時(shí)間：2023-04-24 17:12:29
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系統(tǒng)概述
待檢測(cè)車輛需要經(jīng)過檢測(cè)通道，如圖1所示。將紅外攝像頭放置于通道中間，獲得車底部熱感應(yīng)圖像。為了獲取較廣的視角以及較小形變的圖像，紅外攝像頭安放的仰角為40°。由于監(jiān)控室與檢測(cè)通道的距離較遠(yuǎn)，且通道數(shù)較多，因此需要通過光端機(jī)將所獲取的視頻傳輸給監(jiān)控室控制臺(tái)PC機(jī)。檢測(cè)軟件根據(jù)本文提出的檢測(cè)算法對(duì)捕獲到的圖像進(jìn)行分析，若判斷車輛底部藏人則向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便其通過控制安全桿做出相應(yīng)攔截措施。視頻傳輸示意圖，如圖2所示。
軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采取的基本實(shí)現(xiàn)策略是先定位后檢測(cè)。首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)車輛檢測(cè)，其次根據(jù)車輛的自身特征，定位可疑目標(biāo)在車輛底部可能的藏匿部位。當(dāng)區(qū)域定位完成后，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行感興趣區(qū)域（RegionOfInterest，ROI）的選取。最后對(duì)ROI進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否藏人。檢測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖3所示。通過對(duì)車輛的掃描檢測(cè)過程，查出藏匿于車底的可疑目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。
1圖像去噪
圖像去噪是圖像預(yù)處理的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是整個(gè)圖像預(yù)處理中的關(guān)鍵一步。在對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛定位的過程中，針對(duì)車輛與環(huán)境對(duì)比度大、信息豐富，受噪聲影響較小等特點(diǎn)，只需對(duì)圖像采用常規(guī)的均值濾波進(jìn)行處理。而在檢測(cè)目標(biāo)時(shí)，為了在去除噪聲的同時(shí)，最大程度的保存目標(biāo)的邊緣信息，采用了基于開關(guān)控制的組合濾波。濾波器的基本思路是將圖像劃分為三類區(qū)域：孤立噪聲點(diǎn)區(qū)、平坦區(qū)和邊緣信息區(qū)。其主要處理原則為：孤立噪聲點(diǎn)區(qū)的灰度與其鄰域往往有較大的差異，可按照椒鹽噪聲進(jìn)行處理，選用中值濾波器；平坦區(qū)往往包含高斯噪聲，可采用加權(quán)均值濾波器加以消除；邊緣信息區(qū)包含了圖像的細(xì)節(jié)信息，應(yīng)作為保留區(qū)域不做處理。將處理后的三個(gè)區(qū)域加以合成，即得到了去噪后的圖像。
濾波器性能的關(guān)鍵在于分類開關(guān)的設(shè)計(jì)，借用順序統(tǒng)計(jì)濾波的思路，將濾波器設(shè)計(jì)成N×N的掩模算子，N為奇數(shù)，使該掩模在整個(gè)圖像上滑動(dòng)，對(duì)它所覆蓋的圖像中的像素點(diǎn)xi進(jìn)行排序，得到序列x（1），x（2）……x（N^2），利用排序結(jié)果設(shè)計(jì)下面的分類規(guī)則：a、b為排序后的位置偏移量，Ta和Tb為閾值?；陂_關(guān)控制的組合濾波算法就包括這么幾個(gè)步驟：（1）對(duì)掩模覆蓋的圖像像素點(diǎn)進(jìn)行排序；（2）利用分類規(guī)則進(jìn)行三個(gè)區(qū)域劃分；（3）對(duì)孤立噪聲點(diǎn)區(qū)進(jìn)行中值濾波，對(duì)平坦區(qū)進(jìn)行均值濾波；（4）將處理后的區(qū)域合成，得到去噪圖像。
2車輛檢測(cè)及目標(biāo)區(qū)域的定位
2.1運(yùn)動(dòng)車輛檢測(cè)
對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)一般用背景差分法和幀間差分法。背景差分法是利用序列中當(dāng)前幀圖像與背景圖像的差分來消除背景、提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域的一種技術(shù)。背景差分法可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定差分閾值，所得到的結(jié)果直接反映了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大小、形狀和位置，可以得到比較精確的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，但該方法應(yīng)用于紅外目標(biāo)檢測(cè)時(shí)易受環(huán)境溫度、天氣等外界條件變化的影響。幀間差分法是利用視頻序列中連續(xù)的兩幀或多幀圖像的差異來檢測(cè)和提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該方法對(duì)場(chǎng)景的變化不太敏感，適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定性好。不足之處是：1）無法抽取完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，僅能得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的邊界；2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取效果依賴于幀間時(shí)間間隔的合理選擇。本文針對(duì)待檢測(cè)目標(biāo)所處背景在短時(shí)間內(nèi)為靜態(tài)背景，而較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)背景會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，并結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出改進(jìn)的背景差分法。算法原理圖如下：其中F(K)為當(dāng)前幀，B為通過隔幀幀差法求得的當(dāng)前背景圖像，D為差分結(jié)果圖，R為二值化圖像。
該算法繼承了幀間差分法對(duì)場(chǎng)景變化不太敏感的優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確更新背景差分法所需要的當(dāng)前背景圖，進(jìn)而提取出完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。下面是采用基本背景差分法和改進(jìn)后背景差分法，在不同時(shí)候背景更新保存的背景圖片?；颈尘安罘址ㄔ谙到y(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，會(huì)出現(xiàn)背景更新出錯(cuò)，檢測(cè)流程紊亂，從而產(chǎn)生檢測(cè)系統(tǒng)失效現(xiàn)象。而采用改進(jìn)的背景差分法，即使是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，系統(tǒng)也能確保背景更新的準(zhǔn)確。
2.2目標(biāo)區(qū)域定位
由于運(yùn)動(dòng)車輛特性已知，在其運(yùn)動(dòng)的過程中，可以通過對(duì)目標(biāo)局部圖像進(jìn)行特征提取，定位可疑區(qū)域。目標(biāo)的一般特征包括點(diǎn)、邊緣、區(qū)域和輪廓。點(diǎn)特征對(duì)圖像的分辨率、旋轉(zhuǎn)、平移、光照變化等有很好的適應(yīng)性，常用的點(diǎn)特征描述算子如SIFT、SURF等都具有很高的精度，但這些算法復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，并且紅外圖像特征點(diǎn)往往較少，采用點(diǎn)描述算子并不能達(dá)到令人滿意的效果。因此本文根據(jù)實(shí)際目標(biāo)的特性，采用了對(duì)線、面特征進(jìn)行描述的方法來標(biāo)注運(yùn)動(dòng)車輛。運(yùn)動(dòng)的車輛受車底傳動(dòng)抽、燃燒室以及空間限制，目標(biāo)一般躲藏于車廂后輪位置。
為了準(zhǔn)確定位目標(biāo)區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域進(jìn)入視場(chǎng)之前的運(yùn)動(dòng)車輛局部特征需要重點(diǎn)描述。車廂底部進(jìn)入攝像頭視場(chǎng)時(shí)如圖6(a)所示。為了提取車輛的直線特征，需要對(duì)車底圖像進(jìn)行邊緣提取。常見的邊緣檢測(cè)算子有：Laplace、Sobel以及Canny等。由于Laplace算子常常會(huì)產(chǎn)生雙邊界，而Sobel算子又往往會(huì)形成不閉合區(qū)域，對(duì)后面直線檢測(cè)都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
