CN101599212B - 岩土工程现场监测高速远程无线传输装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置及其方法，涉及一种高速远程无线传输技术。本装置包括前后依次连接的数据采集和传输控制模块(10)、高速率远程无线传输模块(20)和数据传输接收控制模块(30)；上述三个功能块分别为由前后连接的数据采集仪(11)和传输控制器(12)，无线接入点(21)、无线网桥(22)和中继网桥(23)，交换机(31)、控制端计算机(32)和远程传输控制软件(33)组成。本发明超高传送速率和超远传输距离；组网灵活，扩展性强；适应能力强；数据安全度高；解决了岩土工程监测数据远程实时高速无线传输难题，实现了恶劣环境下岩土工程构筑物变形的实时高速遥测。

Description

岩土工程现场监测高速远程无线传输装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于IEEE 802.11a无线传输协议和Wi-Fi、WLAN无线接入技术及微波通讯技术的高速远程无线传输装置，尤其涉及一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置及其方法。

背景技术

岩土工程监测是岩土工程的一个重要组成部分，在设计、施工和运行各阶段均发挥着重要的作用，是确保岩土工程施工和运行安全必不可少的技术措施，是完善岩土工程设计方法的关键性环节以及施工和运行技术决策的重要依据。近年来安全监测在水利水电、工民建、铁路交通、煤炭矿山和军工等行业中得到广泛应用与发展，并日益受到工程技术人员和各级工程决策机构的重视。因此，岩土工程监测技术的革新和监测设备的发明，将有力地推动岩土工程的发展。

由于岩土工程地质条件的复杂性和多样性，无法也不可能在工程设计阶段准确无误地预测工程施工和运行过程中的状况，工程事故和灾害仍不时发生。及时、准确地在事故前获得工程变形或破坏信息并据此进行准确的判断，采取有效的防范措施以避免灾害的发生是岩土工程安全监测的主要目的。现代科学技术的飞速发展，促进了监测技术手段的更新换代，如测量机器人、自动GPS、地面三维激光扫描为代表的现代地面测量技术正逐步替代经纬仪、全站仪等传统的人工观测技术而实现监测自动化；以测斜仪、沉降仪和应变计等为代表的地下观测监测技术也正逐步实现数字化、自动化和网络化，监测工作将向实时、连续、高效、动态、自动化和网络化的方向发展。有线网络通讯、无线移动通讯和卫星通讯等多种网络技术的发展，也逐步为工程变形观测监测信息的实时远程传输和现场控制系统的集成提供了基础。

虽然，我国目前的监测技术和监测设备均取得了很大的进步，但我国大量的岩土工程安全监测仍主要采用经纬仪、全站仪、测斜仪、沉降仪和应变计等传统的人工光学测量、电磁测量方法和手工记录观测数据方法，使监测工作仍十分艰苦和繁重，尤其在条件艰苦、环境恶劣的环境下连续监测、数据的连续采集和实时监测则更难以实现。随着网络技术的进步，采用网络布线形式的实时监控在一定程度上解决了实时监控和遥测难题，但网线布线监测的布线难和易损问题以及初期成本和维护成本问题突出，制约了其进一步的应用。近年来GPRS和CDMA技术逐渐应用于监测工作，初步实现了监测数据的远程无线传输。但目前无线监控技术采用的GPRS和CDMA技术存在明显的带宽不足缺陷，数据传输速率仅几Kbps到十几Kbps，视频传输每秒只有几帧甚至无法传送，尤其在距离基站较远的偏僻地段，信号微弱，接通和传输速率显著降低，容易出现断点和无线接收死角。无线遥测即便实现，效果则难以令人满意。新型无线通讯技术如WLAN、Wi-Fi、Wimax和微波通讯等虽在传输带宽和架设难度、维护成本等方面均具备很大的优势，但基于新型无线通讯技术的岩土工程高速远程无线监测很少甚至才刚刚起步，市场前景和容量十分可观。

