仪器选型与数据传输系统

7.2　仪器选型与数据传输系统

变形、渗流、温度等物理量是常用的监测项目。目前可以对这些物理量进行监测的仪器或技术很多，有常规仪器、光纤光栅仪器、激光扫描仪器、合成孔径雷达、热成像技术等。这些监测仪器或技术各有各的优势，需要从以下方面综合考虑适合不同工程项目的选型。

（1）监测仪器设备选型及安装方法应尽量减少对监测对象及周围环境的影响。由于文物的珍贵性和不可再生性，要求监测仪器无论是安装方法还是工作特点都应将对文物及周围环境的影响降到最低。

（2）石窟变形量很小，监测仪器设备要求精度高，反应灵敏，可持续观测。石质文物一般存在了几百年，甚至上千年。这些文物自身的变形都远小于一般的危岩体，因此选择的仪器应具备稳定性好、耐久性好、反应精度高的特点。

（3）石质文物变形是一个非常缓慢的过程，因此仪器观测是个多频次的长期工作。人工观测需要投入大量的人力物力，还存在较大的不确定性，容易造成数据的丢失，因此采用数据自动传输是较好的监测手段。

目前可筛选用于云冈石窟的监测手段及仪器特点列于表7.1。由表可知，三维扫描和热成像技术不能自动化测量，这两种观测手段不适用于本项目。光栅光纤仪器在埋设安装方法和数据传输方面对文物及周边环境影响很大，也不适用于本项目。国产的常规监测仪器在长期耐久性和稳定性方面与进口仪器相比有较大的差距，使用年限也比国外进口产品短。表7.1中所列的两家国外进口仪器的大部分参数指标相差不大，但英国Soil公司的产品具备一项重要的功能，它可以提供单仪器的无线传输，这是目前大部分仪器厂商不具备的。它不需要像其他常规仪器一样大规模长距离地布线，仅需要在监测仪器附近安装一个发射模块，而且模块间还可以组网传递数据，这对本项目来说很重要，满足了尽可能减小对环境影响的要求。经综合考虑，确定本项目采用英国Soil公司的常规振弦式监测仪器来测量变形、温度及渗流的物理量。监测设备由中国水利水电科学研究院负责安装。表7.2列出了本项目采用的Soil公司产品的技术参数。

表7.1　石质文物保护工程监测手段及仪器选择表

表7.2　英国Soil公司监测仪器的技术参数

振弦式传感器以拉紧的金属弦作为敏感元件，当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受作用力的大小，通过相应的测量电路，就可得到表征拉力大小的电信号。

为了尽可能减少对文物本体与环境景观的影响，本项目采用无线通讯模式来传输数据。在无线通讯方式的选择上，采用的是ZigBee与GPRS组合的通讯模式。ZigBee模式是一种短距离、低功耗的无线通信技术的名称。这一名称来源于蜜蜂的“8”字舞。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、短延时、低数据量、高安全性、免执照频段，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。这些特点非常适用于本项目的数据传输。

仪器设备通过ZigBee模式连接到节点模块，节点模块再通过GPRS模块连接到Internet网络，采集软件可以通过接入Internet的终端计算机采集数据。本项目根据现场的实际情况，采用两个GPRS模块接入Internet网络：一个是接入温度计的GPRS模块，另一个是接入其他设备的GPRS模块。

数据传输设备安放于第3窟外路边的路灯支架底部的电源箱，借用路灯底部的交流电源进行永久供电。安装时对数据传输天线做好防水处理。设备GPRS模块的工作时间定在每天14：00～14：30。