國立交通大學
土木工程學系碩士班
碩士論文
包含
TDR 感測功能之自動化監測系統
Development of an automatic monitoring system with TDR
sensing capacity
研究生：謝岳勳
指導教授：林志平 博士
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包含
TDR 感測功能之自動化監測系統
Development of an automatic monitoring system with TDR sensing capacity
研究生：謝岳勳 Student: Yueh-Hsun Hsieh
指導教授：林志平 博士 Advisor: Dr. Chih-Ping Lin
國立交通大學 土木工程學系碩士班
碩士論文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering
National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Civil Engineering
February 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十八年二月
i 包含TDR 感測功能之自動化監測系統 學生：謝岳勳 指導教授：林志平博士 國立交通大學土木工程學系碩士班
中文摘要
近年來自動化監測系統已逐漸受到工程界的重視，本研究目的旨 在以時域反射法(Time Domain Reflectometry, TDR)為中心主軸發展自 動化監測系統。TDR 具備有一機多頻道、多功能的優點，適用於遠 端自動化，但現有 TDR 資料擷取器運算能力不足，必須將擷取後的 TDR 波形訊號經由遠端傳輸回伺服器上進行運算分析，無法於現地 即時換算為物理量。因此本研究採用新式的資料擷取器以改善 TDR 自動化監測系統的硬體運算能力，並考量使用者於軟體操作便利性， 設計包含 TDR 多功能量測的圖形化介面軟體。基於監測硬體系統改 良與人性化操控軟體介面建置，提供完善之自動化監測系統。 監測系統改良首要考量硬體的運算能力，其次考慮環境條件對硬 體系統的影響和足夠的連接介面，因此本研究採用嵌入式系統以整合 TDR 監測與傳統感測技術。軟體方面則配合 TDR 多功能與多頻道的 特色，開發人機互動操作程式與自動化監測程式。人機互動操作程式 可提供現地人員即時操作與查詢之用，而自動化監測程式因功能需求 而區分伺服器端介面與遠端介面。伺服器端介面可擷取遠端監測結果 並控制遠端系統，遠端介面則提供定時資料擷取與分析之設定與執 行。成果顯示配合硬體改善與人性化操控軟體介面建置，可提升TDR 監測即時分析效率與系統操作便利性。但本系統於現地測試常有穩定 性不足的情況，建議須進一步評估系統穩定性，以俾實際工程應用。 關鍵字：時域反射法（TDR）、嵌入式系統ii
Development of an automatic monitoring system with TDR sensing capacity
Student: Yueh-Hsun Hsieh Advisor: Dr. Chih-Ping Lin Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
Recently automatic monitoring systems are gradually concerned in construction business. The purpose of this study is to develop an automatic monitoring system including Time Domain Reflectometry (TDR) sensing technique. The monitoring system with TDR technique has advantages of multi-channel, multi-functional and automation. However, the computing capability of the existing TDR data logger is not sufficient for TDR waveform processing, meaning that physical parameters cannot be acquired immediately from TDR data logger. The raw data must be transmitted to server for further computing and analysis. Therefore, this study provides a new hardware by replacing existing TDR data logger to improve computation capability firstly, and designs relative software with user-friendly interface for operating efficiency.
The prior consideration of hardware selectivity is sufficient computation ability, and integration for both TDR and conventional monitoring devices minor. Consequently, this study uses embedded system to meet the aforementioned requirements. Then TDR software is developed based on TDR characteristics of multi-channel and multi-functional, and this software includes both human-computer interaction program and automatic monitoring program. The interaction program provides TDR acquisition setting and intermediate data quarry. Furthermore, the automatic monitoring program is divided into the server-side interface and the remote-side interface by demand. The
iii
function of the server-side interface is to control the remote systems and acquire the monitoring data from remote system. The remote-side interface provides functions of data acquisition and processing periodically. Finally, the results show that the combination of hardware improvement and user-friendly software increases ability of automation system and operation efficiency. However, the new TDR monitoring system needs further in-situ verification of stability.
