摘要：智能識別傳感器的出現(xiàn)是大壩監(jiān)測技術的一次革命，將對儀器的設計和制造提出新的要求，同時給儀器的使用方式帶來了根本的改變。智能識別傳感器內存有儀器的各項參數(shù)及編號，并可植入安裝人員、安裝時間、安裝部位、安裝環(huán)境，基準值等信息，采集時與讀取系統(tǒng)自動交互，實現(xiàn)監(jiān)測工作的無紙化，方便數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計計算。

Abstract: The appearance of intelligent identification sensors is a revolution of dam monitoring technology, which not only raises new requirements for the design and manufacture of the instruments, but also brings revolutionary ways in the usage. Within the intelligent identification sensors, the sensor numbers and sorts of parameters are stored. In addition, the information such as installation persons, installation time, installation parts, installation environment and the reference values can also be embedded in the sensors. At the time of data collection, the sensors can interact with the reading out system automatically to realize paperless monitoring and measurement, and facilitate the fast querying, analyzing, and calculating of data.

0 引言

傳感器技術、通信技術與計算機技術構成現(xiàn)代信息技術的三大基礎，它們分別完成對被測量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當代科學發(fā)展的重要標志。隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化已成為時代發(fā)展的趨勢：計算機技術和通信技術的結合產生了計算機網(wǎng)絡技術；計算機技術和傳感器技術的結合產生了智能傳感器技術；將兩者融合即計算機網(wǎng)絡技術與智能傳感器技術結合，便產生了智能網(wǎng)絡傳感器技術。

隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現(xiàn)，尤其是計算機硬件和軟件技術的滲入，人們把微處理器和傳感器相結合，開發(fā)了具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌爸悄軅鞲衅鳌盵1]。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感器技術的一次革命，對傳感器的發(fā)展產生了深遠影響。

智能傳感技術在我們日常生活中已隨處可見，如身份證、銀行卡、超市購物、商品包裝、水電費收取、火車票、汽車卡等都大量使用了身份識別技術。在高速公路收費站汽車過站收費采用人工操作方式是：過往車輛停車繳費，收費員需要判斷過往車輛的車型及收費標準，并讀卡和收費找零工作。這導致過站時間長，交通高峰期堵塞現(xiàn)象嚴重，時常因不能識別車輛是否或如何收費而扯皮，同時收費系統(tǒng)存有現(xiàn)金管理漏洞[2]。隨著智能識別技術應用在車輛計費系統(tǒng)中，可以在不停車的情況下在高速公路收費站快速通過自動計費。當裝有無線智能識別模塊的車輛接近收費站時，無線智能識別模塊將本車輛的繳費賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號碼、進路站點等識別信息發(fā)送給收費站智能收費系統(tǒng)，收費站的攝像機先對車輛的車牌號進行視頻信息采集識別，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對比，兩者一致進入收費程序。記錄車輛進站名、進站時間、出站名、出站時間等信息，并準確收取相應費用，同時將收費情況通過無線智能識別系統(tǒng)返回給車輛。當收費站與車輛的識別系統(tǒng)不一致時，將進入報警程序，下閘、向下個收費站發(fā)出預警等方式。智能識別技術應用在車輛計費系統(tǒng)中有效解決了高速公路收費堵車問題，實現(xiàn)了無人值守不停車自動繳費的工作。

1大壩監(jiān)測傳感器現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測技術融入了電子、機械、光學、信息等多行業(yè)，是個多學科融合的專業(yè)。由于水電站大壩所處的重要性和應用環(huán)境的嚴酷及不可回收，所以對安全監(jiān)測傳感器的要求比其他行業(yè)更高，傳感器必須是零部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由于所限條件大壩監(jiān)測傳感器多數(shù)還停留在比較原始的狀態(tài)：僅有將物理量測出電量的功能。

在大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn)埋入壩中的傳感器有3個致命的弱點：1）現(xiàn)有的傳感器大多是通過4芯或5芯電纜來實現(xiàn)信號的傳輸，在工地現(xiàn)場區(qū)分傳感器之間的對應關系是依靠電纜尾部的標簽，在建壩施工過程中，施工斷面的變化、大型機械作業(yè)、人為的損壞都大量造成電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂后將很難判別每根電纜線與之相連的是那一支傳感器，傳感器標簽也很容易磨損或丟失，這樣就導致傳感器因參數(shù)不可知(身份不明)而成為廢品。2）現(xiàn)在工地現(xiàn)場測量沿用的是傳統(tǒng)筆寫紙記的方式，而測量儀表中也有自帶存儲的功能，可存儲數(shù)據(jù)都是按時間排序的，多支傳感器的測量數(shù)據(jù)又非常近似，即便人工判別也非常困難，所以目前測量儀表的存貯和通訊功能只能是個擺設。3）大型水電站的建設施工期比較的長，儀器安裝的數(shù)量多、品種多。儀器的生產廠家、安裝人員、安裝時間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號、儀器系數(shù)以及儀器基準值等原始資料，可能會隨著時間的推移、安裝記錄人員的流動很難追溯，對日后數(shù)據(jù)整理解析大壩運行狀態(tài)帶來不便。    

