工程爆破振动无线网络化记录仪设计

张 慧，黄跃文，罗 熠

(长江科学院仪器自动化研究所，武汉 430010)

在工程爆破施工中，由于爆破所引起的振动、空气冲击波，飞石、噪音和有毒气体等都对周围的构筑物产生不同程度的影响，其中爆破振动的危害最为突出［1－2］。近年来国内工程爆破施工增多，因爆破振动对构筑物结构产生了不良影响而引发的民事纠纷也越来越多［3］。从而，需要采取科学有效的手段确保工程爆破中的构筑物安全。现有的振动监测技术已不能满足实时性和灵活性的要求，从而提出了生产新一代的工程爆破振动无线网络化记录仪，从有线传输到无线实时传输，用户能够在线实时查询爆破现场数据。它能够大大降低现场人工布线工作量，综合成本低、组网灵活、可扩展性好，达到爆破数据实时传输的目的。

1 工程爆破振动监测概况

1.1 工程爆破振动

目前工程爆破是我国水利水电建设，隧道开挖及矿山开采等工程的主要施工方法［4］，随着我国经济的持续高速发展，越来越多的爆破工程和爆破实验在城市以及有重要工程建筑的地方进行，因此爆破振动对于建筑的影响受到愈来愈多的关注［5］。在工程爆破过程中，爆破引起的振动影响附近建筑物及相关设施的安全。因此，通过对爆破振动监测可及时调整爆破参数，制定防震措施，指导爆破安全作业，同时也可以了解和掌握爆破对建筑物的影响、破坏机理等。

国家对爆破施工作业产生的安全及环境的影响高度重视，出台了多项强制标准与法规。如《爆破安全规程》［6］和《民用爆炸物品管理条例》①中华人民共和国国务院令(第466号).民用爆炸物品安全管理条例，2006.要求各级爆破企业应配备必要的监测设备，因此工程爆破振动监测应与时俱进，适应日益发展的现状。

1.2 工程爆破振动记录仪的发展

工程爆破振动监测技术经过几十年发展，已有很大进步。过去常用的爆破振动监测包括检波器、放大器和爆破自记仪［7］。检波器用于把振动信号转换为电信号并输出;放大器用于信号的放大或衰减;爆破自记仪记录对波形进行分析处理［8］。

第一代爆破振动记录仪由检波器和光线示波器组成［9］。光线示波器大而重，单根导线长几十米，甚至几百米，记录时需要测试人员守候以控制曝光时间，且波形保存时间，后期量化处理难度大，误差也大。

第二代爆破振动记录仪是由检波器、磁带机或瞬态记录仪［10］组成。它同样需用几十米或几百米的信号传输电缆连接，工作量大，易出现系统误差。磁带记录仪和瞬态记录仪在波形处理上需要配接专用的分析仪器，因而价格过高。

第三代爆破振动记录仪由检波器和爆破自记仪组成［11］。这是国内目前使用较多的爆破监测设备，但爆破数据的传输为有线传输，不能满足远程实时监测的要求。

新一代的爆破振动记录仪是由检波器和无线网络化爆破记录仪组成，现场工作人员只需安装好检波器后记录仪的开关，记录仪自动记录爆破数据，记录仪的参数设置均可进行远程设置，记录数据无线实时发送到网络中的数据库，供有权限的相关人员分析和查阅。

2 工程爆破振动无线网络化记录仪

2.1 系统设计

工程爆破振动无线网络化记录仪包括检波器、无线网络化爆破记录仪、中央服务器、终端监测管理系统。采用多路信号并行采集，实现了远程实时监控区域内多个工程爆破点爆破情况。记录仪内嵌的移动通讯模块通过 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi网络进行传输，爆破数据由指定中央服务器接收，中央服务器连接Internet网络，用户可在线登录终端监测管理系统获取爆破现场的数据资料。

工程爆破振动无线网络化记录仪如图1所示。本系统能够无线远程监控多个爆破现场，如图1中的爆破现场a，爆破现场 b，……，爆破现场n，区域内n个爆破点可同时被监控，被监控的爆破数据通过移动通讯模块发送至服务器，用户可轻松监测多点的爆破振动数据。

图1 系统设计原理图Fig.1 Principle of system design

2.2 硬件设计

工程爆破振动无线网络化记录仪的硬件设计框图如图2所示。无线网络化爆破记录仪包括依次连接的滤波电路、放大电路、A/D转换器、ARM嵌入式处理器。ARM嵌入式处理器分别与移动通讯模块、GPS模块、RFID模块连接。

