读数仪中或传输给计算机永远不会混乱，在大坝监测海量的数据中分析时可以任意按仪器名称、仪器编号、最小读数b···进行排序并查询，节约了查询的时间，解决了因数据量过大无法快速排序查询的难题。
智能识别采集系统可以判别出仪器类型，如：P08320为渗压计，SA7300为150mm标距的应变计，RF0091为配筋25mm的钢筋计(该钢筋计温度修正系数为0)··· ，并自动将判别出的仪器显示在仪器名称栏里，让观测人员一目了然，实现了数据排序的智能化。

                               
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Fig.3Snapshot shown in the computer of the data collected from the intelligentidentification readout instrument.
图3智能识别读数仪存贮数据上传计算机排列截屏

4.3 统计计算
智能识别采集系统先读取识别芯片中的传感器参数及编号，即可根据识别到的传感器类型调用与其对应的计算公式，根据传感器参数、计算公式、传感器测出的电量直接计算出实际物理工程值。
测斜仪智能识别读数仪测量显示如图4：29-X001为编号29号测孔-X方向第一个测点，GN6158为测斜仪的编号；99.5m为在测点高程孔深米数；+X +145.05mm为+X方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-X -148.05mm为-X方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-/2=+146.55mm为测量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm为测量值和的一半，理论铅垂线值。由下至上进行测量，每按一次线控开关(或存贮键)当前测量数据存贮一次，同时孔深递减一个设定的测量标距，存贮器序号加1(测点数)。将读数仪存储数据传输给计算机，计算机根据位移值数据绘制管形图，实现了测量工作无纸化，也方便测量数据的快速查询统计计算。

                               
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Fig.4Display interface of the intelligent identification inclinometer readoutinstrument
.图4智能识别测斜仪读数仪的显示界面
大坝监测仪器使用智能识别系统技术后，已在全国葛南几百个实际工程中使用，得到了现场使用人员的肯定和好评，解决了用户在测量时因测量数据不能随意快速存贮，而无法实现无纸化操作的困难，给大坝监测仪器的使用方式带来了根本的变革。

结语[url=]编辑[/url]
大坝及岩土工程监测仪器大多都使用在国计民生的大型重点工程上，要使测量工作真正做到无纸化的快速测量存贮，减轻测量人员的负担和减少记录失误，使用传感器智能识别技术将是时代发展的必然趋势。采用智能识别技术的传感器，可以省去大量的人工操作，解决了因传感器标签磨损、丢失、电缆被剪断导致传感器因参数不可知、身份不明而成为废品的难题。
随着时代的进步和科技的发展，计算机技术与网络技术大量应用到传感器中，加快了智能传感器的发展和普及，这将会是大坝监测技术的一次革命。

不错，这种在哪个项目已经应用，可以提供真实案例，以便推广1

zsh0307 发表于 2019-3-21 22:10
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方便的话，可以留个联系方式，相关资料发您邮箱。

请叫我徐小枣 发表于 2019-3-28 13:06
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