Canny算子克服了上述算子的缺陷，能夠盡可能多的標(biāo)識(shí)出圖像中的實(shí)際邊緣，并且能夠?qū)⑤^小的間斷點(diǎn)進(jìn)行連接，因此能夠形成較為完整的邊界線。Canny算子是最優(yōu)的階梯型邊緣檢測(cè)算法，本文采用選用Canny算子進(jìn)行圖像的邊緣檢測(cè)。邊緣檢測(cè)結(jié)果如圖6(b)所示，較為明顯且具有特征不變性的為直線邊緣。當(dāng)可能藏人的區(qū)域進(jìn)入攝像頭視場(chǎng)時(shí)，車底圖像的直線特征隨之消失（如圖6(c)），因此可以利用圖像的直線特征來定位后輪檢測(cè)區(qū)域。Hough變換檢測(cè)直線是較為理想的直線檢測(cè)方法，由PaulHough于1962年提出。經(jīng)過Hough變換后，根據(jù)已知的目標(biāo)直線位置、角度、長(zhǎng)度，選取符合條件的直線。圖6(b)、(c)中白色粗線為所檢測(cè)出的目標(biāo)直線。
受環(huán)境因素的影響，車底直線特征可能并不明顯，因此單一的直線特征提取難以滿足檢測(cè)精度要求，如圖7所示情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車底面特征不易受到周圍環(huán)境、溫度的影響，因此可以進(jìn)行面特征提取。選定區(qū)域?yàn)閳D6(b)中虛線框內(nèi)，滿足要求的特征為梯度小于一定閾值，即具有平滑特征，判斷方法是計(jì)數(shù)虛線框內(nèi)邊緣點(diǎn)數(shù)，判斷其是否小于給定閾值。采用Sobel內(nèi)核計(jì)算圖像差分其中src為輸入圖像，dst為輸出圖像，xorder為x方向的差分階數(shù)，yorder為y方向的差分階數(shù)。
由于當(dāng)車底藏人時(shí)，其進(jìn)入攝像頭視場(chǎng)會(huì)阻斷車底原有的平滑特征如圖6(d)，因此當(dāng)平滑特征消失時(shí)，這時(shí)判斷是否符合定位位置特征，若符合即可進(jìn)行定位檢測(cè)；若車底沒有藏人時(shí)，車底平滑特征會(huì)持續(xù)到車尾部位才結(jié)束，這時(shí)只需判斷到達(dá)車尾就可以結(jié)束檢測(cè)流程。
實(shí)驗(yàn)表明，基于這種車箱底部中間區(qū)域光滑特征去定位檢測(cè)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，而基于兩側(cè)直線特征定位的方法又能夠比較準(zhǔn)確的定位到目標(biāo)區(qū)域。綜合上述兩種思路，設(shè)計(jì)出的定位流程如下圖8所示：應(yīng)用中是否滿足直線以及平滑特征是通過檢測(cè)連續(xù)多幀圖像來實(shí)現(xiàn)的，這樣可以盡量減少偶然因素導(dǎo)致的定位失敗。
3藏人的檢測(cè)
3.1基于高亮度特征的ROI的選取
如圖9為定位之后的待檢測(cè)目標(biāo)圖。為了排除車底本身熱源的干擾（如車輪）縮小檢測(cè)范圍，必須對(duì)原圖進(jìn)行ROI的選取。行進(jìn)過程中的車輪一般在紅外圖像中會(huì)呈現(xiàn)高亮度特征。基于此特征，從圖片左右兩側(cè)分別搜索列像素平均灰度值最高的部分（最可能為車輪內(nèi)鋼圈），加上一定偏移量即可求出ROI左邊界位置（PositionofLeft，PL）。ROI下邊界線也采用同樣的方法，上邊界采用默認(rèn)值。當(dāng)車輪不明顯時(shí)采用默認(rèn)感興趣區(qū)域即可下面圖9為采用固定ROI選取和基于高亮度特征的ROI提取結(jié)果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，這種基于具體特征的感興趣區(qū)域提取方法，對(duì)于車輪出現(xiàn)的偏差具有良好的適應(yīng)性，即使車輛行駛時(shí)發(fā)生較大的偏移也能做出正確的ROI選取。
3.2目標(biāo)的檢測(cè)
對(duì)于已知形狀、外貌以及姿態(tài)等特征目標(biāo)檢測(cè)采用特征匹配、直方圖反向投影等方法都能取得較為理想的效果。但對(duì)于躲藏姿勢(shì)未知并且本身形狀較為模糊的紅外目標(biāo)，采用匹配的方式效果并不明顯。
紅外目標(biāo)與目標(biāo)區(qū)域的周圍存在一定的灰度差異，改變了原有區(qū)域梯度小、較為平滑的特征。針對(duì)這種改變采用評(píng)價(jià)函數(shù)f(x,y)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，若達(dá)到一定的閾值，即可預(yù)判車底藏人。評(píng)價(jià)函數(shù)依據(jù)不同區(qū)域可疑信息權(quán)重不一樣而選定(ROI內(nèi)中間部位權(quán)重較高、四周權(quán)重較低)，表示如下其中T為警戒閾值，Warnflag為預(yù)警標(biāo)志。具體檢測(cè)步驟如下：
1)對(duì)原圖的感興趣區(qū)域進(jìn)行組合濾波處理；
2)對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行邊緣梯度檢測(cè)(圖10)；
3)采用評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行評(píng)分并判斷是否超過給定閾值；
4)重復(fù)步驟1-3，若連續(xù)三幀超出閾值則發(fā)出報(bào)警指令，否則表示無人。對(duì)應(yīng)的報(bào)警截圖如圖11所示
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及算法的可靠性，在不同的貨檢口岸、時(shí)間段、天氣條件進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如下。結(jié)果表明，在不同月份檢測(cè)誤報(bào)率十分低，漏報(bào)率也能滿足相應(yīng)指標(biāo)。設(shè)計(jì)出的車底藏人自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，說明了這套檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。軟件界面如圖12所示。
供電電壓自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)方案和特點(diǎn)
監(jiān)控模塊根據(jù)接收到以CAN通訊卡傳來的指令來控制電機(jī)的停止/啟動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)取芯儀供電電源的運(yùn)行狀態(tài)，并將電壓、電流、溫度、運(yùn)行信息及故障信息等參數(shù)通過CAN通訊傳給上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。電壓一次側(cè)由芯片3875發(fā)出的移相脈沖控制H橋的IGBT模塊，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波由SPWM輸出模塊編程實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)和軟停車，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)自適應(yīng)等功能。方案結(jié)構(gòu)（圖略）。測(cè)控系統(tǒng)特點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)采用凌陽公司的16位高速微型計(jì)算機(jī)SPMC75F2413A為核心，CAN控制器采用MCP2515，CAN驅(qū)動(dòng)器采用TI公司的低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D，通過CAN總線能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)和傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和共享，更能夠?qū)崿F(xiàn)多CPU之間的數(shù)據(jù)共享與互聯(lián)互通，其它電子元件均選擇150℃溫度的等級(jí)。此外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有散熱器、風(fēng)扇等。該測(cè)控系統(tǒng)具有極高的高溫可靠性，能夠確保系統(tǒng)在高溫環(huán)境下可靠工作，控制、檢測(cè)、顯示的實(shí)時(shí)性好，可靠性高。測(cè)控系統(tǒng)采用智能化控制算法軟件來實(shí)現(xiàn)馬達(dá)機(jī)的高性能運(yùn)行，其具有效率高、損耗小、噪音小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。
硬件電路設(shè)計(jì)
CAN通信電路檢測(cè)系統(tǒng)采用SPMC75F2413A凌陽單片機(jī)，不集成CAN外設(shè)模塊，選擇外部CAN模塊控制器MCP2515，該模塊支持CAN協(xié)議的CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0BPassive和CAN2.0BActive版本，是一個(gè)完整的CAN系統(tǒng)，直接連接到單片機(jī)的SPI總線上，構(gòu)成串行CAN總線，省去了單片機(jī)I/O口資源，電路簡(jiǎn)單，適合高溫工作。CAN通信電路原理圖（圖略）MCP2515輸出只要加一個(gè)收發(fā)器就可以和上位PC機(jī)進(jìn)行CAN通信，收發(fā)器采用TI公司生產(chǎn)的SH65HVD140D。電機(jī)溫度檢測(cè)電路該系統(tǒng)中供電電源溫度的檢測(cè)由溫度傳感器PT100來完成。PT100與高頻變壓器、供電電源散熱器、高頻電感發(fā)熱器件的表面充分接觸，當(dāng)器件的溫度變化時(shí)，PT100的阻值也隨之變化，將溫度傳感器的阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)放大整形送給單片機(jī)，再由單片機(jī)計(jì)算出供電電源各發(fā)熱點(diǎn)的實(shí)際溫度。當(dāng)溫度過高，供電電源自動(dòng)停止運(yùn)行。同時(shí)實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的各發(fā)熱點(diǎn)的溫度通過CAN通訊發(fā)給上位PC機(jī)。輸入直流電壓檢測(cè)電路檢測(cè)電路（圖略）。供電電源為多電壓變化環(huán)節(jié)，前級(jí)變換為AC/DC，儀器要深入井下工作，交流高壓從地面通過長(zhǎng)達(dá)7000m的電纜線供給，直流阻抗（電阻）值約為240Ω，一般由兩根電纜導(dǎo)線并聯(lián)使用[5]。系統(tǒng)不工作時(shí)，電纜導(dǎo)線無電流，供電電壓相對(duì)較高，電機(jī)電流約1.5A。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電纜中有電流，電纜線路就會(huì)有壓降，電機(jī)電流會(huì)達(dá)到3A。由于采用了高頻變壓器，變比約18，當(dāng)負(fù)載電流增加1.5A時(shí)，原邊電流就增加約27A，如果重載，原邊電流增加更多，就會(huì)拉垮輸入電源。所以對(duì)輸入的一次側(cè)直流電壓電流進(jìn)行監(jiān)控就非常必要，根據(jù)檢測(cè)值來調(diào)整輸入的直流高壓[6]。檢測(cè)電路采用的是差分電路采樣直流電壓，檢測(cè)時(shí)，直流高壓加到分壓電阻的兩端，通過分壓電阻運(yùn)放調(diào)理后輸入到CPU。