2 具有智能識別功能的大壩監(jiān)測傳感器

大壩監(jiān)測傳感器智能識別技術就是將傳感器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)寫進智能識別芯片，相當每個傳感器都攜帶有電子身份證。具有智能識別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀在測量時，首先讀取智能識別芯片內的信息，當需要存貯測量數(shù)據(jù)時，測量數(shù)據(jù)是自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后。這樣測量數(shù)據(jù)不管存貯在讀數(shù)儀中或傳輸給計算機永遠不會混亂，測量時也不需要再另記錄電纜上的傳感器編號，只要將測量數(shù)據(jù)存入讀數(shù)儀就一定與本支傳感器是對應的。如遇多支傳感器電纜被剪斷，只要將每支傳感器測量一遍，就自動識別出了每支傳感器所對應編號。

3智能識別大壩監(jiān)測傳感器設計

智能識別傳感器有4部分組成：傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉換為電量的敏感元件、智能識別電路、信號傳輸部件。傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉換為電量的敏感元件及信號傳輸部件在長期的使用生產過程中已經(jīng)非常成熟，智能識別傳感器就是在原有傳感器中加裝智能識別電路。經(jīng)調研發(fā)現(xiàn)已有的智能識別傳感器在信號讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉換為電量的信號電纜需要6或7芯電纜線才能滿足其信號的讀取，識別電路復雜線路板大無法植入現(xiàn)有傳感器狹小的空間，信號傳輸距離近等問題，研制的智能識別傳感器要用在大壩監(jiān)測工程上必須解決以上問題。

3.1線纜芯數(shù)不變

智能識別傳感器要使原有的測量線纜芯數(shù)不變，許多工程在土建施工中都大量預埋了電纜，這樣設計可以減少工程電纜成本，同時改造工程不需要另換電纜。我公司研制的智能識別芯片是專為植入小巧傳感器而設計的，因并接在了傳感器溫度電阻上，所以讀取時與溫度測量共用兩芯線，解決了智能識別芯片讀取需要多加電纜芯數(shù)的問題。

3.2識別電路可靠

大壩監(jiān)測傳感器設計必須遵循組成部件在滿足其使用性能的條件下元器件和機械部件越少越可靠的原則，葛南公司研制的傳感器智能識別電路大小約為0.4平方厘米，電路大量減化了外部元件的數(shù)量，提高了識別電路的可靠性。 智能識別電路圖1

圖1 智能識別讀寫示意圖

3.3數(shù)據(jù)存儲時間長

智能識別電路采用進口芯片綁定，讀寫次數(shù)≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，植入數(shù)據(jù)可保存時間≥10年，可在惡劣的環(huán)境中使用，數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定不丟失，滿足大壩長期監(jiān)測的使用要求。

3.4連續(xù)識別

智能識別芯片喚醒時間≤3ms，寫讀間隔≤8ms，可進行單次識別、連續(xù)識別，解決了自動或手動集線箱讀取時快速切換的問題。

3.5讀取電纜距離長

特設的寄存器對前端儀器參數(shù)進行控制，使得每一次應用的總讀取距離最大化。由于有專設的讀取程序(下行鏈路，從讀取器到智能識別芯片)，讀取距離達到800米以上，基本滿足大型水電工程傳感器長電纜傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.5可重復擦除和寫入

用戶可以用專用的編程器將自己重新檢驗的傳感器標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)以及設計編號等寫入智能識別芯片，有效解決了一次寫入無法修改的問題，方便用戶隨時更新儀器參數(shù)，提高了智能識別功能的可使用的交互性。

4智能識別采集系統(tǒng)設計

智能識別采集系統(tǒng)就是在原有采集系統(tǒng)中增加讀取識別芯片中的傳感器各項參數(shù)及編號的功能，將讀取到的傳感器參數(shù)及識別出的傳感器類型進行公式對應，并根據(jù)該傳感器的各項參數(shù)、對應的計算公式、傳感器輸出的電量直接可以計算出實際物理工程值。

4.1讀取識別芯片

智能識別采集系統(tǒng)在單支儀器逐個測量時，首先讀取智能傳感器識別芯片內傳感器的各項參數(shù)及編號。智能識別采集系統(tǒng)顯示如圖2內容為：A為存貯單元、0048為序號、SA5121為傳感器類型及編號、2008/10/18 10:28為日期和時間、K=0.4897με/F為傳感器的標定系數(shù)、b=13.5με/℃為傳感器的溫度修正系數(shù)、為讀數(shù)儀的在線電壓、200-4840F 為掃頻激勵范圍、4500.5F為被測傳感器的頻率摸數(shù)值、R=3k為被測傳感器溫度計的類型、25.5℃為被測傳感器的溫度值。

