基于物联网的爆破振动无线监测系统

基于物联网的爆破振动无线监测系统
黄跃文1，吴新霞2，张慧1，罗熠1
（1.长江科学院仪器自动化研究所，武汉 430010；2. 长江科学院爆破所武汉 430010）
摘要：针对工程爆破振动监测系统不断提出的新要求，基于新兴的物联网概念，结合无线网络技术，设计并研制基于物联网的无线爆破振动监测系统。

采用ARM为主控芯片的嵌入式操作系统，内嵌无线传输模块实时传输爆破数据，具有RFID设备认证功能和GPS全球卫星定位和精确定时功能，用户仅需登陆终端爆破监测管理系统即可获取爆破现场实时数据。

基于物联网的爆破振动无线监测系统能够大大降低人工现场布线工作量，组网灵活，综合成本低，可广泛应用于各个领域的工程爆破振动监测，极具应用前景和市场推广价值。

关键词：物联网；爆破振动监测；无线传输；RFID；GPS
1 引言
物联网（The Internet of things），顾名思义就是“物物相连的互联网”，其定义是：通过无线射频识别(RFID)、全球定位系统（GPS）等信息传感设备，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。

物联网自提出以来就发展迅速，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。

2011年3月5日国务院总理温家宝在政府报告中指出要积极推进“三网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用[2]。

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[3]。

目前工程爆破是我国矿山开采、隧道开挖及水利水电等工程的主要施工方法[4]。

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，采取科学有效的手段建立有效、实时的工程爆破振动监测系统具有重要的经济效益和社会效益。

现有的爆破振动监测技术已不能满足灵活性和实时性的要求，长江科学院仪器自动化研究所利用物联网和无线通讯技术，在多年来从事动态信号实时处理传输产品开发的基础上，根据现场爆破振动测试仪器的新要求，基于物联网概念设计并研发新一代的基于物联网的爆破振动无线监测系统，实现爆破数据无线实时传输的爆破数据的要求，并利用RFID和GPS 技术确保爆破监测的真实有效，大大降低了现场布线工作量，组网灵活，综合成本低，可扩展性好。

2 爆破振动监测系统概况
2.1 爆破振动
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、设施和人员产生不同程度和范围的影响。

其中爆破振动所产生的危害比较突出，因爆破振动对构筑物结构产生了不良影响而引发较多的的民事纠纷[5-6]。

描述爆破振动的参数较多，以前普遍认同以振动速度作为判据，较可靠、稳定，但当前国外不仅以振速这个单一参数作为判据。

多数人认为采用振速和频率两项判据是必要的，因为幅值和频率是描述振动效应的最基本的物理量，振速可以代表振动幅值，而频率则是被保护物对振动的反应。

因此，建议以振速和频率作为综合判据，振速为主，频率作修正参考依据。

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[7-9]。

《爆破安全规程》GB6722规定“A、B级爆破、重要爆破以及可能引起纠纷的爆破，均应进
行爆破效应监测”即将颁布执行的《民用爆炸物品管理条例》也要求各级爆破企业应配备必要的监测设备。

2.2 爆破记录仪的发展
工程爆破振动监测技术经过几十年发展，已有很大进步。

过去常用爆破记录仪对爆破振动进行监测。

爆破记录仪主要包括检波器，放大器和自记仪。

检波器用于把振动信号转换为电信号并输出；放大器第用于检波器信号的放大或衰减；爆破自记仪为记录爆破信号的装置。

记录装置记录下信号再由人工或专门仪器对波形进行分析处理。

其中爆破记录仪的通讯发展概况见图1所示。

第一代记录仪通讯需要交换机连接到计算机，从而连接到局域网，由客户端登陆至局域网，获取爆破数据；第二代记录仪通讯不需要交换机，记录仪直接与计算机互联接入局域网，客户端通过与局域网通讯获取爆破数据，同时客户端可访问国际互联网；第三代记录仪通讯可直接连接至局域网，客户端访问局域网获取爆破数据并同时可访问互联网。