軟件設(shè)計(jì)
CAN通信協(xié)議系統(tǒng)CAN總線的節(jié)點(diǎn)流程圖。上位機(jī)向監(jiān)控模塊發(fā)送指令幀，幀號(hào)為0x11，用來控制電機(jī)啟停和SPWM輸出。監(jiān)控模塊向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)幀，幀號(hào)為0x21，用來反饋電機(jī)的狀態(tài)信息。軟件流程圖監(jiān)控模塊根據(jù)上位機(jī)的指令控制電機(jī)的停止/啟動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)取芯器供電電源的運(yùn)行狀態(tài)，并將參數(shù)傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。軟件分為兩大模塊，主程序模塊和定時(shí)器T1中斷服務(wù)模塊。主程序模塊主要實(shí)現(xiàn)上電初始化功能、CAN通訊功能和定時(shí)器T1中斷設(shè)置等功能；定時(shí)器T1中斷程序模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)采樣及發(fā)送，并能根據(jù)CAN總線接收的指令控制輸出參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述檢測(cè)系統(tǒng)安裝在井壁取芯儀上得以成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。將安裝有檢測(cè)控制系統(tǒng)的井壁取芯儀整體放在恒溫箱里面做加溫運(yùn)行帶載實(shí)驗(yàn)，恒溫箱145℃恒定不變，連續(xù)運(yùn)行24h，每隔0.5h使電機(jī)帶載運(yùn)行10min，即電機(jī)憋壓運(yùn)行。同時(shí)改變電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速（從500r/m到3000r/m），觀測(cè)測(cè)量的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度穩(wěn)定，又根據(jù)電機(jī)的帶載運(yùn)行調(diào)整輸入直流高溫。檢測(cè)控制系統(tǒng)經(jīng)高溫24h連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)在空載和帶載時(shí)能夠可靠運(yùn)行，滿足要求。（a）（b）（c）是實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的CAN總線數(shù)據(jù)幀。（a）為CAN總線數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)波形，由10個(gè)字節(jié)組成。為測(cè)控系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)幀發(fā)送接收，每隔120ms傳送一幀數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目橋梁
20世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對(duì)超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測(cè)的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動(dòng)了大距度橋梁的發(fā)展；同時(shí)，隨著人們對(duì)大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。由于橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。
一、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與理論發(fā)展簡(jiǎn)況
1．監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如，英國(guó)在總長(zhǎng)522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測(cè)大橋運(yùn)營(yíng)階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國(guó)主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國(guó)主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國(guó)自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長(zhǎng)江大橋等[6~8]。
從已經(jīng)建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運(yùn)行等方面看，這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下一些共同特點(diǎn)：
（1）通常測(cè)量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；
（2）除監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風(fēng)、車輛荷載等）的監(jiān)測(cè)和記錄分析；同時(shí)，試圖通過橋梁在正常車輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)；
（3）在通車運(yùn)營(yíng)后連續(xù)或間斷地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測(cè)傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；
（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
這些特點(diǎn)使得大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測(cè)的對(duì)象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的范圍（如斜拉索振動(dòng)控制裝置[4]等）。
2．理論研究
十多年來，橋梁健康監(jiān)測(cè)理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評(píng)估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的深入研究和運(yùn)用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測(cè)技術(shù)以外的最重要的整體性評(píng)估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動(dòng)測(cè)量值的整體性評(píng)估方法研究的另一個(gè)原因是，結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可以在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此這一方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潛力。
結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估方法可以歸結(jié)為模式識(shí)別法、系統(tǒng)識(shí)別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類【1】。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力響應(yīng)的評(píng)估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評(píng)估技術(shù)已在一些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入實(shí)用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測(cè)量信息不完備；③測(cè)量精度不足和測(cè)量信號(hào)噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測(cè)量信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。
