专利名称：自动化应变测量和监测系统及其方法
技术领域：
本发明涉及应变测量和监测技术领域，具体涉及一种应变监测系统及其管 理方法。
背景技术：
应变测量技术广泛应用于桥梁、大坝等结构状态测量。
现有的应变测量系统多为手动检测，如对桥梁的应变监测，目前的方法是 将振弦应变传感器安装于桥梁结构内，监控人员每天在温度稳定时，携带读数 仪爬上桥去采集应变数据，对于具有多个截面的桥梁，还需要在很短的时间内 通过脚手架爬上和爬下所有截面，工作强度大，危险性高，同时由于难以在同 一温度稳定时间内测量多个截面的应变测量点，监控质量难以保证。此外，多 数情况下一个监控技术人员每天只需去上桥一次，其它时间自由安排。但又不 能离开桥梁工地。所以一个桥的施工监控就要一个技术人员待上几年时间。形 成严重人力资源浪费。
一些公司已经计划放弃施工监控行业。
而一些自动应变监测系统，应变数据采集装置长期处于工作状态，耗电量 大，故障率高，而应变监测对象通常处于野外没有安装市电之处，供电与维护
均极为不〗更，严重影响了应变监测技术的应用；其应变数据采集装置与管理装 置也通常采用有线连接，给应变监测系统的安装和使用带来困难。
如公开号为CN1901418A的中国发明专利申请公布说明书，其中公开了一 种土质边坡分布式光纤应变监测方法和系统，其中分布式光纤通过本地计算机 和互联网络与远程计算机相联，其监测现场的本地计算机即需要市电供应才能 工作，本地计算机与远程计算机通过互联网络连接对于野外监测对象也难以实 现。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种自动化应变测量和监测 系统，能对应变计进行远程数据采集工作。
本发明的目的是这样实现的，应变监测系统，包括应变计，其特征在于 包括采集器、管理器和上位机，其中
采集器，采集应变计的应变lt据并传输到管理器；
管理器，接收采集器传输的应变数据并传输到上位机，管理器包括一采集 器管理模块，管理器接收上位机的控制信号，对釆集器进行控制、管理； 上位机，向管理器发送控制信号，并接收管理器传输的应变数据； 所述管理器与上位机之间通过无线方式进行通讯。 进一步，所述采集器还包括 应变计驱动模块，对应变计进行驱动控制； 数据采集控制模块，激励应变计采集数据并接收应变数据； 数据存储模块，存储数据采集控制模块接收的应变计釆集的应变数据；以
及
采集器通讯模块，与管理器和其他采集器进行通讯，接收管理器发出的控 制信号，并将数据存储模块的应变数据发送到管理器；
进一步，所述采集器还包括采集器状态控制模块，控制采集器的状态； 电源管理模块，根据采集器状态控制模块设置的工作状态，对釆集器的电 源进行管理；
通讯方式管理模块，转换采集器的通讯方式；以及
釆集器的交互存储模块，通过采集器通讯模块与其他釆集器进行通讯，保 存其它采集器的应变数据；
进一步，所述采集器的状态包括浅休眠状态、深休眠状态、运行状态和采集状态；
进一步，所述管理器还包括
管理器通讯模块，与采集器和上位机进行通讯，接收上位机发送的控制信 号，向采集器发送控制信号，并接收采集器发送的应变数据；以及 多数据存储模块，存储管理器通讯模块接收的应变数据； 进一步，所述管理器还包括
同步休眠控制模块，设置深休眠时间并通过管理器通讯模块更新采集器深 休眠时间、发送深休眠命令和唤醒命令；
采集器状态维护模块，通过管理器通讯模块向采集器发送问答命令，通过 采集器的反馈，获取采集器的数量、工作状态和ID;
进一步，所述采集器和管理器的处理装置采用单片机。
本发明还提供一种自动化应变测量和监测方法，包括以下步骤
1) 采集器上电后进行初始化，然后进入浅休眠状态； 管理器上电后进^f于初始化；
2) 休眠时间到后，采集器进入运行状态，等待管理器的命令；
3) 管理器向采集器发送唤醒命令，唤醒采集器；
4) 管理器根据上位机的命令向采集器发送采集命令，采集器对应变计进行 数据采集并储存；