发明内容

本发明的目的就在于克服了现有无线监控技术中GPRS和CDMA技术带宽不足、基站依赖性大、尤其在距离基站较远的偏僻地段信号微弱，接通率和传输速率低等缺点，提供一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置及其方法。装置耐候性佳、具备超高传送速率和超远传输距离；同时组网灵活、扩展性强、安装快捷且维护方便，解决了岩土工程监测数据的高速远程无线传输问题，实现了环境恶劣、条件艰苦地方的岩土工程远程高速无线遥测。

本发明的目的是这样实现的。

通过传输控制器、整合无线网络接入技术和无线网络传输功能的全天候无线网桥/接入点和中继网桥之间的无线高速连接；或者通过传输控制器与基于WLAN无线接入协议的无线接入点、无线网桥和中继网桥之间的无线高速连接，将岩土工程现场监测数据采集仪存储的大量监测资料，以高传输速率远距离无线传输至交换机和控制端计算机，从而远程高速获取现场的监测资料，知悉、判断监测物安全性状的变化，为安全管理和决策部门提供实时的监测数据和判断依据；并将控制端计算机的控制指令高速返回现场监测的数据采集仪，进行数据采集仪的初始设定、采样设置和实时采样等操作。本装置克服了现有无线监控技术中GPRS和CDMA技术带宽不足、基站依赖性大、尤其在距离基站较远的偏僻地段信号微弱，接通率和传输速率低等缺点；装置耐候性佳、具备超高传送速率和超远传输距离；同时组网灵活、扩展性强、安装快捷且维护方便，解决了岩土工程监测数据的高速远程无线传输问题，实现了环境恶劣、条件艰苦地方的岩土工程远程高速无线遥测。

一、岩土工程现场监测高速远程无线传输装置(简称装置)

本装置包括前后依次连接的数据采集和传输控制模块、高速率远程无线传输模块和数据传输接收控制模块；

所述的数据采集和传输控制模块由前后连接的数据采集仪和传输控制器组成，主要完成监测数据的采集、存储和传输等待任务；

所述的高速率远程无线传输模块由前后无线连通的无线接入点、无线网桥和中继网桥组成，也可采用整合无线网络接入技术和无线网络传输功能的全天候无线网桥/接入点和中继网桥之间的无线高速连接，完成高速无线连接和监测资料的远程高速无线传输；

所述的数据传输接收控制模块由前后连接的交换机和控制端计算机组成，控制端计算机由远程传输控制软件控制，主要完成现场监测资料的接收、处理，并通过控制指令的高速远程传输实现现场监测的高速率远程无线控制，实现远程高速无线遥测。

本装置的工作原理是：

数据采集仪获取各测点数码传感器变形值，予以数码显示或存储，并与基于IEEE 802.11a无线传输协议和Wi-Fi无线接入技术的数据高速无线接入的传输控制器通过标准的RJ45网络接口网线连接，接受数据采集、存储和数据传送等指令管理和控制；

基于IEEE 802.11a无线传输协议和Wi-Fi无线接入技术的无线接入点与传输控制器通过IEEE 802.11a无线传输协议和Wi-Fi无线接入实现高速无线连接，无线接入点再与无线网桥通过Wi-Fi无线接入技术连接，无线网桥与中继网桥通过微波通讯技术实现高速无线连接，组成监测资料的高速远程无线连接和通讯模块，负责数据采集仪监测资料的高速远程无线接入和数据传输；

交换机通过IEEE 802.11a无线传输协议和Wi-Fi无线接入与中继网桥建立高速无线连接，再通过通过RJ45网络接口和网线与控制端计算机连接，控制端计算机通过安装远程传输控制软件，高速无线远程接收数据采集仪传输的监测资料，并将控制端计算机的指令转发给数据采集仪，完成数据采集仪采样设置、数据采集和数据无线传输等工作，从而实现岩土工程监测的高速无线控制和资料的高速远程无线传输。