爆破信号经过滤波电路，放大电路，由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并由嵌入式系统进行实时采集和储存，以ARM为主控芯片的处理器对爆破信号进行实时数据处理和分析。ARM负责数据采集和数据发送，数据采集是在爆破现场安装N路检波器用于采集爆破振动信号，被采集的爆破信号接收于爆破记录仪中，数据发送由移动通讯模块发送给指定服务器。同时爆破记录仪具有RFID唯一标识码认证和GPS定位定时功能，保障了爆破数据的同步性和有效性。

2.2.1 移动通讯模块

移动通讯模块的硬件设计如图3所示。移动通讯模块包括移动通讯CPU及与之连接的指示灯模块、电源模块、状态指示灯模块、看门狗模块、无线天线、SIM卡接口、RS232/485串口、存储器模块单元，移动通讯CPU与ARM嵌入式处理器连接。

图2 硬件设计框图Fig.2 Diagram of hardware design

图3 移动通讯模块硬件设计Fig.3 Hardware design for mobile communication module

移动通讯模块通过 GPRS，CDMA，EDGE，3G，WiFi网络进行传输，爆破数据由指定服务器接收。在没有第三方无线网络信号覆盖时，可通过自建无线网络，通过数字信号无线传播模式，实现爆破数据的实时监测。管理人员能够通过Internet网络，登录到终端监测管理系统对爆破记录仪的测试参数进行设置，对实时数据和历史数据进行查看和查询，对实测波形进行分析和处理等。

2.2.2 通道切换电路

通道切换电路设计如图4所示，包括依次连接的地址译码电路、开关电路和通道译码电路，通道切换电路与ARM嵌入式处理器连接。

通道切换电路通过数据帧来进行通道切换，ARM嵌入式处理器发送信号控制地址译码电路，将多路输入切换至有效输出。地址译码电路用于将多路输入端信号地址转换为开关电路可识别地址，开关电路进行通道电路开关切换，通道译码电路用来选择有效的输出通道，选中指定的端口，从而切换到相应通道上。

图4 通道切换电路设计Fig.4 Design of channel switching circuit

2.3 软件设计

工程爆破振动无线网络化记录仪的移动通讯模块软件流程图如图5所示。

图5 移动通讯模块软件流程图Fig.5 Software flow of mobile communication module

工程爆破振动无线网络化记录仪的软件设计重点难点在于数据的实时传输，爆破振动数据的特点是数据时间短，数据量大，具有瞬时性。按照国家规定各级爆破企业均需配备爆破监测设备，然而对大多数企业而言配备专职测试人员有一定困难，每年的测试工作量也不大，若采用工程爆破振动无线网络化记录仪的用户，就只需购买少量设备，如需同时测量多个测点时，可向系统管理中心租赁设备，由项目安全员在现场安置检波器即可，其余的工作均可由终端监测管理系统完成。

2.4 系统测试指标

目前样机正在测试阶段，系统测试指标如下:振动速度范围为±35cm/s，精度为±0.02cm/s;频率响应范围为5～300 Hz，精度为±0.1 Hz;采样速率为5 kS/s;量程为±10 V;动态范围＞80 dB;工作模式分为全自动运行模式和手动模式，2种模式都需要手动设置触发阈值;通过设备USB口连接导出数据。工作温度范围为－10℃～60℃，锂电池供电，适应长时间野外监测;爆破数据丢失率约为万分之一，实时性在30 s以内，较好地实现了爆破振动的无线网络化实时监测，满足设计要求。

3 结语

工程爆破振动无线网络化记录仪采用嵌入式操作系统，以ARM为主控芯片，结合移动通讯模块实现了工程爆破安全监测的无线远程实时管理，相比有线传输网络而言，大大降低了现场布线工作量，综合成本低、组网灵活、可扩展性好、维护费用低，性能稳定。在任何能够上Internet网络的地方查看爆破数据，用户仅需在终端用户界面登陆即可获取爆破现场的实时数据，保证了爆破数据的真实性和有效性，能够远程在线设置记录仪参数。每台记录仪都有唯一RFID标识码认证，并具有GPS精确定位功能。工程爆破振动无线网络化记录仪的设计进一步推动了爆破振动测试仪器的无线网络化发展，在提高爆破数据传输的效率的同时保证爆破数据的真实性和有效性，从而使爆破振动监测技术发展提高到一个新阶段。

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