另外，從評(píng)估方法上，目前對(duì)大跨度橋梁的安全評(píng)估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級(jí)評(píng)估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評(píng)價(jià)。
二、橋梁健康監(jiān)測(cè)新概念
橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：
·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài)；
·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；
·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；
·大橋所處環(huán)境條件；等等。
與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測(cè)不僅要求在測(cè)試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。
然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)預(yù)測(cè)橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析常基于理想化的有限元離散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國(guó)外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測(cè)信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
橋梁健康監(jiān)測(cè)信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)；并且，對(duì)橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對(duì)環(huán)境荷載的合理建模是將來實(shí)現(xiàn)橋?quot;虛擬設(shè)計(jì)"的基礎(chǔ)。
還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測(cè)帶來的將不僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的"現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室"。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有許多問題需要研究。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評(píng)估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評(píng)估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與調(diào)查。
綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。
三、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
兩座大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置情況可以看出，兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與規(guī)模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主要是因?yàn)閷?duì)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資額和（或）建立各個(gè)系統(tǒng)的目的（或者說是對(duì)系統(tǒng)的功能要求）不同。因此，橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上有意或無意地遵循著某些準(zhǔn)則。
顯然，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測(cè)三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測(cè)的目的和功能所在。對(duì)于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評(píng)估，或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，甚至以研究發(fā)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提。
根據(jù)功能要求和成本一效益分析可以將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此，功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。
2．監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估出發(fā)的，個(gè)別也兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證甚至部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以橋梁?jiǎn)栴}的研究為目的[5]。文獻(xiàn)［12］通過對(duì)國(guó)內(nèi)多座運(yùn)營(yíng)中的斜拉橋進(jìn)行大量病害調(diào)查與檢測(cè)分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估的頗具代表性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。
如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別所須要的信息。因此，對(duì)于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應(yīng)預(yù)測(cè)。另外，在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。
目前，某些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁?jiǎn)栴}研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是專為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入研究或論證。
·抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場(chǎng)特性觀測(cè)、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場(chǎng)中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。
·抗震方面：包括研究各種場(chǎng)地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過對(duì)墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測(cè)建立恢復(fù)力模型對(duì)橋梁的抗震分析具有重要的意義。
·結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對(duì)于發(fā)展基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法非常重要。
·結(jié)構(gòu)局部問題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機(jī)制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。
·耐久性問題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。
·基礎(chǔ)：大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)計(jì)問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計(jì)算方法不很合理。借助大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題，也是設(shè)計(jì)部門的需要。
四、小結(jié)
（1）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。
（2）大型橋梁健康監(jiān)測(cè)三方面的意義反映了從事橋梁維護(hù)管理、設(shè)計(jì)咨詢和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問題。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以功能要求和效益－成本分析為基本準(zhǔn)則。此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過布點(diǎn)優(yōu)化分析，并且考慮到系統(tǒng)實(shí)施中的非常重要的通信問題。
