CN106354066B - 一种应用于水库坝体监测***的集中控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，它包括管理器壳体、管理控制器、激光发射器和激光通孔开关机构，所述管理器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在管理器壳体内对应激光通孔的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所述管理控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连。本发明通过设置激光通孔开关机构实现了管理器壳体的激光通孔自动开启和关闭，激光通孔开关机构中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，管理控制器采用功能丰富、强大的ARM 32位单片机STM32F107构成，满足整个***的现场要求。

Description

一种应用于水库坝体监测***的集中控制器

技术领域

本发明涉及一种水库坝体监测装置，具体地说是一种应用于水库坝体监测***的集中控制器。

背景技术

混凝土坝和砌石坝建成蓄水运用后，在水、泥沙、浪、扬压力、温度以及地震等作用下，必然发生变形，严重导致塌陷，案例不胜枚举。大坝安全监测技术是国际关注问题。

大坝结构安全监测***涉及光学、传感器、电子等多个学科领域，发展经历两个阶段：

1、观测阶段(1891～1964年)，也称原型观测。因为该阶段的监测水平较低，只是对放置在大坝结构上的监测仪器进行人工观察和检测，记录大坝实时状态。

2、安全观测向安全监测转变和发展的阶段(1965年至今)。国内外监测领域逐渐意识到仪器检测的局限性，便对大坝采用人工巡查与仪器观测相结合。其中日本、美国是最早进行巡视检查的国家，随后法国、意大利加拿大以及挪威等国家也都规定必须对大坝进行人工巡检，从而有效的避免了只用观测仪器对大坝进行安全监测的缺陷。但由于人工巡查只能观察大坝表面的变化，而对其内部的复杂结构变化以及安全隐患难以辨别，因此必须发明一种能够随时、随地、及时、高效的反映和检测大坝安全问题的监测技术。60年代后期，国外许多国家对自动监测大坝安全的仪器设备进行研究和制造：日本首先实现了在拱坝上对监测数据进行自动采集；之后，意大利先后实现了垂线仪变形自动监测和集中式采集数据***；1989年，加拿大将能够进行数据采集、存储、处理、远程以及分析等功能的自动化检测***安装在大坝上。我国从80年代开始对坝体变形实行监测，也研制了分布式智能检测数据采集***、无线通信模块以及维护大坝网络安全信息的软件***。

目前国际上对坝体变形监测采用两种方式：

1、根据基点高程和位置，使用经纬仪、水准仪、电子测距仪或激光准直仪、GPS、智能全站仪等来测量坝体表面标点、觇标处高程和位置变化。可实现测点的三维位移数据测量；

2、在坝体表面安装或埋设一些监测位移的仪器，通常只能测量测点的单项位移数据(水平位移或垂直位移)。常用的位移监测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线仪、多点位移计和应变计等。

就变形监测设备而言，从精度、稳定性、安装工程量、维护、价格等几方面说,能满足各项要求的设备几乎没有。坝体内部位移监测还只能使用传统的单项位移监测设备，需要预先埋设或钻孔安装，施工不便，目前还没有好的替代方法；坝体表面位移使用的三维数据监测设备安装方便、性能稳定、精度高，但受地理环境影响大，安装条件受到限制，且成本高。

由此，研发一种不受地理环境影响，响应时间快，测量精度高，可实现自校准，便于实现智能数字化管理的坝体变形自动监测***意义重大。

发明专利《水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法》[专利号ZL201410450657.8]和《水库坝体沉陷与水平位移监测***》[专利号ZL201410450695.3]详细阐述了基于激光原理监测坝体变形的原理和方法。关键技术是利用激光光束通过观测点的“十字架”折射产生清晰图形获取纵轴的特征值—弦长及截距来推算坝体变形程度。***包括监测控制器和集中管理器，集中管理器设置在坝体外坚固端，激光经发射和直射到若干个等间距的监测点，并在每个监测点处分别设置一个基准点监测器，如图1所示。工作时上位机给基准点监测器发生一系列控制命令，在得到各监测器总允许情况下开启激光发生器，同时给监测器发射拍摄图像指令。经图像处理完毕将特征值存入EEPROM，等待上位机有关命令。集中管理器与上位机可实现GPRS或RS485数据通讯，将坝体变形数据进行统计分析即可实现数字化智能安全管理，防患于未然，避免坝体塌陷等事故发生。

但是，在上述两发明专利中，集中控制器的激光通孔挡板通过激光通孔挡板水平控制机构和激光通孔挡板垂直控制机构来进行移动和固定，当挡板受到外界冲击时(物体撞击或者大风)，挡板很容易损坏，导致集中控制器箱体内进水或者灰尘，影响集中控制器的运行致使无法准确监测水库坝体。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其不仅能够有效监测水库坝体情况，而且测量精度高。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，包括管理器壳体、管理控制器、激光发射器和激光通孔开关机构，所述管理器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在管理器壳体内对应激光通孔的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所述管理控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连；所述激光通孔开关机构包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与管理控制器连接，所述步进电机的控制端与管理控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与管理控制器连接。

优选地，所述遮挡板背离支架板的一面紧靠在管理器壳体内侧壁上。

优选地，所述管理器壳体为防水壳体。

优选地，所述遮挡板采用聚乙烯板。

优选地，所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。

优选地，所述存储器采用AT24C02存储芯片。

优选地，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM32F107单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM32F107单片机连接。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置激光通孔开关机构实现了管理器壳体的激光通孔自动开启和关闭，激光通孔开关机构中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，管理控制器采用功能丰富、强大的ARM32位单片机STM32F107构成，满足整个***的现场要求。