圖2

智能識別采集系統(tǒng)在連接自動或手動集線箱快速切換時可以設置連續(xù)快速識別，其寫讀間隔≤8ms反應速度完全可以滿足要求。

4.2快速查詢

智能識別采集系統(tǒng)在存貯測量數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)是自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后，其與計算機通信后數(shù)據(jù)排列為：存貯單元及序號、儀器名稱、儀器編號、標定系數(shù)、系數(shù)單位、溫度修正系數(shù)、存貯日期及時間、頻率模數(shù)值、頻率值、溫度值(如圖3)，這樣排列測量數(shù)據(jù)不管存貯在智能識別采集系統(tǒng)中或傳輸給計算機永遠不會混亂，在大壩監(jiān)測海量的數(shù)據(jù)中分析時可以任意按儀器名稱、儀器編號進行排序并查詢，節(jié)約了查詢的時間，解決了因數(shù)據(jù)量過大無法快速排序查詢的難題。

注：為具有溫度自動補償?shù)膫鞲衅鳌?/p>

圖3

4.3統(tǒng)計計算

智能識別采集系統(tǒng)先讀取識別芯片中的傳感器參數(shù)及編號，即可根據(jù)識別到的傳感器類型調用與其對應的計算公式，根據(jù)傳感器參數(shù)、計算公式、傳感器測出的電量值接計算出實際物理工程值。

例如葛南公司生產的智能測斜儀，其每支傳感器都有獨立的標定系數(shù)，在標定過程中計算機與智能識別芯片組成系統(tǒng)自動將儀器名稱、儀器編號、標定后計算得到的系數(shù)等參數(shù)寫入智能識別芯片存儲器中，完成傳感器參數(shù)的錄入工作。出廠時把智能識別芯片中的傳感器參數(shù)發(fā)給計算機，即可完成傳感器的出廠檢驗與存檔。

智能測斜儀在使用中，將具有智能識別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀開機，讀數(shù)儀先進行自檢，自檢通過后讀取智能識別芯片中的測斜儀參數(shù)，進入測斜儀設定菜單。

GN6158為具有智能識別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀讀到的該測斜儀的出廠編號；設定日期時間為當前的測量時間；設定孔號為待測孔的編號從01～99備選，設定孔深為待測孔的深度從0.5～99.5備選；測量標距為待測測斜儀每個測點的測量標距(L)從0.5～9.5備選；測量方向為測斜管有四個方向導槽，定義為+A、-A、+B、-B，保存設定進入測量狀態(tài)。進入測量狀態(tài)的同時智能讀數(shù)儀調用與之相對應的計算公式，根據(jù)智能識別芯片里的儀器參數(shù)與傳感器測出的電量直接計算出實際物理工程值。

顯示屏顯示的測量菜單：GN6158為智能測斜儀的編號；99.5m為當前在測點高程的孔深米數(shù)；+A為當前在測導槽的正方向；+145.05mm為當前在測測斜儀+A方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-A為當前在測導槽的負方向；-148.05mm為當前在測測斜儀-A方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-/2=+146.55mm為測斜儀測量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm為測斜儀測量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進行測量，每按一次線控開關(或存貯鍵)當前測量數(shù)據(jù)存貯一次，同時孔深遞減一個設定的測量標距，存貯器序號加1。將智能讀數(shù)儀存儲數(shù)據(jù)直接傳輸給計算機，計算機根據(jù)位移量數(shù)據(jù)繪制管形圖，實現(xiàn)了測量工作無紙化，也方便測量數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計計算。

葛南公司2007年開始研制大壩監(jiān)測傳感器智能識別系統(tǒng)，2008年起公司將所有傳感器加裝智能識別芯片，讀數(shù)儀增加智能識別讀取功能、多弦測量功能。解決了用戶在測量時因測量數(shù)據(jù)不能隨意快速存貯，而無法實現(xiàn)無紙化操作的困難，給大壩監(jiān)測工作方式帶來了根本的改變。

至推出大壩監(jiān)測智能識別傳感器以來經(jīng)眾多工程使用，用戶非常歡迎，年銷售智能識別傳感器近8000支，智能識別采集系統(tǒng)讀數(shù)儀近400臺，每年工程應用實例超過200項，智能識別技術得到了市場的認可。

5結語

大壩及巖土工程監(jiān)測儀器大多都使用在國計民生的大型重點工程上，要使測量工作真正做到無紙化快速測量存貯，減輕測量人員的負擔和減少記錄失誤，使用傳感器智能識別技術將是時代發(fā)展的必然趨勢。采用智能識別技術的傳感器，可以省去大量的人工操作，解決了因傳感器標簽磨損、丟失、電纜被剪斷導致傳感器因參數(shù)不可知、身份不明而成為廢品的問題。

隨著科學技術的發(fā)展及大壩監(jiān)測專業(yè)需要更智能的傳感器將會不斷推新，市場前景非常廣闊。智能識別技術的不斷進步和成本的降低，計算機技術與網(wǎng)絡技術大量應用到傳感器中，推進更智能的網(wǎng)絡傳感器的研發(fā)和普及，將是大壩監(jiān)測技術的一次革命。

參考文獻：

[1] 景博，張劼，孫勇。智能網(wǎng)絡傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡。國防工業(yè)出版社。

[2] 肖建華，廖惜春。無線車輛計費系統(tǒng)中的智能識別技術。中南大學學報。