針對(duì)垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度采集點(diǎn)多，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，提出了以電子技術(shù)和微控制技術(shù)為核心技術(shù)的機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由溫度傳感器、濕度傳感器、變送器、主從單片機(jī)、RS485總線、顯示及鍵盤等部分組成。圖1為垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)框圖。工作時(shí)，安裝在探頭上傳感器采集該處機(jī)采棉的溫濕度值，通過變送器和轉(zhuǎn)換器將該處的各點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)送至該處的從機(jī);從機(jī)將采集來的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，取加權(quán)平均值，再將加權(quán)平均值通過RS485總線送至主機(jī)，通過鍵盤輸入機(jī)采棉霉變預(yù)警的溫濕度閾值;主機(jī)將傳輸來的數(shù)據(jù)和預(yù)警閾值相比較，判斷是否達(dá)到預(yù)警條件，如果達(dá)到預(yù)警條件，發(fā)出命令，控制預(yù)警裝置發(fā)出警報(bào)，并且顯示出霉變或有霉變趨勢(shì)的機(jī)采棉位置。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1硬件部分
本設(shè)計(jì)的主機(jī)所要實(shí)現(xiàn)匯總從機(jī)發(fā)來的信息和預(yù)先設(shè)定的霉變閾值相比較，判斷每個(gè)從機(jī)位置的機(jī)采棉情況。如果出現(xiàn)異常，主機(jī)控制警報(bào)系統(tǒng)工作，顯示屏可以利用鍵盤控制其翻頁(yè)功能，實(shí)時(shí)顯示出每個(gè)從機(jī)位置的機(jī)采棉情況。從機(jī)主要負(fù)責(zé)將采集來的溫濕度信息，經(jīng)處理后，送入主機(jī)。鑒于以上因素，主、從機(jī)都選用單片機(jī)STC89C516RD+。該款單片機(jī)具有加密性強(qiáng)、低功耗、速度快和精度高等特點(diǎn)，其核內(nèi)有64kB的flash，1280B的RAM，16kB的ROM，可以滿足控制的需要。每個(gè)從機(jī)位置的溫濕度信息檢測(cè)，采用探頭檢測(cè)，在每個(gè)探頭的不同位置，均勻分布4個(gè)溫度傳感器和4個(gè)濕度傳感器，分別構(gòu)成該從機(jī)的溫度傳感器組和濕度傳感器組。濕度傳感器選用HM1500，模擬量輸出，在5V供電條件下，輸出0～4V范圍的電壓對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度值0～100%;因?yàn)槭蔷€性輸出，所以可以直接和單片機(jī)相連，為了檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性，可以將濕度傳感器的輸出量經(jīng)過同相跟隨器將信號(hào)穩(wěn)定后送入單片機(jī)。溫度傳感器選用AD590為模擬信號(hào)輸出需要驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后才能使溫度信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī);可測(cè)量范圍－55～150℃，供電范圍寬，4～30V;圖2為溫度傳感器AD590的驅(qū)動(dòng)電路圖。顯示模塊要求實(shí)時(shí)顯示各個(gè)從機(jī)控制的檢測(cè)探頭位置的溫濕度以及每個(gè)探頭所在位置的坐標(biāo)值，通過鍵盤的上下鍵控制顯示屏的翻頁(yè)和刷新。所以，采用液晶顯示器LCD1602兩行顯示，就可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。鍵盤模塊是向主機(jī)輸入預(yù)設(shè)的參考值以及控制顯示屏的翻頁(yè)與刷新，基于以上功能采用4×4的行列式鍵盤。
2．2軟件部分
首先，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，細(xì)化軟件每一部分的功能，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)各部分功能之間的邏輯關(guān)系。垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用keiluvision2編程環(huán)境，編程實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的功能。keilC51是一個(gè)比較主流的單片機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)的開發(fā)工具，主從機(jī)的程序編寫采用模塊化編程。其調(diào)試程序、完成各部分編程后，將程序的．hex工程文件燒錄至Proteus軟件下的仿真電路圖，仿真效果達(dá)到最佳時(shí)，記錄電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù);根據(jù)此優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計(jì)垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物硬件。垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)程序流程圖，如圖3所示。
3試驗(yàn)結(jié)果分析
系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試完成后，在南口農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。系統(tǒng)測(cè)試了垛儲(chǔ)機(jī)采棉的溫濕度值。表1為垛儲(chǔ)機(jī)采棉溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的溫濕度數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的機(jī)采棉溫濕度值和人工測(cè)量的實(shí)際值近似相符。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠精確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)垛儲(chǔ)機(jī)采棉的溫濕度，達(dá)到了垛儲(chǔ)機(jī)采棉儲(chǔ)存情況的安全控制。
4結(jié)論
參考注射泵的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和出廠標(biāo)準(zhǔn)，確定微量注射泵的質(zhì)量檢測(cè)流程。在Hydrograph軟件中登記微量注射泵的設(shè)備編號(hào)和所屬科室信息，將流速和測(cè)試時(shí)間分別設(shè)為10mL/h和30min，同時(shí)設(shè)置微量注射泵的流速為10mL/h，記錄流速為10mL/h的平均流速和累積流量。測(cè)試完成后分別設(shè)置Hydrograph軟件和微量注射泵的流速為60mL/h，測(cè)試10min，記錄流速為60mL/h的平均流速和累積流量。圖1所示為Hydrograph軟件記錄的60mL/h流量檢測(cè)曲線示意圖，圖中雙縱坐標(biāo)分別為實(shí)時(shí)流速和累積流量，橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，可讀得平均流速和總的累積流量分別為60.31mL/h和9.82mL，測(cè)試時(shí)間共9min46s。流速相對(duì)設(shè)定值誤差在±5%內(nèi)合格。流速測(cè)試完成后，分別設(shè)置Hydrograph軟件和微量注射泵的流速為99.9mL/h進(jìn)行阻塞壓力報(bào)警測(cè)試，記錄報(bào)警時(shí)間、報(bào)警壓力和停止壓力。阻塞壓力分為高低兩檔，高檔阻塞壓力設(shè)定值為800mmHg，偏差值在±200mmHg內(nèi)合格;低檔阻塞壓力設(shè)定值為300mmHg，偏差值在±100mmHg內(nèi)合格。圖2所示為Hydrograph軟件記錄的阻塞壓力報(bào)警曲線示意圖，可見報(bào)警壓力為294mmHg，報(bào)警時(shí)間為37s，停止壓力約為120mmHg。
2結(jié)果
剔除由于數(shù)據(jù)缺失影響統(tǒng)計(jì)分析的檢測(cè)個(gè)案后，有效檢測(cè)個(gè)案共251例(通道)。10mL/h和60mL/h的流速測(cè)試結(jié)果分別見表1和表2?？梢娏魉贋?0mL/h的合格率為64.9%，60mL/h的合格率為93.2%。表3所示為平均流速接近或大于流速設(shè)定值兩倍的流速測(cè)試原始記錄。圖3和圖4所示分別為低阻塞壓力和高阻塞壓力報(bào)警統(tǒng)計(jì)分布圖，結(jié)果表明低阻塞壓力分布的合格率為38.4%，低于和高于合格范圍的占比分別為50%和11.6%。高阻塞壓力分布的合格率為13.4%，低于和高于合格范圍的占比分別為84.3%和2.3%。高低阻塞壓力均合格的儀器僅有29臺(tái)。
3討論
由表1可見10mL/h流速相對(duì)誤差小于－5%的微量注射泵占30.3%，由表2可見60mL/h流速相對(duì)誤差小于－5%的微量注射泵占4.8%。由于10mL/h和60mL/h流速測(cè)試的累積流量分別為5mL和10mL，可見增加測(cè)試的累積流量可以顯著改善流速測(cè)試結(jié)果。推頭和滑桿中存在粘稠液體或金屬滑桿生銹，或者推頭松動(dòng)造成推頭和滑道之間摩擦力增大，均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量流速偏低。噴除銹清潔劑清洗后微量注射泵流速精度合格。