本装置技术指标和主要优势：

1)网络标准  IEEE 802.11a标准；

2)工作频段  WLAN无线技术，Super G技术，5.8G频段；

3)链路速率  点对点无线链路速率可达54Mbps，最高达108Mbps；

4)灵活组网  支持点对点，点对多点工作模式，组网灵活，扩展性强；

5)网络功能  生成树协议，DHCP客户端；

6)传输距离  点对点传输达30km，点对多点达5km；

7)安全机制  电信级无线网桥，国际最高无线数据加密标准AES/TKIP；

8)基站依附  独立组网，无需基站，更无需GPRS、CDMA基站支持；

9)工作环境  -40℃～+65℃；

10)工作电源POE，48V DC，60W；

11)输出功率

6～18Mbps：20dBm；

24～36Mbps：19dBm；

48～54Mbps：18dBm；

12)接收灵敏度

6Mbps：-88dBm；

12Mbps：-86dBm；

24Mbps：-81dBm；

36Mbps：-76dBm；

48Mbps：-72dBm；

54Mbps：-68dBm；

13)抗干扰能力

内建防雷保护电路，达国家III类耐冲击过电压标准，可承受瞬间电压4000V；

14)防尘防水

国际最高防尘防水标准IP68，能在各种潮湿、沙尘等恶劣环境中正常工作。

二、岩土工程现场监测高速远程无线传输方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①将数据采集仪连接各监测点的传感器；

②通过数据采集仪采集、显示和存储各测点的监测数据；

③连接传输控制器和数据采集仪；

④安装具备无线网络接入技术的无线接入点、无线网桥及其配套的电源控制器，并根据传输距离和通视条件决定是否增设1台或多台中继网桥及电源控制器；或者安装具备无线网络接入技术和无线传输双功能的全天候无线网桥/接入点及其配套的电源控制器；同样根据传输距离和通视条件决定是否增设1台或多台中继网桥及电源控制器；

⑤在控制端计算机内安装远程传输控制软件，连接控制端计算机和交换机；

⑥通过传输控制器与无线接入点建立无线连接，无线接入点再与全天候户外无线网桥无线和中继网桥无线连接，或者传输控制器直接与同时具备无线网络接入技术和无线传输双功能的全天候无线网桥/接入点以及中继网桥无线连接；中继网桥与交换机建立无线网络连接，从而完成从交换机、无线网桥到传输控制器之间的高速无线连接，实现控制端计算机与数据采集仪之间的微波无线通信；

⑦通过控制端计算机和配套的远程传输控制软件，使控制端计算机接收数据采集仪远程高速无线传输的监测资料，并将控制端计算机的指令转发给数据采集仪，完成数据采集仪采样设置、数据采集和数据无线传输等工作，从而实现岩土工程监测的高速无线控制和资料传输。

远程传输控制软件包括网络联机模块、数据采集仪设置控制模块和数据远程传输模块。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、超高传送速率和超远传输距离

IEEE 802.11a无线传输协议，Super G技术的高速无线接入，高达54Mbp或108Mbps的传输带宽，最远传送距离可达30公里。超高传送速率和超远传输距离是GPRS和CDMA无线传输所不能比拟的，而且完全克服了GPRS和CDMA技术带宽不足、基站依赖性大、尤其在距离基站较远的偏僻地段信号微弱，接通率和传输速率低等缺点。