当进行水库坝体检测时，本发明控制激光通孔开关机构自动将管理器壳体的激光通孔打开，使激光穿过通光孔和激光通孔；当检测完成时，控制激光通孔开关机构自动关闭通光孔和激光通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

附图说明

图1为现有技术水库坝体监测***的结构示意图；

图2为本发明所述管理器壳体的结构示意图；

图3为本发明所述管理器壳体的内部结构示意图；

图4为本发明所述通孔开关机构(支架板背离壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图5为本发明所述通孔开关机构(支架板靠近壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图6为本发明所述管理控制器的结构示意图；

图7为本发明所述GPRS模块的电路原理图；

图中，1为管理器壳体，2为激光通孔，3为激光发射器，4为管理控制器，5为激光通孔开关机构；501为支架板、502为通光孔、503为轨道孔、504为滑槽、505为遮挡板、506为齿条、507为旋转轴、508为齿轮、509为步进电机、510为轴承座、511和512为限位开关、513为拉式电磁铁。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图2至图5所示，本发明的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，它包括管理器壳体1、激光发射器3、管理控制器4和激光通孔开关机构5，所述管理器壳体1一侧面设置有激光通孔2，所述激光发射器3设置在管理器壳体内对应激光通孔2的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构5，所述管理控制器5分别与激光发射器3和激光通孔挡板机构5相连；所述激光通孔开关机构5包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板501，在支架板501一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔502，支架板另一端设置有水平的轨道孔503，轨道孔503与通光孔502联通，在支架板501靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴507的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板501上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁513的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关511和512的输出端与管理控制器4连接，所述步进电机509的控制端与管理控制器4连接，所述拉式电磁铁513的控制端与管理控制器4连接。

所述遮挡板505背离支架板的一面紧靠在管理器壳体1内侧壁上；所述管理器壳体1为防水壳体；所述遮挡板505采用聚乙烯板。增加了管理器壳体的密封性和防水性。

如图6所示，所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。所述存储器采用AT24C02存储芯片。

如图7所示，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM32F107单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM32F107单片机连接。

激光通孔开关机构的工作原理如下：步进电机的输出轴与旋转轴固定在一起，旋转轴跟齿轮固定一起，齿轮与齿条咬合一起，当电机工作时，旋转轴和齿轮旋转，带动齿条移动，齿条和遮挡板固定在一起上，从而带动遮挡板移动打开或关闭通光孔和激光通孔。当齿条移动到指定位置时会碰触限位开关，限位开关会给STM32F107单片机一个信号，STM32F107单片机停止驱动步进电机工作。当齿条移动碰触到开进通光孔处的限位开关7时，遮挡板将通光孔关闭，此时给拉式电磁铁断电，拉式电磁铁的挡头会落下，挡住齿条，使齿条不能向远通光孔方向移动，防止外力将遮挡板打开，增强安全性。下次开启时，首先给拉式电磁铁上电，使挡头抬起。激光通孔开关机构通过STM32F407单片机的控制，驱动步进电机自动打开和关闭通光孔和激光通孔。当进行水库坝体检测时，本发明控制激光通孔开关机构自动将管理器壳体的激光通孔打开，使激光穿过通光孔和激光通孔；当检测完成时，控制激光通孔开关机构自动关闭通光孔和激光通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

在本发明检测***中，管理控制器采用32位ARM Cortex-M3架构的STM32F107单片机，其运行频率达到72MHz，能够快速响应***通信，满足现场实际需求。无线射频模块和GPRS模块各通过串口与单片机相连，接收来自上位机发送的指令，以及发送检测数据到单片机。RX8025时钟芯片通过IIC接口与单片机相连，可以实现定时自动检测的功能。单片机驱动激光通孔开关机构的步进电机正反转，使通光自动开关控制机构打开或关闭激光通孔。限位开关与单片机相连，当机构打开或关闭到预定位置时，碰触限位开关，限位开关给单片机一个低电平信号，单片机停止控制步进电机。当机构打开后，单片机控制继电器动作，打开激光发射器的电源，使激光发射器工作。整个过程能够自动开启、关闭机构，自动数据传输，不需要人工参与，极大的方便了工作，节省了成本。

本发明的工作过程为：控制器的无线模块接收到上位机的指令后给单片机，单片机解析指令。单片机解析到是开启检测命令后，开始执行开启动作，首先控制电磁铁上电，使挡头抬起，然后控制步进电机转动，带动遮挡板移动。在这个过程中，检查限位开关是否有信号输入，如果有信号输入，说明已经开启到指定位置，则停止步进电机工作，此时激光通光孔打开。控制激光发生器电源打开，激光发生器投射出平行激光，开始工作。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，包括管理器壳体、管理控制器、激光发射器和激光通孔开关机构，所述管理器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在管理器壳体内对应激光通孔的位置，在管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所述管理控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连；所述激光通孔开关机构包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与管理控制器连接，所述步进电机的控制端与管理控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与管理控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述遮挡板背离支架板的一面紧靠在管理器壳体内侧壁上。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述管理器壳体为防水壳体。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述遮挡板采用聚乙烯板。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。

6.根据权利要求5所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述存储器采用AT24C02存储芯片。

7.根据权利要求5所述的一种应用于水库坝体监测***的集中控制器，其特征是，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM32F107单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM32F107单片机连接。