用于深层测斜的具有数据采集与控制功能的测斜系统的制作方法

本发明涉及土体深层水平位移测量的变形监测领域，具体涉及一种用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统及其测斜方法。

背景技术：

测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的顶角、方位角的仪器；测斜管的安装埋设工作，是测斜仪的前期重要组成部分，测斜管的主要作用是倾斜观测；深层土体测斜监测是建筑深基坑施工监测的重要组成部分，通过测斜监测可以了解深层土体的变形大小和运动趋势。目前，常规的土体测斜监测仪主要分为固定式测斜仪和便携式测斜仪。

固定式测斜仪通常固定在测斜管内，根据被测深度，将固定式测斜仪进行串联固定至测斜管内，进行数据的实时采集和传输；例如中国专利CN102305618A公开了一种串联固定式无线测斜仪，该测斜仪包括测斜管、与监测主机无线通信的无线采集器，采集测量信号的多个测斜传感变送器，无线采集器设置在测斜管孔口位置，测斜传感变送器设在测斜管内，无线采集器和测斜传感变送器采用RS485工业总线进行通信，该无线测斜仪虽然具有功耗低、测斜精度高，单孔测量量程大等优点，但该固定式测斜仪串联使用成本高，固定式测斜仪安装相对复杂，单个损坏时，更换难度大，并且因固定式测斜仪的长度，测点分布通常无法满足规范0.5m/1m的分布要求；中国专利CN103063197A公开了一种固定式测斜仪系统，该系统包含一组传感器、数据采集系统，数据发送系统以及数据接收系统，其传感器与数据采集系统相连，数据采集系统与数据发送系统相连，数据发送系统将数据通过GPRS传递给数据接收系统，其传感器同样也是采用串联式的传感器连接方式，虽然该测斜系统逐级分时供电给传感器完成采集并上传信号，保证了信号的可靠传递且实现了整个系统的低功耗，但因其多个传感器采用串联的方式其同样存在与上述固定式测斜仪相同的技术缺陷和问题。

便携式测斜仪通常是人工使用，定期到测斜管按操作规范，进行测量，无法摆脱人工，测量频率和测点分布受限，工作效率低，受气候和时间的限制无法实现全天候实时化测量。例如中国专利CN105444736A公开了一种智能化手持式深孔测斜仪及测斜方法，该测斜仪包括测量探头、滑轮、手持功能端和后台服务器，通过滑轮在测斜管中滑动进行测量，其方法中，逐一对测斜管内多个测量位置进行倾斜度的测量，其中在同一测量位置处同时对该测量位置所在平面内两个设定方向的倾斜度进行测量，相邻两测量位置具有设定距离，获取各测量位置处的倾斜度数据，根据各测量数据进行处理得到变形位移数据；中国专利CN105973200A公开了一种自动化便携式测斜仪，该测斜仪包括传感器探头、电缆、定位孔盖、绕线盘和设备终端等，其传感器探头与电缆的一端相连，电缆的另一端与绕线盘相连，定位孔盖设置在测斜管的上端部用于对电缆进行定位，该测斜仪采用数据采集方式和测量软件，一定程度上实现了预埋测斜管的倾斜变形的自动化测量，但该测斜仪同样仍需人工辅助，并且测斜频率和测斜点分布受限，其数据采集与传输为非同步模式，采集数据通过设备终端自带的蓝牙传输，数据传输距离有限，且稳定、可靠性相对较差。

另外，《建筑施工》2016年第2期，第141-142页，“自动化测斜技术在深层土体水平位移监测中的应用”一文中，介绍一种创新的自动化测斜技术，它通过无线传输将测斜数据实时、自动化传输至应用终端，该技术监测连续性高，不受环境影响，该自动化测斜系统主要由测斜仪、数据采集单元、无线传输系统和应用终端四部分组成，虽然该自动化测斜系统能够实现自动化数据采集、传输、存储及数据处理计算等，但其测斜仪仍然是采用固定式测斜仪，其各测斜传感器采用串联的方式进行测斜，并且该文献也并未公开通过何种具体的自动数据采集及传输的方式实现实时连续跟踪测量。

技术实现要素：

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种全自动化的符合测斜规范测点分布要求的，具有测量频率高、无需人工干预的、成本低、低功耗、测量效率及精度高的能够更加真实跟踪深层土体位移变化情况的用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统及其测斜方法，其技术方案如下：