2、组网灵活，扩展性强

采用点对点，点对多点的接入方式，组网灵活、扩展性强，安装快捷且维护方便，无需基站支持可随意随时组网，部件可拆卸重复利用，降低成本。

3、适应能力强

采用军工级无线网桥，适用环境温度可达-40℃～+65℃，高防震、防尘防水等级，尤其适用于恶劣环境下长时间远程高速实时无线遥测。

4、数据安全度高

数据安全：支持资料加密达国际最高标准AES/TKIP，拥有良好的加密功能，保证数据传输的安全。

5、解决了岩土工程监测数据远程实时高速无线传输难题，实现了恶劣环境下岩土工程构筑物变形的实时高速遥测。

附图说明

图1是本装置结构方框图；

图2.1是传输控制器结构方框图；

图2.2是传输控制器前面板图；

图2.3是传输控制器后面板图；

图3是远程传输控制软件的工作流程图。

其中：

10-数据采集和传输控制模块，

11-数据采集仪；

12-传输控制器，

12.1-RJ45网络接口，12.2-电源接口，12.3-电源适配器，

12.4-无线网络模块，12.5-天线，12.6-内部集成电路板，

12.7-状态指示灯，12.8-电源指示灯；

20-高速率远程无线传输模块，

21-无线接入点，

22-无线网桥，

23-中继网桥；

30-数据传输接收控制模块，

31-交换机，

32-控制端计算机，

33-远程传输控制软件，

A-网络联机模块，

B-数据采集仪设置控制模块，

C-数据远程传输模块。

英译汉：

GPRS：通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称，是一种以全球手机系统为基础的数据传输技术。它通过利用全球手机网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，理论传输速率为56kbps至114kbps。

CDMA：是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。其技术原理是基于扩频技术，将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。其传输速率略高于GPRS。

WLAN：无线局域网络的英文缩写(Wireless Local Area Networks)，利用射频技术，取代旧式的双绞铜线所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到无线网络连接的功能，为高速、突发的数据业务提供相当便利的数据无线传输服务。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括前后依次连接的数据采集和传输控制模块10、高速率远程无线传输模块20和数据传输接收控制模块30；

所述的数据采集和传输控制部10由前后连接的数据采集仪11和传输控制器12组成；

所述的高速率远程无线传输模块20由前后无线连通的无线接入点21、无线网桥22和中继网桥23组成；也可采用前后无线连通的整合无线网络接入技术和无线网络传输功能的全天候无线网桥/接入点和中继网桥23组成；

所述的数据传输接收控制模块30由前后连接的交换机31、控制端计算机32和远程传输控制软件33组成。

2、各功能部件

1)数据采集仪11

数据采集仪11是一种常用的数字式数据采集仪；具备监测功能设置与监测数据存储功能；本发明选用一种具有以太网数据输出接口的网口数据采集仪。

2)传输控制器12

如图2.1，传输控制器12是一种基于802.11a无线网络标准和Wi-Fi无线网络技术的无线连接和通讯装置，包括RJ45网络接口12.1、电源接口12.2、电源适配器12.3、无线网络模块12.4、天线12.5和内部集成电路板12.6；

电源适配器12.3和电源接口12.2前后连接，电源接口12.2分别与RJ45网络接口12.1、无线网络模块12.4和内部集成电路板12.6连接；

RJ45网络接口12.1、内部集成电路板12.6、无线网络模块12.4和天线12.5前后依次连接。

电源适配器12.3将市电220V转换为稳压直流5V，通过电源接口12.2分别为RJ45网络接口12.1、无线网络模块12.4和内部集成电路板12.6供电；

传输控制器12通过RJ45网络接口12.1和TCP/IP协议连接数据采集仪11，获取监测数据；并在内部集成电路板12.6的基础上，利用无线网络模块12.4和天线12.5与无线接入点21无线连接，高速远程无线传输监测数据至数据传输接收控制模块30。

如图2.2，传输控制器12的前面板包括网络连接的状态指示灯(绿灯为在线状态，红灯为离线状态)12.7和无线网络模块的外置天线12.5。

如图2.3，传输控制器12的后面板包括RJ45网络接口12.1、电源指示灯(绿灯为在线状态、红灯为离线状态)12.8和电源接口12.2。

3)无线接入点21

无线接入点21是一种常用的基于IEEE 802.11a无线传输协议和WLAN无线接入技术的高速无线接入装置；为传输控制器12和无线网桥22提供无线接入服务。

4)无线网桥22

无线网桥22是一种常用的基于IEEE 802.11a无线传输协议和微波通讯技术的高速无线传输装置，采用Super G技术，5.8G频段的电信级Orinda户外无线接入和传输设备。