iv
致謝
本論文得以順利完成，首先要感謝指導教授林志平博士於研究所 求學期間悉心指導，給予學生在論文研究以及專業知識上的諸多指 導，使學生得以突破研究瓶頸並獲得學識上的精進，此外，於求學態 度與待人處世方面亦給予學生許多啟發，在此致上最誠摯的謝意。 口試期間良受潘以文教授、廖志中教授、謝筱齡教授給予本論文 許多寶貴的建議與指正，使論文得以更加完善，在此表示由衷的感謝。 研究期間，幸蒙學長宗盛、士弘、沛霖、志忠、瑛鈞、俊宏、育 嘉與文欽等的協助，尤其是志忠學長與育嘉學長的諸多照顧，及博清 學長於專業領域上的建議與經驗分享。同儕俊昇與瑋晉諸多幫忙與鼓 勵，以及其他研究所期間同甘共苦的同學與室友們，你們為我的研究 生活增添許多樂趣。還要感謝學弟智棟、永政、哲毅、儒錚、子奕與 學妹玉紋在試驗上的幫助，使每個試驗得以如期順利完成。還有曾經 幫忙過我的人，謹以此謝文獻上致意。 當然最要感謝的是陪伴我和支持我的母親和兄長，這二十幾年來 如果沒有你們的教誨與支持，就沒有今天的我，謝謝你們，謹以此文 獻給我最親愛的家人。v
目錄
U 中文摘要U ... i U 英文摘要U ... ii U 致謝U ... iv U 目錄U ... v U 表目錄U ... vii U 圖目錄U ... viii U 第一章、緒論U ... 1 U 1.1 研究動機U ... 1 U 1.2 研究目的U ... 2 U 1.3 研究流程U ... 3 U 第二章、文獻回顧U... 5 U 2- 1 一般電子傳感器監測技術U ... 6 U 2.2 TDR原理及TDR感測器U ... 9 U 2.3 TDR感測器與一般感測器比較U ... 19 U 2.3.1 一般感測器的優缺點U ... 19 U 2.3.2 TDR感測器的優缺點U ... 19 U 2.4 現有TDR自動化監測系統架構U ... 21 U 2.4.1 現場監測系統配置與資料擷取U ... 23 U 2.4.2 監測資料的處理與儲存U ... 29 U 2.4.3 資訊網路服務U ... 30 U 2.5 既有TDR自動化監測系統問題U ... 34 U 第三章、研究方法U... 35 U 3.1 TDR自動化監測流程改善U ... 35 U 3.2 硬體架構與設計U ... 37vi U 3.2.1 嵌入式系統選擇與考量U ... 38 U 3.2.2 周邊擷取系統整合U ... 40 U 3.3 人性化操作介面之規劃U ... 41 U 3.3.1 TDR人機互動介面操作程式規畫U ... 43 U 3.3.2 TDR自動化監測程式規劃U ... 43 U 第四章、軟硬體設計成果U ... 51 U 4.1 硬體系統整合與呈現U ... 51 U 4.2 TDR人機互動操作程式U ... 59 U 4.3 TDR自動化監測程式U ... 69 U 4.3.1 Server介面U ... 69 U 4.3.2 Remote介面U ... 71 U 4.3.3 Acquisition Setting介面U ... 73 U 第五章、結論與建議U ... 85 U 5.1 結論U ... 85 U 5.2 建議U ... 86 U 參考文獻U ... 87 U 附錄一U ... 91 U 附錄二U ... 92
vii
表目錄
U 表2- 1 儀器架設方法比較U ... 20 U 表3- 1 自動化資料擷取儀器種類U ... 39 U 表3- 2 工業電腦與嵌入式系統比較表U ... 39 U 表4- 1 嵌入式系統規格U ... 53viii
圖目錄
U 圖1- 1 研究流程圖U ... 4 U 圖2- 1 TDR監測系統與人體神經系統之類比U ... 6 U 圖2- 2 電子感應器範例—電阻式應變計（Wheatstonbridge）U ... 8 U 圖2- 4 電子感應器範例—光學背散射濁度計(D&A Instrument)U ... 9 U 圖2- 5 電子感應器範例—超音波含砂濃度計(Mobrey)U... 9 U 圖2- 6 TDR量測系統U ... 10 U 圖2- 7 不同之阻抗不連續所產生之反射波形(Addrews 1994)U ... 12 U 圖2- 8 TDR水位感測原理(楊培熙，2003)U ... 14 U 圖 2- 9 (a)平行纜線(b)水位計(c)以TDR水位計為基礎之雨量計(楊培 熙，2003)U ... 14 U (b)U ... 15 U 圖2- 11 TDR位移感測原理及其反射波形隨位移之變化U ... 16 U（Lin and Tang 2005）U ... 16
U 圖 2- 13 利用TDR反射波形之走時量測材料介電度及反射訊號穩態 值量測導電度之方法(Lin2003a; Lin 2003b)U ... 18 U 圖 2- 14 TDR含砂濃度感測器、波形隨含砂濃度之變化及波形走時 (林志平與鍾志忠 2007; 2008)U ... 18 U