一种用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统，包括：测斜管、牵引电机、自动化测斜采集器以及自动化测斜控制器，其特征在于，所述自动化测斜采集器包括测斜传感器、存储模块、无线模块以及采集处理器模块；所述自动化测斜控制器包括电机驱动器、测距设备、门磁开关、无线模块及控制处理器模块；所述采集处理器模块分别与所述测斜传感器、存储模块及无线模块之间相互电信号连接，所述控制处理器模块分别与所述电机驱动器、测距设备、门磁开关及无线模块之间相互电信号连接；所述测斜传感器通过所述牵引电机牵引在所述测斜管中做往复运动，且在运动至指定测斜点时，自动化测斜采集器采集该指定测斜点的倾斜数据，在所述自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块之间实现无线数据同步。

进一步，所述测斜系统还包括数据服务云平台，所述自动化测斜控制器还包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块使测斜数据通过GPRS网络传输至所述数据服务云平台中。

进一步，所述自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块均为433M通信模块。

进一步，所述电机驱动器用于控制所述牵引电机的运动状态和方向，控制牵引电机使得牵引电机牵引测斜传感器在一个采集点测量后下放到下一个采集点，并在完成最后一个测量点的数据采集后，将测斜传感器牵引至测斜管口；所述测距设备用于对采集点的距离进行测量或精确定位采集点位置；所述门磁开关用于检测所述自动化测斜采集器的测斜传感器是否在测斜管口处，并发出检测信号。

进一步，所述无线数据同步采用时间同步机制，即制定工作时间表，所述工作时间表由待机时间、采集器工作时间和控制器工作时间组成，使得采集器和控制器在各自的时间节点上完成对应的工作。

进一步，所述自动化测斜采集器还包括运动状态检测单元、低功耗电源管理单元及工作状态指示单元，所述运动状态检测单元用于检测采集器的测斜传感器是否处于被牵引电机牵引运动的状态，所述低功耗电源管理单元，能够使的所述自动化测斜采集器间歇性地开关其无线模块电源，在非工作状态处于低功耗模式，所述工作状态指示单元用于对所述自动化测斜采集器的工作状态进行显示。

进一步，所述自动化测斜控制器还包括压力检测装置，用于处理所述测斜传感器在运动状态下卡在所述测斜管中的异常，实时检测牵引线上所承受的拉力，当拉力大于设定的阈值，所述电机驱动器停止电机的驱动拉力，并尝试下放一段距离，再继续上拉。

另外，本发明还提供一种如前述的用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统的测斜方法，该方法包括以下步骤：

1)采用所述测斜系统的所述自动化测斜采集器在所述自动化测斜控制器的控制下对土体深层进行测斜的数据采集的步骤；

2)通过所述自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块之间实现无线数据同步的数据传输的步骤；

3)通过所述自动化测斜采集器的所述GPRS通信模块使测斜数据通过GPRS网络传输至所述数据服务云平台的步骤。

进一步，在上述测斜方法中，所述自动化测斜控制器在所述自动化测斜采集器采集测斜数据的过程中其工作过程包括：i)通过所述控制器的门磁开检测所述自动化测斜采集器的测斜传感器是否在测斜管口处，当不在管口，所述控制器驱动电机，牵引测斜传感器运动至测斜管口处，然后与所述采集器通过无线模块建立通讯，进行参数配置，并读取采集器中的测斜数据，上传至所述数据服务云平台，在所述测斜数据读取结束后，控制器根据配置的参数生成由待机时间、采集器工作时间、控制器工作时间组成的工作时间表，复位所述测距设备，启动本轮测斜数据采集；ii)当采集器工作时间结束，即完成一个测量点的数据采集后，控制器工作时间到，控制器在该工作时间内通过所述电机驱动器驱动牵引电机将所述采集器中的测斜传感器牵引至第二个测量点进行数据采集，如此循环，至所述采集器完成最后一个测斜点的数据采集；iii)重复所述i)中的工作过程，进行下一轮数据采集；iiii)当所述采集器的测斜传感器在牵引的过程中，如果所述测斜传感器在测斜管中被卡住，无法到达指定的测量点时，所述控制器会将采集器牵引至测斜管口，完成本轮采集。进一步在上述测斜方法中，其中所述自动化测斜采集器的工作过程包括：i)初始化所述自动化采集器,并关闭测斜设备的电源,当所述自动化采集器中有外部消息事件触发时，该采集器从低功耗模式唤醒，处理消息队列中的消息，处理完以后继续进入低功耗模式；ii)所述自动化采集器处理测斜数据采集消息，发送测斜传感器采集命令，在收到传感器应答的倾斜数据时，触发测斜设备数据应答消息，该采集器在该消息的处理过程中，将测斜值从数据协议包中解析，并保存至存储模块中；iii)测斜传感器解算时间到达时，触发测斜数据解算消息，该采集器在该消息的处理过程中，完成对测斜值的平滑处理，并保存至存储模块中；iiii)采集器的无线模块收到所述自动化测斜控制器数据后触发该无线模块接收消息，并根据收到的数据消息做相应处理。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有的固定式测斜仪测斜及便携式测斜仪的所存在的缺陷，本发明所述的自动化测斜系统通过牵引电机牵引测斜传感器在测斜管中往复运动，且通过控制器中的电机驱动器对该牵引电机的运动状态和方向进行控制，在指定点进行测斜，可以满足0.5m/1m的测斜点分布要求的测斜需要，且降低现有固定使测斜仪串联使用成本高的问题；