5)中继网桥23

中继网桥23是一种常用的基于IEEE 802.11a无线传输协议和微波通讯技术的高速无线传输装置；是在无线网桥22和交换机31之间，或者无线网桥/接入点与交换机31之间因传输距离太远或通视条件不佳情况下增设的与无线网桥22和交换机31之间均无障碍的数据高速无线传输中转点，与无线网桥22技术参数完全一致，目的是增设以延长传输距离或绕避阻挡物。采用Super G技术，5.8G频段的电信级Orinda户外无线接入和传输设备。

6)无线网桥/接入点

无线网桥/接入点是一种常用的基于IEEE 802.11a无线传输协议和微波通讯技术的，采用Super G技术，5.8G频段，同时具备无线接入和高速无线传输的Orinda户外无线接入和传输双功能的装置。

7)交换机31

交换机31是一种常用的基于IEEE 802.11a无线传输协议和WLAN无线接入技术的无线接入装置；用以接收和存储中继网桥23高速无线传输的数据，通过RJ45网络接口和网线传输至控制端计算机32，并将控制端计算机32的控制指令分发至中继网桥23并高速率远程无线传输至现场数据采集仪11。

8)控制端计算机32

控制端计算机32为一种常用的具备RJ45网络接口的工业级计算机(PC)或便携计算机(笔记本电脑)。

9)远程传输控制软件33

远程传输控制软件33是由C++语言编制，用以安装在控制端计算机32内，完成接收、处理交换机31传输来的数据，并分发控制端计算机32对数据采集仪11进行采样设置、数据采集和存储等指令的软件；主要包括网络联机模块A、数据采集仪设置控制模块B和数据远程传输模块C。

如图6，远程传输控制软件33的工作流程是：

1、网络联机模块A

网络联机模块A完成控制端计算机32向数据采集仪11通过高速率远距离无线传输部分20之间的联机请求，在连接成功后可进行数据采集仪设置控制以及数据传输工作。如果联机不成功，则重新初始化网络，再次发送联机请求，直至连接成功。

其工作流程是：

程序开始a；

①系统初始化b；

②网络初始化c；

③是否联机请求d，是则进入数据采集仪设置控制模块B；否则转跳到步骤②网络初始化c。

2、数据采集仪设置控制模块B

数据采集仪设置控制模块B是在网络联机模块A完成控制端计算机32与数据采集仪11的高速连接后，执行数据采集仪11的设置和控制工作，包括数据采集仪11日期、时间设定，采样间隔，即时采样等数据采集仪设置控制指令；执行数据采集仪节电休眠、故障断电和加电重启指令。

其工作流程是：

①数据采集仪11初始化e；

②数据采集仪11管理f；

③数据采集仪11设置g，日期、时间设置h，采样设置i，电源管理j，节电休眠k和故障重启l。

3、数据远程传输模块C

数据远程传输模块C可以在数据采集仪设置控制模块B执行完数据采集仪设置和电源管理后，也可直接在网络联机模块A完成控制端计算机32与数据采集仪11的高速连接后，执行数据采集仪监测数据的高速远程无线传输任务，并对传输的数据进行存储和初步整理，为监测工作后期分析提供数据。

其工作流程是：

①数据远程传输m；

②数据远程获取n；

③数据存储整理o；

程序结束p。

Claims (7)

1.一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置，其特征在于：

本装置包括前后依次连接的数据采集和传输控制模块(10)、高速率远程无线传输模块(20)和数据传输接收控制模块(30)；

所述的数据采集和传输控制模块(10)由前后连接的数据采集仪(11)和传输控制器(12)组成，主要完成监测数据的采集、存储和传输等待任务；

所述的高速率远程无线传输模块(20)由前后无线连通的无线接入点(21)、无线网桥(22)和中继网桥(23)组成，完成高速无线连接和监测资料的远程高速无线传输；

所述的数据传输接收控制模块(30)由前后连接的交换机(31)、控制端计算机(32)和安装于控制端计算机(32)内的远程传输控制软件(33)组成，主要完成现场监测资料的接收、处理，并通过控制指令的远程高速传输实现现场数据采集仪(11)的高速率远程无线控制，实现远程高速无线遥测。