表3中序號(hào)1和2的60mL/h流速誤差在±5%內(nèi)，而10mL/h流速明顯大于流速設(shè)定值的兩倍，且10mL/h流速測(cè)試的累積流量大于設(shè)定值5mL的兩倍，這里的測(cè)試誤差主要是由10mL/h測(cè)試中測(cè)試人員人為推動(dòng)推頭造成的，重新測(cè)試發(fā)現(xiàn)流速測(cè)試合格。序號(hào)3－6流速均接近設(shè)定值的兩倍，且有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失(表3中用“0”表示)，這里的數(shù)據(jù)缺失是由于完成一項(xiàng)流速測(cè)試發(fā)現(xiàn)流速誤差過大因而未對(duì)另一項(xiàng)流速進(jìn)行測(cè)試，屬于測(cè)試人員的主觀行為。雖然10mL/h和60mL/h測(cè)試結(jié)果中各有一組數(shù)據(jù)缺失，不會(huì)影響10mL/h和60mL/h的流速測(cè)試結(jié)果中相對(duì)誤差的一致性，但會(huì)影響兩組流速的合格率?？紤]這兩組缺失數(shù)據(jù)的影響，流速為10mL/h和60mL/h的合格率分別應(yīng)該修正為64.5%和92.8%。如表3序號(hào)3－6所示，共有四臺(tái)(占比1.59%)微量注射泵流速接近設(shè)定值的兩倍，檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部芯片引腳短路，更換芯片后微量注射泵工作正常。
由圖3和圖4可見，注射泵的阻塞壓力合格率較低，且低于合格范圍的占比遠(yuǎn)大于高于合格范圍的占比。注射泵集中檢測(cè)時(shí)反復(fù)使用，造成注射器活塞與管壁摩擦力變大，導(dǎo)致在較低的管路阻塞壓力下產(chǎn)生壓力報(bào)警，這一報(bào)警壓力并不能精確地反映注射泵正常工作時(shí)的報(bào)警功能。建議使用與注射泵匹配的全新注射器進(jìn)行注射泵的質(zhì)量檢測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行注射泵質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，在壓力報(bào)警明顯偏低時(shí)考慮更換注射器。微量注射泵的質(zhì)量受到動(dòng)力泵性能、檢測(cè)傳感器和壓力傳感器的靈敏度等多個(gè)因素的影響，輸液精度很大程度上取決于輸液管路的精度，使用非注射泵專用注射器和泵管會(huì)使得流速相對(duì)誤差顯著增加。微量注射泵的外觀檢查和性能測(cè)試中任意一項(xiàng)不符合要求即為不合格，本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示注射泵的總體合格率為13.4%。不合格因素主要是性能測(cè)試不達(dá)標(biāo)，主要來源是阻塞壓力偏低，且高阻塞壓力相對(duì)低阻塞壓力合格率更低。
關(guān)鍵詞入侵檢測(cè)系統(tǒng)；CIDF；網(wǎng)絡(luò)安全；防火墻
0引言
近年來，隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展以及政治、經(jīng)濟(jì)或者軍事利益的驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，特別是各種官方機(jī)構(gòu)的網(wǎng)站，成為黑客攻擊的熱門目標(biāo)。近年來對(duì)電子商務(wù)的熱切需求，更加激化了這種入侵事件的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于防火墻只防外不防內(nèi)，并且很容易被繞過，所以僅僅依賴防火墻的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能對(duì)付日益猖獗的入侵行為，對(duì)付入侵行為的第二道防線——入侵檢測(cè)系統(tǒng)就被啟用了。
1入侵檢測(cè)系統(tǒng)（IDS）概念
1980年，JamesP.Anderson第一次系統(tǒng)闡述了入侵檢測(cè)的概念，并將入侵行為分為外部滲透、內(nèi)部滲透和不法行為三種，還提出了利用審計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)視入侵活動(dòng)的思想[1]。即其之后,1986年DorothyE.Denning提出實(shí)時(shí)異常檢測(cè)的概念[2]并建立了第一個(gè)實(shí)時(shí)入侵檢測(cè)模型，命名為入侵檢測(cè)專家系統(tǒng)（IDES），1990年，L.T.Heberlein等設(shè)計(jì)出監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的入侵檢測(cè)系統(tǒng)，NSM(NetworkSecurityMonitor)。自此之后，入侵檢測(cè)系統(tǒng)才真正發(fā)展起來。
Anderson將入侵嘗試或威脅定義為：潛在的、有預(yù)謀的、未經(jīng)授權(quán)的訪問信息、操作信息、致使系統(tǒng)不可靠或無法使用的企圖。而入侵檢測(cè)的定義為[4]：發(fā)現(xiàn)非授權(quán)使用計(jì)算機(jī)的個(gè)體（如“黑客”）或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的合法用戶濫用其訪問系統(tǒng)的權(quán)利以及企圖實(shí)施上述行為的個(gè)體。執(zhí)行入侵檢測(cè)任務(wù)的程序即是入侵檢測(cè)系統(tǒng)。入侵檢測(cè)系統(tǒng)也可以定義為：檢測(cè)企圖破壞計(jì)算機(jī)資源的完整性，真實(shí)性和可用性的行為的軟件。
入侵檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行的主要任務(wù)包括[3]：監(jiān)視、分析用戶及系統(tǒng)活動(dòng)；審計(jì)系統(tǒng)構(gòu)造和弱點(diǎn)；識(shí)別、反映已知進(jìn)攻的活動(dòng)模式，向相關(guān)人士報(bào)警；統(tǒng)計(jì)分析異常行為模式；評(píng)估重要系統(tǒng)和數(shù)據(jù)文件的完整性；審計(jì)、跟蹤管理操作系統(tǒng)，識(shí)別用戶違反安全策略的行為。入侵檢測(cè)一般分為三個(gè)步驟：信息收集、數(shù)據(jù)分析、響應(yīng)。
入侵檢測(cè)的目的：（1）識(shí)別入侵者；（2）識(shí)別入侵行為；（3）檢測(cè)和監(jiān)視以實(shí)施的入侵行為；（4）為對(duì)抗入侵提供信息，阻止入侵的發(fā)生和事態(tài)的擴(kuò)大；
2入侵檢測(cè)系統(tǒng)模型
美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所（SRI）的D.E.Denning于1986年首次提出一種入侵檢測(cè)模型[2]，該模型的檢測(cè)方法就是建立用戶正常行為的描述模型，并以此同當(dāng)前用戶活動(dòng)的審計(jì)記錄進(jìn)行比較，如果有較大偏差，則表示有異常活動(dòng)發(fā)生。這是一種基于統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，后來人們又提出了基于規(guī)則的檢測(cè)方法。結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，人們?cè)O(shè)計(jì)出很多入侵檢測(cè)的模型。通用入侵檢測(cè)構(gòu)架（CommonIntrusionDetectionFramework簡(jiǎn)稱CIDF）組織，試圖將現(xiàn)有的入侵檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，CIDF闡述了一個(gè)入侵檢測(cè)系統(tǒng)的通用模型（一般稱為CIDF模型）。它將一個(gè)入侵檢測(cè)系統(tǒng)分為以下四個(gè)組件：
事件產(chǎn)生器(EventGenerators)
事件分析器(Eventanalyzers)
響應(yīng)單元(Responseunits)
事件數(shù)據(jù)庫(kù)(Eventdatabases)
它將需要分析的數(shù)據(jù)通稱為事件，事件可以是基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包也可以是基于主機(jī)的系統(tǒng)日志中的信息。事件產(chǎn)生器的目的是從整個(gè)計(jì)算機(jī)環(huán)境中獲得事件，并向系統(tǒng)其它部分提供此事件。事件分析器分析得到的事件并產(chǎn)生分析結(jié)果。響應(yīng)單元?jiǎng)t是對(duì)分析結(jié)果做出反應(yīng)的功能單元，它可以做出切斷連接、修改文件屬性等強(qiáng)烈反應(yīng)。事件數(shù)據(jù)庫(kù)是存放各種中間和最終數(shù)據(jù)的地方的通稱，它可以是復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)也可以是簡(jiǎn)單的文本文件。
3入侵檢測(cè)系統(tǒng)的分類：
現(xiàn)有的IDS的分類，大都基于信息源和分析方法。為了體現(xiàn)對(duì)IDS從布局、采集、分析、響應(yīng)等各個(gè)層次及系統(tǒng)性研究方面的問題，在這里采用五類標(biāo)準(zhǔn)：控制策略、同步技術(shù)、信息源、分析方法、響應(yīng)方式。
按照控制策略分類
控制策略描述了IDS的各元素是如何控制的，以及IDS的輸入和輸出是如何管理的。按照控制策略IDS可以劃分為，集中式IDS、部分分布式IDS和全部分布式IDS。在集中式IDS中，一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)中所有的監(jiān)視、檢測(cè)和報(bào)告。在部分分布式IDS中，監(jiān)控和探測(cè)是由本地的一個(gè)控制點(diǎn)控制，層次似的將報(bào)告發(fā)向一個(gè)或多個(gè)中心站。在全分布式IDS中，監(jiān)控和探測(cè)是使用一種叫“”的方法，進(jìn)行分析并做出響應(yīng)決策。