5 )管理器根据上位机的命令向采集器发送传输命令，采集器接收到传输命 令后将储存的应变计数据发送到管理器；
6) 管理器接收到采集器发送的应变数据后进行储存，并发送到上位机。 进一步，步骤6)之后还包括以下步骤
7) 管理器设置深休眠时间并发送到采集器，更新采集器的深休眠时间；
8) 管理器向采集器发送深休眠深休眠命令，采集器接收深休眠命令后进入 深休眠状态。
进一步，所述应变监测系统管理方法还包括采集器并相互备份其他采集器中的应变数据的步骤。
相对于现有技术，本发明具有如下优点同时本发明的应变监测系统采用 GPRS等无线通讯手段，^使管理者可方便得远程对监测系统进行管理，无需现 场对应变计数据进行采集，能同时测量多个点，甚至多个桥梁的所有应变点， 保证监测质量，提高数据采集效率和准确率，也无需派人职守监控现场，能极 大地节约人力资源；在进一步的技术方案中，釆集器包括一采集器状态控制模 块，能控制采集器的工作状态，管理器包括一采集器管理^t块，能对采集器进 行控制、管理；采集器根据预先设置或实时命令，在浅休眠状态、深休眠状态、 运行状态和采集状态中切换工作状态，有效降低耗电量，在更进一步的技术方 案中，采集器和管理器的控制部分都采用单片机实现，能极大减小体积，减少 耗电量，方便安装和使用；多个采集器和管理器可构成一个备份网络，相互保 存数据，以确保数据安全。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐 述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显 而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可 以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获
^曰付。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本 发明作进一步的详细描述
图1示出了本发明应变监测系统的结构示意图； 图2示出了采集器的结构示意图； 图3示出了管理器的结构示意图。
具体实施例方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。参见图1,本实施例的自动化应变测量和监测系统，包括采集器l、管理器
2和上位机3，其中采集器l，用于采集监测对象的应变数据并传输到管理器2; 管理器2用于接收采集器1传输的应变数据并传输到上位机3,并对采集器1 进行控制、管理；上位机3用于向管理器2发送控制信号，并接收管理器2传 输的应变数据。
参见图2,采集器1包括应变计驱动模块11、数据采集控制模块12、数据 存储模块13、采集器通讯模块14、采集器状态控制模块15、电源管理模块16 和通讯方式管理模块17，应变计驱动模块11用于对应变计进行上电、掉电和 初始化等操作，数据采集控制模块12用于采集应变计的应变数据并存储到数据 存储模块13;采集器通讯模块14,与管理器2进行通讯，接收管理器2发出的 控制信号，并将数据存储模块12的应变数据发送到管理器2，采集器通讯模块 14还可与其他采集器进行通讯，互相传输应急数据，相互进行备份；采集器通 讯模块14采用IEEE802.11、蓝牙、串口等现有的有线或无线通讯方式与管理 器2及其他采集器进行通讯，通讯方式管理模块17用于对采集器通讯模块14 的通讯方式进行切换；采集器状态控制模块15通过电源管理模块16控制采集 器的状态；所述采集器的状态包括浅休眠状态、深休眠状态、运行状态和采集 状态，深休眠是以设定的时间进行的休眠， 一般时间较长，如1小时，浅休眠 是以约定的时间进行的休眠， 一般时间较短，如5秒。
