基于Labview的根石監測系統設計

張亞玲，張憲君，姜文龍，聶海濱，王善輝，郭士明，周錫芳

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

在近幾年來，黃河調水調沙后河道堤壩出險問題都是根石走失問題，當根石被水淹沒后，防汛人員將無法及時掌握根石的狀態，更無法知道堤壩的情況，只有在水面以上的堤壩出現潰壩后，防汛人員才能發現險情，這種滯后現象存在較大的安全隱患，嚴重影響人民群眾的生命健康和財產安全[1]。針對上述情況，本文設計了基于Labview的根石監測系統，將感知設備內置于根石中，通過電腦端采集根石狀態數據，并對數據進行實時展示和存儲，實現了對根石狀態的長期自動化監測。

1 系統結構

本系統采用姿態傳感器和位移傳感器作為信號采集裝置，將傳感器內置到根石中，對根石狀態進行感知并返回狀態數據信息。系統軟件通過串口與傳感器進行通信，將采集到的信息傳輸到計算機中，并通過軟件對采集參數和過程進行控制，對采集結果進行分析、存儲和展示，根石監測系統結構如圖1。本系統采用串口進行數據采集，數據傳輸遵守Modbus通信協議，采用平衡發送和差分接收的RS-485半雙工工作方式，因此具有較強地抑制共模干擾[2]。

圖1 根石監測系統結構圖

2 采集終端

2.1 姿態傳感器

姿態傳感器是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸電子羅盤等運動傳感器[3-4]。為了簡化設計并且提高穩定度，本系統選用HWT905-485九軸姿態傳感器,作為信息根石姿態感知傳感器，通過采用數字濾波技術實現了在降低測量噪聲的同時，提高監測精度，XY軸測量精度為0.05°，Z軸測量精度為1°，加速度穩定性為0.01g，角速度穩定性為0.05°/s。

2.2 位移傳感器

位移傳感器功能是把機械運動轉換成可以計量、記錄或傳送的電信號，通過測量輸出信號可以得出運動物體的位移、方向或速率。本項目位移傳感器選擇拉繩位移傳感器，型號為深圳米蘭特MPS系列、量行程長為5000mm，該拉繩位移傳感器空間結構小巧，安裝方式簡單，監測精度高，線性精度為0.25%FS，重復精度為0.01%FS～0.005%FS。

3 軟件結構

LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司開發的程序開發環境，可以完成系統的圖形化編程以及產品開發中設計、測試等步驟。與其他采用文本語言來產生代碼的開發語言不同，LabVIEW通過圖形化編輯語言G運用框圖的形式來產生程序。

本系統的數據傳輸是通過采用串行接口來實現的。LabVIEW與串行設備通信前安裝VISA驅動，VISA是虛擬儀器系統IO接口軟件，基于底層自底向上的結構模型，應用于在儀器編程中的標準IO應用程序接口（API）[5]，通過儀器的物理連接類型和物理連接的位置，運用VISA可以進行儀器訪問。

4 軟件系統設計

根石監測系統具有監測根石的姿態和位移的功能，包括姿態和位移的數據采集和顯示，以及歷史采集數據的查詢和顯示等功能。其中數據采集和顯示包括在各方向上的加速度、角速度、速度以及綜合位移長度等參數；數據查詢按照時間段對歷史數據進行查詢，并將查詢結果以數據表格、加速度曲線圖、角速度曲線圖、位移曲線圖和三維展示的形式呈現。

4.1 數據采集

在數據采集模塊中，RS-485采用半雙工工作方式，發送電路需要通過使能信號進行控制，使得在任何時候只能有一個傳感器處于發送狀態[6]。根據數據通信Modbus-RTU協議和16CRC校驗協議計算得出不同傳感器的讀取命令，在執行讀取命令后，程序進行延時等待，目的等待傳感器返回數據，避免獲取不到數據或者獲取的數據不完整，然后進行傳感器數據的緩存和讀取。通過對設備的輸入和輸出緩沖區進行清零避免再次發送讀取命令時，線路中數據傳輸出現信號沖突現象。

4.2 數據分析

系統軟件接收到數據后，首先進行CRC校驗，校驗正確后進行數據解析，將從傳感器獲得的數據按照協議進行解析、展示和存儲。數據展示分為二維展示和三維姿態展示，物體旋轉過后相對于之前的三維角度變化信息，可以等效為物體依次繞三個軸旋轉復合得到，當姿態角結算時所使用的坐標系為東北天坐標系，旋轉順序為z-y-x，即先繞z軸轉，再繞y軸轉，再繞x軸轉，可獲得最終旋轉姿態[7]。

4.3 數據存儲與查詢

在數據存儲模塊中，將測試信息和測得的數據保存在數據庫中，并對數據庫進行讀操作，使得測得數據能夠顯示在列表數據中，直觀的顯示數據庫中所記錄的所有數據，同時可以將數據列表中的數據顯示在角度、角速度、角加速度、位移圖中,數據存儲部分程序如圖2。數據查詢通過選擇查詢時間，設定查詢起始時間和終結時間，并生成Mysql數據庫查詢命令，通過數據庫鏈接子VI進行數據查詢并將獲得的數據結果進行輸出顯示。

圖2 數據查詢部分程序框圖

5 基于Labview根石監測系統的實驗

根石監測系統軟件工作界面主要用于控制系統操作的流程、顯示采集、查詢數據波形和顯示三維姿態。其中采集軟件操作界面共分四個區，分別為基本設置區、歷史數據查詢區、表盤數據顯示區、數據波形和三維圖形顯示區，如圖3。

基本設置區包括串口名稱、監測選擇、數據庫鏈接、監測間隔、角度變量、位移變量、開始監測等。其中串口名稱下顯示當前電腦端所連串口且可更新現有號的串口；監測選擇下拉列表選擇監測全部值或者監測角度；數據庫鏈接部分已聲明數據庫鏈接方式；監測間隔用于根據需要填寫監測間隔和數據設定變量；歷史數據查詢框中包含起止時間和終結時間以及查詢，日期設置完成后，點擊確定按鈕，即在歷史結果查詢中生成對應的數據表格、加速度曲線圖、加速度曲線圖、角度曲線圖、位移曲線圖等。

圖3 系統主界面

6 結語

基于Labview的根石監測系統，采用姿態傳感器和位移傳感器作為根石狀態感知設備并封裝到根石中，以Labview為平臺開發了電腦端監測軟件，實現了對水下根石狀態的全天候連續監測，監測精度高、穩定性好，其中XY軸測量精度為0.05°，Z軸測量精度為1°，加速度穩定性為0.01g，角速度穩定性為0.05°/s。經試驗，本系統整體設計方案可行可用，實現了用自動化采集代替人工采集，數據傳輸實時可靠，減少人力物力的成本；感知終端所監測到的數據信息可隨時調用，節約時間成本；水下根石狀態的自動實時監測，彌補了長期以來河道整治工程安全監管只能依靠人工和非汛期的根石探測成果的短板，為河防工程防洪搶險的現代化、精細化管理提供有力支撐。