基于AVR32铁路隧道施工安全监测系统

　　1.1 引言

　　铁路隧道的开采、施工和使用过程中，隧道围岩变形是围岩应力分布、整体力学形态变化和稳定状态最直接和可靠的反映，围岩净空位移的测量是隧道施工过程中一个重要环节，是判断围岩稳定性和指导施工的重要依据。对隧道围岩变形进行及时的监测和分析预报成为铁路隧道施工中保证施工安全、防止事故发生、合理确定隧道支护的十分重要的工作。

　　1.2 项目背景/选题动机

　　传统的隧道围岩位移测量方法主要有两种：一种是在施工过程中布置测量断面，间隔一定的时间由人工使用各种机械式或机械－电子式收敛计测量；另一种是借助隧道断面仪定时定点测量待测断面。两者的不足之处在于：

　　（1）不能实时监测：即不能随时监测待测断面的变形情况，因而不能及时反映施工过程中隧道围岩的异常变化。

　　（2）对施工干扰大：由于变形测量中或者需要拉尺，或者需要架设断面仪，所以对施工作业，尤其是运输作业干扰很大。

　　（3）测量工作危险：在人员不易接近的地方，为了获取测量数据，人员不得不频繁接近危险空间，因而对人员与仪器的安全威胁较大。

　　（4）测量费用高：因同一断面要多次反复测量，加之测量过程繁琐，用人多，耗时长，导致测量费用较高。

　　（5）测量数据不可靠：造成测量数据不可靠的原因主要是电子和机械仪表的测量精度不够和处理测量数据时造成的误差。

　　我们采用AVR32处理器构建新型的铁路施工隧道安全监测系统，具有无接触、自动化、高精度和高可靠性等优势，该系统能用于隧道施工安全、防止事故发生。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　系统需要实施监控铁路隧道施工安全情况，如图1系统架构，我们将半导体激光器架设在稳定地围岩上，作为参考基准点。需要观察的不稳定围岩出架设我们设计的系统，通过CCD感应光斑的位置，从而反映围岩下沉的情况。

　　　　图1 系统架构

　　2.2 性能要求

　　系统需要高精度地反映铁路围岩下沉的状况，需要排除外界干扰因素等影响，比如外界温度，湿度都会影响光线传播的路径；外界光线过强，会造成CCD饱和失真等等。我们需要消除这些因素，从而达到高精度、高可靠性等特点

　　三、方案设计

　　3.1 系统功能实现原理

　　系统硬件结构如图2所示：采用AVR EVK1105评估套件为基础，它是采用32位的AT32UC3A0512为核心处理器，外扩256M SDRAM，64M FLASH的评估套件。数据采集部分采用东芝线阵光电耦合器件（CCD）采集隧道下沉位置信息，温湿度传感器采集隧道环境信息，光线传感器采集外界光强度信息。显示部分采用板上的QVGA（320×240）彩色LCD液晶显示，显示数据采集部分采集的信息。由于系统需要进行长时间地工作，对采集的信息需要做相应的处理，需要显示每分钟/每小时/每天/每月这四个界面，从而直观地反映铁路隧道短期和长期的安全情况，评估和预测未来的走势。控制部分采用板上的触摸选择按键，达到显示不同界面的效果。数据可以通过板上的SD/MMC接口进行数据储存，也可以通过以太网接口将数据传输到监控中心。当超过设定的阈值，可以通过板上的高保真音频接口发出语音提示，设定的报警提示内容可以存储在板上的FLASH当中。

　　以上叙述为站点1的接口，其他站点与站点1类似，用于监测铁路隧道的各个节点，都可以通过以太网接口将数据传输到监控平台，从而反映整条铁路隧道的整体情况。

　　系统硬件结构框图

　　图2系统硬件结构框图

　　3.2 硬件平台选用及资源配置

　　硬件平台选用：32位的AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的评估套件。

　　使用到板上资源：320×240 QVGA 彩色液晶LCD显示器，外展256M SDRAM，64M FLASH，SD/MMC接口，以太网接口，光线传感器，触摸按键，高保真音频解码等。

　　3.3系统软件架构

　　如图3所示，系统首先采集三个重要信息：光斑位置、温湿度和外界光强度。根据相应的数据算发，消除温湿度和外界光强都光斑位置的影响。如果超过设定的阈值，采用板上的高保真语音进行语音提示。处理后的数据由SD卡数据存储、LCD液晶显示和以太网数据传输。

　　3.4 系统软件流程

　　程序运行流程图

　　图3程序运行流程图

　　3.4 系统预计实现结果

　　图4是我们前期采用笔记本显示和处理数据，整个系统庞大。预先采用AVR开发套件，完成相应模块的驱动和设计，小型化、实用化，应用到实际的工程项目当中。

　　实际安装效果

　　图4实际安装效果