2)本发明的自动化测斜采集器与控制器之间采用时间同步机制，使得自动化采集器和控制器更好地相互配合工作，无需人工干预，测斜效率、频率及精度高；

3)本发明自动化测斜采集器中具有低功耗管理单元能够使的所述自动化测斜采集器间歇性地开关其无线模块电源，使得测斜系统在非工作状态处于低功耗模式；

4)本发明测斜系统的自动化控制器还具有压力检测装置，能够实时检测牵引线上所承受的拉力，处理所述测斜传感器在运动状态下卡在所述测斜管中的异常；

5)本发明测斜系统还包括数据服务云平台，使得测斜数据能够方便、快速的通过GPRS网络传输至云平台，数据可存储量大。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明测斜系统的自动化测斜控制器及采集器的结构示意图；

图2为本发明测斜系统的自动化测斜控制器工作过程示意图；

图3为本发明测斜系统的控制器、采集器的工作时间表；

图4为本发明测斜系统的自动化测斜采集器的工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术实施过程做进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统，包括：测斜管、牵引电机、自动化测斜采集器以及自动化测斜控制器，其中，所述自动化测斜采集器包括测斜传感器、存储模块、无线模块以及采集处理器模块；所述自动化测斜控制器包括电机驱动器、测距设备、门磁开关、无线模块及控制处理器模块；所述采集处理器模块分别与所述测斜传感器、存储模块及无信模块之间相互电信号连接，所述控制处理器模块分别与所述电机驱动器、测距设备、门磁开关及无线模块之间相互电信号连接；所述测斜传感器通过所述牵引电机牵引在所述测斜管中做往复运动，且在运动至指定测斜点时，自动化测斜采集器采集该指定测斜点的倾斜数据，在所述自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块之间实现无线数据同步，该无线数据同步采用时间同步机制，即制定工作时间表，所述工作时间表由待机时间、采集器工作时间和控制器工作时间组成，使得采集器和控制器在各自的时间节点上完成对应的工作(其具体的工作方式将在实施例2本测斜系统的方法中具体阐述)；

所述电机驱动器用于控制所述牵引电机的运动状态和方向，控制牵引电机使得牵引电机牵引测斜传感器在一个采集点测量后下放到下一个采集点，并在完成最后一个测量点的数据采集后，将测斜传感器牵引至测斜管口；所述测距设备用于对采集点的距离进行测量或精确定位采集点位置；所述门磁开关用于检测所述自动化测斜采集器的测斜传感器是否在测斜管口处，并发出检测信号。

该实施例为本发明的优选实施例，其中所述测斜系统还包括数据服务云平台，所述自动化测斜控制器还包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块使测斜数据通过GPRS网络传输至所述数据服务云平台中，自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块均为433M通信模块，该自动化测斜采集器还包括运动状态检测单元、低功耗电源管理单元及工作状态指示单元，所述运动状态检测单元用于检测采集器的测斜传感器是否处于被牵引电机牵引运动的状态，所述低功耗电源管理单元，能够使的所述自动化测斜采集器间歇性地开关其无线模块电源，在非工作状态处于低功耗模式，所述工作状态指示单元用于对所述自动化测斜采集器的工作状态进行显示；该自动化测斜控制器还包括压力检测装置，用于处理所述测斜传感器在运动状态下卡在所述测斜管中的异常，实时检测牵引线上所承受的拉力，当拉力大于设定的阈值，所述电机驱动器停止电机的驱动拉力，并尝试下放一段距离，再继续上拉。另外，本发明的测斜系统中的自动化测斜控制器中还可具电压检测系统(图1中未示出)，用于检测系统电压，实时上报供电状态，，采集器下放距离检测系统，用于确定采集器电缆和牵引绳的放卷长度，防止电缆或牵引绳长度不足的情况下还被意外拉伸或牵引。