2.按权利要求1所述的一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置，其特征在于：

传输控制器(12)是一种基于802.11a无线网络标准和Wi-Fi无线网络技术的无线连接和通讯装置；

电源适配器(12.3)和电源接口(12.2)前后连接，电源接口(12.2)分别与RJ45网络接口(12.1)、无线网络模块(12.4)和内部集成电路板(12.6)连接，提供电源；

RJ45网络接口(12.1)、内部集成电路板(12.6)、无线网络模块(12.4)和天线(12.5)前后依次连接；通过RJ45网络接口(12.1)和TCP/IP协议连接数据采集仪(11)，获取监测数据；与无线接入点(21)无线连接，高速远程无线传输监测数据。

3.按权利要求1所述的一种岩土工程现场监测高速远程无线传输装置，其特征在于：

远程传输控制软件(33)是由C++语言编制，用以安装在控制端计算机(32)内，完成接收、处理交换机(31)传输来的数据，并分发控制端计算机(32)对数据采集仪(11)进行采样设置、数据采集和存储指令的软件；主要包括网络联机模块(A)、数据采集仪设置控制模块(B)和数据远程传输模块(C)。

4.一种基于权利要求1所述装置的高速远程无线传输方法，其特征在于包括下列步骤：

①将数据采集仪连接各监测点的传感器；

②通过数据采集仪采集、显示和存储各测点的监测数据；

③连接传输控制器和数据采集仪；

④安装具备无线网络接入技术的无线接入点、无线网桥及其配套的电源控制器，并根据传输距离和通视条件决定是否增设1台或多台中继网桥及电源控制器；或者安装具备无线网络接入技术和无线传输双功能的全天候无线网桥或接入点及其配套的电源控制器；同样根据传输距离和通视条件决定是否增设1台或多台中继网桥及电源控制器；

⑤在控制端计算机内安装远程传输控制软件，并通过RJ45网络接口网线连接控制端计算机和交换机；

⑥通过传输控制器与无线接入点建立无线连接，无线接入点再与全天候户外无线网桥无线和中继网桥连接，或者传输控制器直接与同时具备无线网络接入技术和无线传输双功能的全天候无线网桥或接入点以及中继网桥连接；中继网桥与交换机建立无线网络连接，从而完成从交换机、无线网桥到传输控制器之间的无线连接，实现控制端计算机与数据采集仪之间的微波无线通信；

⑦通过控制端计算机和配套的远程传输控制软件，使控制端计算机接收数据采集仪远程高速无线传输的监测资料，并将控制端计算机的指令转发给数据采集仪，完成数据采集仪采样设置、数据采集和数据无线传输工作，从而实现岩土工程监测的高速无线控制和资料传输；

远程传输控制软件(33)包括网络联机模块(A)、数据采集仪设置控制模块(B)和数据远程传输模块(C)。

5.按权利要求4所述的高速远程无线传输方法，其特征在于网络联机模块(A)的工作流程包括下列步骤：

程序开始(a)；

①系统初始化(b)；

②网络初始化(c)；

③是否联机请求(d)，是则进入数据采集仪设置控制模块(B)；否则转跳到步骤②网络初始化(c)。

6.按权利要求4所述的高速远程无线传输方法，其特征在于数据采集仪设置控制模块(B)的工作流程包括下列步骤：

①数据采集仪(11)初始化(e)；

②数据采集仪(11)管理(f)；

③数据采集仪(11)设置(g)，日期、时间设置(h)，采样设置(i)，电源管理(j)，节电休眠(k)和故障重启(l)。

7.按权利要求4所述的高速远程无线传输方法，其特征在于数据远程传输模块(C)的工作流程包括下列步骤：

①数据远程传输(m)；

②数据远程获取(n)；

③数据存储整理(o)；

程序结束(p)。

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