参见图3，所述管理器2包括采集器管理模块21、管理器通讯模块22、多 数据存储模块23、同步休眠控制模块24、采集器状态维护模块25;其中管理 器通讯模块22用于与采集器和上位机进行通讯，其与上位机之间采用GPRS进 行通讯，采集器管理模块21通过管理器通讯模块22接收上位机的控制信号、 向采集器发送控制信号；多数据存储模块23用于存储管理器通讯模块22接收 的应变数据；同步休眠控制模块24，用于设置深休眠时间并通过管理器通讯模 块22更新采集器1深休眠时间、发送深休眠命令；采集器状态维护模块25通 过管理器通讯模块22向采集器1发送问答命令，通过采集器1的反馈，获取采集器1的数量、工作状态和ID;管理器2也可包括一状态控制模块和电源管理 模块，来管理自身的工作状态。
所述采集器和管理器的处理装置釆用单片机，通过编程实现上述模块功能；
其中采集器还可具体设置以下软件模块 1.1初始^ft应变计
功能确认应变计的个lt及每一个应变计的ID、初始读凄t 输入无
输出应变计的ID，初始读凄史
流程向应变计发送激振信号，读取回复信息，确认应变计ID及读数。 1.2进入浅^f木眠 功能进入浅休眠 输入浅《木眠时间(5s) 输出无
流程关闭电源(无线、采集)，清除唤醒标志位，向外部定时器设定"浅休眠 时间"，设置〗木眠标志位进7vf木眠。 1.3苏醒
功能被中断信号从4木眠状态唤醒 输入唤醒信号 输出无
流程开启无线通信电源，设置下一次休眠时间，等待无线电源稳定后，进入
接收命令。
1.4接收命令
功能接收唤醒命令
输入无
输出无
流程等待串口输入信息，如果为唤醒信号，则设置唤醒标志位，更新下一次 休眠时间；如果下一次休眠时间到，则转入1.2进入浅休眠。1.5等待管理器命令 功能接收管理器命令 输入无 4t出无
流程接收完整命令，如果不是给自己的则抛弃，转入1.5等待管理器命令；
如果是自己的则重置下一次休眠时间，解析命令并进入相应模块。如果下一次
休眠时间到，则转入1.2进入浅^木眠。
1.6进入深休眠
功能进入深休眠
输入深休眠时间
输出无
流程关闭电源(无线、采集)，清除唤醒标志位，清除^f木眠时间更新标志，向
外部定时器设定"深休眠时间"，设置休眠标志位进入休眠。
1.7接收问答信号
功能向管理器回复问答信号。
输入无
输出无
流程使用串口想管理器回复问答响应。 1.8接收唤醒信号
功能在接受命令中接受到唤醒信号，更新其Timeout时间 输入无 输出无
流程4妄收唤醒4言号，更新timeout时间。 1.9接收采集命令
功能接收到采集命令，转入采集功能。 输入无 输出无流程接收到采集命令，向管理器回复命令，进入采集状态。 1.10数据传送
功能接收到数据传送命令，将采集到的应变数据传回管理器。 输入无 输出无
流程接收到数据传送命令，判断数据是否采集好，如果采集好，则向管理器
传送数据。
1.11更新〗木眠时间
功能更新〗木眠时间
输入新的<水眠时间
输出无
流程将接收到的l木眠时间更新为新的^木眠时间，i殳置休眠时间已更新标志。
1.12釆集数据
功能采集应变计数据。
输入无
输出无
流程清除应变计lt据更新标志，针对采集器管理的所有应变计采集其应变数 据。设置数据更新标志。
管理器还可具体设置以下软件模块 2.0上电初始4t:
功能单片机上电后的自身初始化工作，主要是对变量的初值。 输入无 输入无 流程略
2.1输入并确认时间
功能要求用户输入时间，并让用户对输入的时间进行确认 输入无输出无
流程
1. 读取默认时间(0);
2. 调用显示函数显示信息；
3. 设置Timeout时间，等待用户输入；
4. 用户 一旦使用键盘，取消Timeout设置；
5. 设置用户输入的时间，提示用户是否保存刚才输入的时间，如否，则转入 2重新丰#入时间；
6. 将用户输入的时间保存到EPROM中；
7. Timeout时间到，直接跳出。 2.2输入并确认电话
功能要求用户输入上位机GPRS通讯模块的电话号码，并让用户对输入的电
话进行确认。
输入无
输出无