实施例2

本发明还提供一种采用本发明所述的用于深层测斜的具有自动化数据采集与控制功能的测斜系统的测斜方法，该方法包括以下步骤：

1)采用所述测斜系统的所述自动化测斜采集器在所述自动化测斜控制器的控制下对土体深层进行测斜的数据采集的步骤；

2)通过所述自动化测斜采集器的无线模块和自动化测斜控制器的无线模块之间实现无线数据同步的数据传输的步骤；

3)通过所述自动化测斜采集器的所述GPRS通信模块使测斜数据通过GPRS网络传输至所述数据服务云平台的步骤。

如图2所示，为本发明所述自动化测斜控制器在所述自动化测斜采集器采集测斜数据的过程中其工作过程：

首先，系统开始工作时，控制器通过门磁开关检测采集器的测斜传感器是否在测斜管口处。若不在管口，控制器驱动电机，牵引采集器的测斜传感器运动，直到控制器检测到门磁开关发出的停机信号，控制器停止电机运动。在牵引的过程中，压力检测系统，控制器实时检测牵引线上所承受的拉力，当拉力大于设定的阈值，控制器停止电机向上运转，并尝试下放一段距离，然后继续上拉。

进一步，采集器测斜传感器已经位于测斜管口。控制器和采集器通过无线模块建立通讯，进行参数配置，并读取采集器中的数据(若采集器中没有数据，控制器会自动跳过读取操作)，上传到数据云平台。当数据读取结束后，控制器根据配置的参数生成工作时间表，复位测距设备，并启动本轮采集。

进一步，工作时间表由待机时间、采集器工作时间、控制器工作时间组成，如图3所示。待机时间，指的是第一轮采集结束到第二轮采集器开始的时间间隔，在该间隔内，采集器和控制器均处于待机状态。采集器工作时间，指的是采集器停止在测量点位置后，采集测量点倾斜状态的工作时间。控制器工作时间，指的是控制器控制电机从当前采集点下放到下一个采集点的工作时间。

进一步，等待待机时间结束，并完成第一个测量点的数据采集，即采集器工作时间1耗尽，此时控制器工作时间到，控制器启动电机，将采集器下放到下一个测量点。直到控制器工作时间1耗尽。采集器启动测斜传感器，完成对第二个测量点的数据采集，以此类推，直到采集器完成对最后一个测量点的数据采集。

进一步，当完成对最后一个测量点的数据采集，控制器驱动电机，将采集器的测斜传感器牵引至测斜管口，配置采集器、读取采集器数据，将数据上传到数据服务云平台，并启动下一轮采集。

进一步，当在采集器的测斜传感器下放的过程中，如果被卡住，无法到达指定的测量点，控制器会将采集器牵引至测斜管口，完成本轮采集。

如图4所示，为本发明测斜系统所述自动化测斜采集器的工作过程：

首先，系统开始工作时，对用到的外设进行初始化，并关闭测斜设备的电源，以降低系统功耗。采集器系统是基于消息机制开发的，消息队列中一开始没有消息，系统处于低功耗模式。当有外部消息事件触发时，系统从低功耗模式唤醒，处理消息队列中的消息，处理完以后继续进入低功耗模式。

进一步，外部消息事件包括，定时器发出的测斜数据采集消息、测斜数据解算消息，测斜设备数据应答消息，无线模块接收消息。

进一步，系统在处理测斜数据采集消息时，发送测斜传感器采集命令，当收到传感器应答的倾斜数据时，触发测斜设备数据应答消息，系统在该消息的处理过程中，将测斜值从数据协议包中解析出来，并保存。

进一步，当传感器解算时间到达时，触发测斜数据解算消息，系统在该消息的处理过程中，完成对测斜值得平滑处理，并保存。

进一步，当无线模块收到控制器数据，触发无线模块接收消息。系统根据收到的数据数据内容，对消息做相应的处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。