按照同步技術(shù)分類
同步技術(shù)是指被監(jiān)控的事件以及對(duì)這些事件的分析在同一時(shí)間進(jìn)行。按照同步技術(shù)劃分，IDS劃分為間隔批任務(wù)處理型IDS和實(shí)時(shí)連續(xù)性IDS。在間隔批任務(wù)處理型IDS中，信息源是以文件的形式傳給分析器，一次只處理特定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的信息，并在入侵發(fā)生時(shí)將結(jié)果反饋給用戶。很多早期的基于主機(jī)的IDS都采用這種方案。在實(shí)時(shí)連續(xù)型IDS中，事件一發(fā)生，信息源就傳給分析引擎，并且立刻得到處理和反映。實(shí)時(shí)IDS是基于網(wǎng)絡(luò)IDS首選的方案。
按照信息源分類
按照信息源分類是目前最通用的劃分方法，它分為基于主機(jī)的IDS、基于網(wǎng)絡(luò)的IDS和分布式IDS。基于主機(jī)的IDS通過分析來自單個(gè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)審計(jì)蹤跡和系統(tǒng)日志來檢測(cè)攻擊?；谥鳈C(jī)的IDS是在關(guān)鍵的網(wǎng)段或交換部位通過捕獲并分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包來檢測(cè)攻擊。分布式IDS，能夠同時(shí)分析來自主機(jī)系統(tǒng)日志和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，采用分布式結(jié)構(gòu)。
按照分析方法分類
按照分析方法IDS劃分為濫用檢測(cè)型IDS和異常檢測(cè)型IDS。濫用檢測(cè)型的IDS中，首先建立一個(gè)對(duì)過去各種入侵方法和系統(tǒng)缺陷知識(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)收集到的信息與庫(kù)中的原型相符合時(shí)則報(bào)警。任何不符合特定條件的活動(dòng)將會(huì)被認(rèn)為合法，因此這樣的系統(tǒng)虛警率很低。異常檢測(cè)型IDS是建立在如下假設(shè)的基礎(chǔ)之上的，即任何一種入侵行為都能由于其偏離正?；蛘咚谕南到y(tǒng)和用戶活動(dòng)規(guī)律而被檢測(cè)出來。所以它需要一個(gè)記錄合法活動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，由于庫(kù)的有限性使得虛警率比較高。
按照響應(yīng)方式分類
按照響應(yīng)方式IDS劃分為主動(dòng)響應(yīng)IDS和被動(dòng)響應(yīng)IDS。當(dāng)特定的入侵被檢測(cè)到時(shí)，主動(dòng)IDS會(huì)采用以下三種響應(yīng)：收集輔助信息；改變環(huán)境以堵住導(dǎo)致入侵發(fā)生的漏洞；對(duì)攻擊者采取行動(dòng)（這是一種不被推薦的做法，因?yàn)樾袨橛悬c(diǎn)過激）。被動(dòng)響應(yīng)IDS則是將信息提供給系統(tǒng)用戶，依靠管理員在這一信息的基礎(chǔ)上采取進(jìn)一步的行動(dòng)。
4IDS的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
目前的入侵檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用的技術(shù)也很廣泛，如何來評(píng)價(jià)IDS的優(yōu)缺點(diǎn)就顯得非常重要。評(píng)價(jià)IDS的優(yōu)劣主要有這樣幾個(gè)方面[5]：（1）準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性是指IDS不會(huì)標(biāo)記環(huán)境中的一個(gè)合法行為為異?；蛉肭?。（2）性能。IDS的性能是指處理審計(jì)事件的速度。對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)IDS來說，必須要求性能良好。（3）完整性。完整性是指IDS能檢測(cè)出所有的攻擊。（4）故障容錯(cuò)（faulttolerance）。當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)遭到攻擊和毀壞時(shí)，能迅速恢復(fù)系統(tǒng)原有的數(shù)據(jù)和功能。（5）自身抵抗攻擊能力。這一點(diǎn)很重要，尤其是“拒絕服務(wù)”攻擊。因?yàn)槎鄶?shù)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的攻擊都是采用首先用“拒絕服務(wù)”攻擊摧毀IDS，再實(shí)施對(duì)系統(tǒng)的攻擊。（6）及時(shí)性（Timeliness）。一個(gè)IDS必須盡快地執(zhí)行和傳送它的分析結(jié)果，以便在系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害之前能及時(shí)做出反應(yīng)，阻止攻擊者破壞審計(jì)數(shù)據(jù)或IDS本身。
除了上述幾個(gè)主要方面，還應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：（1）IDS運(yùn)行時(shí)，額外的計(jì)算機(jī)資源的開銷；（2）誤警報(bào)率／漏警報(bào)率的程度；（3）適應(yīng)性和擴(kuò)展性；（4）靈活性；（5）管理的開銷；（6）是否便于使用和配置。
5IDS的發(fā)展趨
隨著入侵檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，成型的產(chǎn)品已陸續(xù)應(yīng)用到實(shí)踐中。入侵檢測(cè)系統(tǒng)的典型代表是ISS（國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)公司）公司的RealSecure。目前較為著名的商用入侵檢測(cè)產(chǎn)品還有：NAI公司的CyberCopMonitor、Axent公司的NetProwler、CISCO公司的Netranger、CA公司的Sessionwall－3等。國(guó)內(nèi)的該類產(chǎn)品較少，但發(fā)展很快，已有總參北方所、中科網(wǎng)威、啟明星辰等公司推出產(chǎn)品。
人們?cè)谕晟圃屑夹g(shù)的基礎(chǔ)上，又在研究新的檢測(cè)方法，如數(shù)據(jù)融合技術(shù)，主動(dòng)的自主方法，智能技術(shù)以及免疫學(xué)原理的應(yīng)用等。其主要的發(fā)展方向可概括為：
（1）大規(guī)模分布式入侵檢測(cè)。傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)技術(shù)一般只局限于單一的主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)框架，顯然不能適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)，不同的入侵檢測(cè)系統(tǒng)之間也不能協(xié)同工作。因此，必須發(fā)展大規(guī)模的分布式入侵檢測(cè)技術(shù)。
（2）寬帶高速網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)入侵檢測(cè)技術(shù)。大量高速網(wǎng)絡(luò)的不斷涌現(xiàn)，各種寬帶接入手段層出不窮，如何實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)時(shí)入侵檢測(cè)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。
（3）入侵檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。目前的IDS還存在著很多缺陷。首先，目前的技術(shù)還不能對(duì)付訓(xùn)練有素的黑客的復(fù)雜的攻擊。其次，系統(tǒng)的虛警率太高。最后，系統(tǒng)對(duì)大量的數(shù)據(jù)處理，非但無助于解決問題，還降低了處理能力。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是解決這一系列問題的好方法。
（4）與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)相結(jié)合。結(jié)合防火墻，病毒防護(hù)以及電子商務(wù)技術(shù)，提供完整的網(wǎng)絡(luò)安全保障。
6結(jié)束語
在目前的計(jì)算機(jī)安全狀態(tài)下，基于防火墻、加密技術(shù)的安全防護(hù)固然重要，但是，要根本改善系統(tǒng)的安全現(xiàn)狀，必須要發(fā)展入侵檢測(cè)技術(shù)，它已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)安全策略中的核心技術(shù)之一。IDS作為一種主動(dòng)的安全防護(hù)技術(shù)，提供了對(duì)內(nèi)部攻擊、外部攻擊和誤操作的實(shí)時(shí)保護(hù)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)安全性的要求越來越高，入侵檢測(cè)技術(shù)必將受到人們的高度重視。
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1．1水質(zhì)環(huán)境條件要求