流程同2.1。
2.3输入并确iU木眠时间
功能要求用户输入〗木眠时间并确认。
输入无
输出无
流程同2.1
注设置一个有效的电话号码。 2.4确认采集器
功能唤醒采集器，并确认唤醒的采集器。 输入无
输出有效采集器ID 流程1. 确认并记录有回复的釆集器ID;
2. 重复以上操作3次。 2.5采集器采集
功能向采集器发送采集命令。 输入有效的采集器ID 输出无
流程依次向有效的釆集器发送采集命令，并等待其回复；记录未回复的釆集 器ID。
2.6收集数据
功能向采集器发送收集命令收集数据 输入有效的采集器ID 输出无
流程依次向有效的采集器发送数据收集命令，并接收数据，存储、显示数据， 记录未回复的采集器ID并显示；
如果有未回复ID,发送唤醒命令，对未回复ID重复2.6收集数据，重复3
次；
进入2.7发送数据。 2.7发送数据
功能将最新数据利用GPRS将数据传输到服务器。 输入无 输出无
流程判断釆用GPRS或者其他通讯设备，初始化通信系统，定位最新数据， 发送数据。
2.8是否进入工作状态
功能由用户判断是否进入工作状态。
输入无
输出无流程设定默认值(Y)和Timeout,显示提示信息，等待用户输入。如果用户 输入Y，则进入设置工作状态位，转入2.9,否则转入2.4。 2.9确保采集器处于就绪态
功能确保所有的采集器都处于"等待管理器命令"的状态。 输入无 输出无
流程依次向所有有效采集器发送问答命令，记录未响应的釆集器ID;
如果有未响应的采集器，则发送唤醒命令，并再次确认。最多重复5次。 2.10休眠采集器
功能更新所有采集器的深休眠时间并使之休眠。 输入^木眠时间 输出无
流程依次向所有有效采集器发送更新休眠时间命令，记录未响应的釆集器ID 发送统一休眠指令；
一定时间后发送问答命令以确认所有采集器都已经休眠。 2.11深〗木眠
功能将管理器进入到深^^眠状态。
输入休眠时间
输出无
流程同1.6。
2.12苏醒
同模块1.3。
2.13唤醒采集器
功能唤醒所有采集器
输入无
输出无
流程发送一定时长的唤醒命令；发送有效的采集器ID，记录未回复的采集器ID; 如有未回复的采集器，重复以上#喿作3次。 本实施例的应变监测系统采用如下步骤进行数据采集管理
1) 采集器上电后进行初始化，然后进入浅休眠状态； 管理器上电后进行初始化；
2) 休眠时间到后，采集器进入运行状态，等待管理器的命令； 3 )管理器向采集器发送唤醒命令，唤醒采集器；
4) 管理器根据上位机的命令向采集器发送釆集命令，采集器对应变计进行 数据采集并储存；
5) 采集器并相互备^f分其他采集器中的应变数据；
6) 管理器根据上位机的命令向采集器发送传输命令，采集器接收到传输命 令后将储存的应变计数据发送到管理器；
7) 管理器接收到采集器发送的应变数据后进行储存，并发送到上位机；
8) 管理器设置深休眠时间并发送到采集器，更新采集器的深休眠时间；
9) 管理器向采集器发送深休眠深休B民命令，采集器接收深休眠命令后进入 深休眠状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领 域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和 范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技 术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1. 自动化应变测量和监测系统，包括应变计，其特征在于包括采集器、管理器和上位机，其中采集器，采集应变计的应变数据并传输到管理器；管理器，接收采集器传输的应变数据并传输到上位机，管理器包括一采集器管理模块，管理器接收上位机的控制信号，对采集器进行控制、管理；上位机，向管理器发送控制信号，并接收管理器传输的应变数据；所述管理器与上位机之间通过无线方式进行通讯。