新一代的爆破记录仪基于物联网的概念，使用RFID和GPS，采用无线传输，将爆破现场的记录仪数据无线实时地发送至国际互联网，客户端/服务器采用国际流行的B/S架构，用户只需登陆指定网络地址，输入正确用户信息，即可轻松获取爆破信息。

3 基于物联网的爆破振动无线监测系统
3.1系统设计
基于物联网的爆破振动无线监测系统包括安装在爆破现场的N个检波器，具有无线传输
模块、RFID和GPS功能的爆破记录仪，中央服务器和终端监测管理系统，实现了远程实时监
控多个工程爆破点爆破情况。

本系统设计可同时监测多区域多点爆破情况。

在每个爆破点现场按照实际需要安装检波器，用于接收爆破振动并转换为电信号，传输至爆破记录仪。

爆破记录仪采用多路信号并行采集，并进行爆破数据处理。

爆破数据由记录仪中内置的无线传输模块进行传输，由中央服务器接收，并进行解码处理得到所需数据。

爆破数据在中央服务器
中统一管理和储存，用户可连接Internet网络，在线登录终端监测管理系统获取爆破现场的数据资料。

基于物联网的爆破振动无线监测系统设计如图2所示。

爆破记录仪内嵌RFID模块和GPS模块，用于爆破设备的认证和爆破时的卫星定位和精确定时，对每次爆破的时间地点，仪器设备都能够精确监控。

无线传输相比有线传输网络而言，具有结构简单、施工容易、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。

3.2 数据采集、处理和发送
爆破数据由爆破记录仪多路信号并行采集并处理。

本系统中爆破记录仪采用ARM嵌入式操作系统，以ARM嵌入式处理器为主控芯片，包括数据采集，数据处理和数据发送部分。

本系统中数据采集、数据处理和数据发送的硬件电路设计如图3所示。

图3 数据采集、处理和发送硬件设计
数据采集是指经过检波器后产生的振动电信号进过滤波电路和放大电路，在A/D模拟数字转换器中被转换为离散的数字信号。

数据处理是ARM芯片对数字化的爆破数据进行算法处理，并将处理的数据存储于RAM存储器。

数据发送是由内嵌在爆破记录仪中的无线传输模块，将爆破数据发送至中央服务器。

爆破数据在中央服务器进行统一的管理和存储，并转换成用户所需的各种格式的爆破数据。

基于物联网的爆破振动无线监测系统频率测量范围为1Hz~500Hz，三维振动记录。

爆破数据传输的重点难点在于满足数据实时性，爆破振动数据的特点是数据时间短，数据量大，具有瞬时性。

无线传输模块通过GPRS、CDMA、EDGE、3G、WiFi网络进行传输，爆破数据由指定服务器接收。

3.3 RFID和GPS
RFID（Radio Frequency Identification），即无线射频识别，也称电子标签，由具有唯一的电子编码的标签(Tag)，读卡器(Reader)和天线(Antenna)组成。

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。

每一台爆破记录仪都有与之配套的检波器，在检波器上都有唯一RFID电子标签，使用爆破振动监测时，读取检波器标签信息进行设备验证。

图4是本系统中RFID的电路设计。

图4 RFID电路设计
图中为ARM 处理器与RFID电路的通讯设计。

电子标签和读写器之间利用无线射频方式
进行非接触式双向通信，达到识别目的并交换数据，使用时需进行电子标签认证，保证了测量数据的真实性和有效性。

GPS（Global Positioning System），即全球卫星定位系统，用于爆破记录仪的空间卫星导航定位和精确定时功能。

本系统GPS的电路设计如图5所示。

图5 GPS电路设计
研发的爆破振动监测系统，能将爆破时的GPS数据记录于爆破记录仪内，在开机时将GPS 的定位和定时数据实时发送。

每台爆破数据记录仪具有GPS定位功能，能够实时监测到工作状态中的爆破记录仪的具体使用位置，同时GPS定时功能保证多台记录仪时间同步，确保爆破数据的真实有效性。

使用GPS定位功能时，首先搜寻定位卫星获得记录仪经度、纬度和时间信号，卫星发送的时间信号保障了爆破数据的同步性和有效性，定位卫星向中央处理器发送经度、维度和时间信号数据，中央处理器接收到数据后，进行数据解析，从而得到准确真实有效的地理位置。