經(jīng)過分析調(diào)查，水產(chǎn)漁業(yè)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)主要需求為:對(duì)溫度、pH值、溶解氧濃度這些參數(shù)發(fā)生變化或不符合標(biāo)準(zhǔn)，將嚴(yán)重影響水產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，因此，需對(duì)此類參數(shù)通過進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)匯集層、監(jiān)測(cè)中心層構(gòu)成，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層是由測(cè)溫度、pH值、溶解氧濃度的相應(yīng)傳感器組成的，將其部署在水中，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的采集，再通過WiFi將所采集數(shù)據(jù)發(fā)送至AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，再由AP節(jié)點(diǎn)通過WiFi將匯集數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。
2WiFi節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
WiFi又稱IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802．11b無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是對(duì)IEEE802．11的改進(jìn)，其最高帶寬為11Mbps。在信號(hào)較弱或有干擾時(shí)，可自動(dòng)調(diào)整為5．5，2或1Mbps。本系統(tǒng)中帶寬為11Mbps。本系統(tǒng)需完成對(duì)終端節(jié)點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)的制作，并且需實(shí)現(xiàn)將各個(gè)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)溫度、pH值、溶解氧濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2．1電源模塊
本系統(tǒng)中各個(gè)模塊所需的工作電壓均為3．3V，因此，可用2節(jié)AA電池通過電壓轉(zhuǎn)換電路得到3．3V，從而避免了使用市電供電，使系統(tǒng)更加無線化。
2．2WiFi無線通信模塊
本模塊采用的是GainSpan公司的GS1011片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了WiFi物理層，裝上天線和射頻功放即可完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，該芯片功耗超低，為雙ARM7核結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的工作，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用。芯片內(nèi)嵌的FLASH和SRAM用于儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)，編程和調(diào)試可通過JTAG口實(shí)現(xiàn);ADC，I2C總線，GPIO等接口用于接收來自傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)通過串口與單片機(jī)通信，其工作電壓為3．3V。
2．3處理器模塊
本次通與終端節(jié)點(diǎn)相連的處理器采用STC89LE52C單片機(jī)。該單片機(jī)IO口可模擬I2C接口來接收傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)信息，其工作電壓為3．3V。AP節(jié)點(diǎn)無需處理器。
2．4串口模塊
串口模塊采用MAX232實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)模塊和WiFi模塊之間的通信，并通過USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行程序配置。
2．5傳感器模塊
本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，適用電壓范圍為3．0～5．5V;通過串行數(shù)據(jù)線DQ與單片機(jī)的P1．2口相連實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸。DQ上需接一只4．7kΩ上拉電阻器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的控制，完成讀寫溫度數(shù)據(jù)功能。pH值傳感器采用雷磁E—201—C型pH復(fù)合電極，溶解氧濃度傳感器采用雷磁公司的DO—955溶氧電極，傳感器終端與單片機(jī)連接的電路原理圖如圖4所示。
3節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)中，IEEE802．11b采用的是Infrasture組網(wǎng)模式，通信協(xié)議為TCP/IP，具體目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯聚到AP節(jié)點(diǎn)，在通過WiFi后傳輸至監(jiān)測(cè)中心。具體的軟件設(shè)計(jì)步驟為:首先通過gs_flashprogram軟件編寫WiFiProtectedSetup(WPS)程序，且在程序中內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，將該程序燒寫入GS1011模塊;然后，通過Keil軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，其軟件結(jié)構(gòu)由AT指令，各傳感器的程序和API接口組成。在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)向AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，AP節(jié)點(diǎn)定時(shí)接收，并通過WiFi傳輸至監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)每30min采集一次水質(zhì)參數(shù)，因此，可通過定時(shí)器來控制終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)給AP節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，當(dāng)定時(shí)器被喚醒時(shí)，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，定時(shí)器滿，停止發(fā)送，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次定時(shí)器被喚醒。在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)與AP節(jié)點(diǎn)處于中斷狀態(tài)，且傳感器暫時(shí)停止工作。
4管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的管理核心為上位機(jī)，主要需實(shí)現(xiàn)串口接收程序和上位機(jī)管理程序等功能，本系統(tǒng)上位機(jī)通過MicrosoftVisualStudio2010軟件采用的是里面的MFC應(yīng)用程序框架進(jìn)行設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器設(shè)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存放及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，當(dāng)監(jiān)控人員登陸界面查找相關(guān)資料時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，并且可以以視圖的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
5系統(tǒng)測(cè)試
在某水產(chǎn)養(yǎng)殖基地對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)部署了4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別放在4個(gè)養(yǎng)殖池中，部署2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器、pH值傳感器、溶氧度傳感器集成在終端節(jié)點(diǎn)上。終端節(jié)點(diǎn)僅需2節(jié)普通5號(hào)電池。節(jié)點(diǎn)固定在魚塘中心位置，且內(nèi)離水面1m處。傳感器終端每隔30min對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行一次采樣，并將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)后，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次采樣指令的盜壘。其溫度、pH值、溶解氧濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果。
6結(jié)束語