2. 根据权利要求1所述的自动化应变测量和监测系统，其特征在于所述 采集器还包括应变计驱动纟莫块，对应变计进^f于驱动控制；数据采集控制模块，激励应变计采集数据并接收应变数据；数据存储模块，存储数据采集控制模块接收的应变计采集的应变数据；以及采集器通讯模块，与管理器和其他采集器进行通讯，接收管理器发出的控 制信号，并将数据存储模块的应变数据发送到管理器。
3. 根据权利要求2所述的自动化应变测量和监测系统，其特征在于所述 采集器还包括采集器状态控制才莫块，控制采集器的状态；电源管理模块，根据采集器状态控制模块设置的工作状态，对采集器的电 源进行管理；通讯方式管理模块，转换采集器的通讯方式；以及采集器的交互存储模块，通过采集器通讯模块与其他采集器进行通讯，保 存其它采集器的应变lt据。
4. 根据权利要求3所述的自动化应变测量和监测系统，其特征在于所述 采集器的状态包括浅休眠状态、深休眠状态、运行状态和采集状态。
5. 根据权利要求1所述的自动化应变测量和监测系统，其特征在于所述 管理器还包括管理器通讯模块，与采集器和上位机进行通讯，接收上位机发送的控制信 号，向采集器发送控制信号，并接收采集器发送的应变数据；以及 多数据存储模块，存储管理器通讯模块接收的应变数据。
6. 根据权利要求5所述的自动化应变测量和监测系统，其特征在于所述 管理器还包括同步休眠控制模块，设置深休眠时间并通过管理器通讯模块更新采集器深 休眠时间、发送深休眠命令和唤醒命令；采集器状态维护模块，通过管理器通讯模块向采集器发送问答命令，通过 采集器的反馈，获取采集器的数量、工作状态和ID。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的自动化应变测量和监测系统，其特 征在于所述采集器和管理器的处理装置采用单片^/L。
8. 自动化应变测量和监测方法，其特征在于包括以下步骤1) 采集器上电后进行初始化，然后进入浅休眠状态； 管理器上电后进^f于初始化；2) 休眠时间到后，采集器进入运行状态，等待管理器的命令；3) 管理器向釆集器发送唤醒命令，唤醒采集器；4) 管理器根据上位机的命令向采集器发送采集命令，采集器对应变计进行 数据采集、储存；5 )管理器根据上位机的命令向采集器发送传输命令，釆集器接收到传输命 令后将储存的应变计数据发送到管理器；6)管理器接收到采集器发送的应变数据后进行储存，并发送到上位机。
9. 根据权利要求8所述的应变监测系统管理方法，其特征在于步骤6)之后还包括以下步骤7) 管理器设置深休眠时间并发送到釆集器，更新采集器的深休眠时间；8) 管理器向采集器发送深休眠命令，釆集器接收深休眠命令后进入深休眠状态。
10.根据权利要求8或9所述的应变监测系统管理方法，其特征在于所述 自动化应变测量和监测方法还包括采集器相互备份其他采集器中的应变数据的步骤。
全文摘要
本发明提供一种自动化应变测量和监测系统及其方法，所述应变监测系统包括应变计、采集器、管理器和上位机，采集器，采集应变计的应变数据并传输到管理器；管理器，接收采集器传输的应变数据并传输到上位机，管理器包括一采集器管理模块，管理器接收上位机的控制信号，对采集器进行控制、管理；上位机，向管理器发送控制信号，并接收管理器传输的应变数据；所述管理器与上位机之间通过无线方式进行通讯，管理者可方便的远程对监测系统进行管理，无需现场对应变计数据进行采集，能同时测量多个点，甚至多个桥梁的所有应变点，无需派人值守监控现场，节约人力资源；进一步的技术方案中，采集器相互之间保存数据，实现交互数据备份，保证数据安全。
文档编号G01B21/32GK101446488SQ200810233390
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者周志祥, 张奔牛, 曹建秋, 果 闫 申请人:重庆交通大学