4 爆破振动监测
采用长江科学院仪器自动化所设计研制的基于物联网的爆破振动无线监测系统，对武汉汉口精武路片区某住宅楼群一次性爆破拆除进行监测，建筑面积达4万平方米，爆破数据采集时间为两分多钟。

爆破现场的数据实时发送至指定服务器，工作人员在线获取了爆破数据，满足实时性要求，相比传统的爆破振动监测，在数据的实时传输上有了突破性的进展。

检波器器采用三轴传感器，对爆破测试点按照垂直，水平径向，水平切向进行监测。

每个通道监测到的爆破振动速率的最大值和最小值等信息都会实时的显示和更新。

图6 为爆破振动数据采集波形图。

图6 爆破振动数据采集波形图
从上图可以看到，记录仪在零点触发之前，具有3ms的触发延时，能收集到零点时刻前一段振动情况，用于保证数据的连续性。

系统同时给出了频谱图，可获取到最大振幅处的频率为7Hz，根据监测数据，本次控制拆除爆破在砖混结构民房处产生的振动合速度为2.02cm/s，低于《爆破安全规程》中规定，未对爆区周围建筑结构物造成有害影响。

在爆破系统中可获取爆破位置经纬度，爆破记录仪设备编号、触发电平、量程、触发模式、通道数、触发延时、采样速率、存储长度、单位、存储模式、工程名称和建设单位等参数信息，及检波器的厂家编号、设备种类、检波器编码、灵敏度和生产日期等参数信息。

同时在终端用户系统上能通过设备编号查询该设备是否使用以及是否连接网络。

对于已连接入网络的设备可在系统上直接设置记录仪的参数。

5 结论
基于物联网概念所建立的工程爆破振动无线监测系统，不仅在数据的实时传输上有了创新，更能够减少运营成本，增加工作效率。

它采用ARM嵌入式操作系统，以ARM为主控芯片，结合物联网和无线传输技术实现了工程爆破无线、实时远程监控和管理。

（1）爆破数据无线实时传输。

相比传统的爆破振动监测，基于物联网的爆破振动无线监测系统在数据的实时传输上有了突破性的进展。

用户可在任何能够上Internet网络的地方查看爆破数据，并可在线设置记录仪参数。

（2）爆破数据系统化管理。

爆破数据在中央服务器进行统一的管理和存储，并转换成用户所需的各种格式的爆破数据。

（3）RFID和GPS功能。

用于爆破设备的认证和爆破时的卫星定位和精确定时，对每次爆破的时间地点，仪器设备都能够精确监控，保证了测量数据的真实性和有效性。

基于物联网的爆破振动无线监测系统的研发进一步推动了振动测试仪器向智能化与小型化的发展，使爆破振动动态监测技术发展提高到一个新阶段。

参考文献：
[1]李如年.基于RFID技术的物联网研究[J]. 中国电子科学研究院学报, 2009(06).
[2]施鸣.浅谈第三次信息革命“物联网”的起源与发展前景.信息与电脑, 2009(10).
[3]祝树枝,吴森康,杨昌森. 近代爆破理论与实践[M].武汉:中国地质大学出版社, 1993.12.
[4]张正宇,张文煊,吴新霞,等. 现代水利水电工程爆破[M].北京:中国水利水电出版社, 2003.
[5]孟吉复,惠鸿斌. 爆破测试技术[M]. 北京:冶金工业出版社,1992.
[6]张正宇.中国爆破新技术[M].北京:冶金工业出版社,2004, 254-283.
[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB6722-2003爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社, 2004.
[8]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[S].2006.9.1.
[9]长江水利委员会长江科学院. 水电水利工程爆破安全监测规程（DL/T5333-2005）[S]. 北京:中国电力出
版社,2006.。