圖2- 15 電子式水壓計(Wilson and Mikkelsen 1978)U ... 20
U
圖2- 16 伸縮儀(Wilson and Mikkelsen 1978)U ... 21
U
圖2- 17 孔內傾斜儀構造和配置圖(Green and Mikkelsen, 1988)U ... 21
U 圖2- 18 TDR自動化監測系統（CAMPBELL SCIENTIFIC）U ... 22 U 圖2- 19 野外TDR自動化監測系統U ... 22 U 圖2- 20 TDR資訊自動化監測流程(葉致翔，2003)U ... 23 U 圖2- 21 TDR資料擷取設備流程概況(葉致翔，2003)U ... 27
ix U 圖2- 22 資料擷取設備的實體圖(葉致翔，2003)U ... 28 U 圖2- 23 PC200W介面設定U ... 28 U 圖2- 24 資料處理流程圖(葉致翔，2003)U ... 29 U 圖2- 25 Java與資料庫連結示意圖(葉致翔，2003)U ... 31 U 圖2- 26 TDR伺服器與遠端電腦連接示意圖(葉致翔，2003)U ... 33 U 圖3- 1 TDR 資訊自動化監測流程U ... 37 U 圖3- 2 TDR資料擷取設備流程概況U ... 38 U 圖3- 3 硬體元件與連接介面U ... 41 U 圖3- 4 TDR資料擷取系統之嵌入式軟體架構U ... 42 U 圖3- 5 TDR人機互動操作程式規劃U ... 45 U 圖3- 6 TDR自動化監測程式規劃U ... 46 U 圖3- 7 Parameters的設定U ... 48 U 圖3- 8 Threshold的設定U ... 49 U 圖3- 9 Schedule的設定U ... 49 U 圖3- 10 Backup的設定U ... 50 U 圖4- 1 TDR感測器U ... 54 U 圖4- 2 溫度感測器U ... 54 U 圖4- 3 TDR多工器U ... 55 U 圖4- 4 時域反射儀U ... 55 U 圖4- 5 資料擷取模組U ... 55 U 圖4- 6 嵌入式單板U ... 56 U 圖4- 7 MOXA無線通訊模組U ... 56 U 圖4- 8 Micro Chinese無線通訊模組U ... 57 U
圖4- 9 (a) 12V 7.2Ah BatteryU U (b) 50W Solar Panel(c) AC Converter
x U 圖4- 10 一般顯示器U ... 58 U 圖4- 11 LED字幕機U ... 58 U 圖4- 12 TDR硬體系統整合的實體圖U ... 59 U 圖4- 13 虛擬儀控介面U ... 61 U 圖4- 14 原始程式碼U ... 61 U 圖4- 15 (a)VI圖像(b)Connector (c)VI的輸出入U ... 62 U 圖4- 16 TDR人機互動介面的量測波形功能U ... 67 U 圖4- 17 TDR人機互動介面的量測含砂濃度功能U ... 67 U 圖4- 18 TDR人機互動介面的量測導電度功能U ... 68 U 圖4- 19 TDR人機互動介面的量測水位功能U ... 68 U 圖4- 20 TDR自動化量測的Server介面U ... 70 U 圖4- 21 Server子介面的Station SettingU ... 71 U 圖4- 22 Server子介面的Download SettingU... 71 U 圖4- 23 TDR自動化量測的Remote介面U ... 73 U 圖4- 24 TDR Server的Acquisition Setting介面U ... 77 U 圖4- 25 TDR Remote的Acquisition Setting介面U ... 77 U
圖4- 26 Acquisition Setting子介面的Get Waveform_ParametersU ... 78
U
圖4- 27 Acquisition Setting子介面的Get Waveform_ScheduleU ... 78
U
圖4- 28 Acquisition Setting子介面的SSC_ParametersU ... 79
U
圖4- 29 Acquisition Setting子介面的SSC_Threshold & ScheduleU ... 80
U
圖4- 30 Acquisition Setting子介面的EC_ParametersU ... 80
U
圖4- 31 Acquisition Setting子介面的EC_Threshold & ScheduleU ... 81
U
圖4- 32 Acquisition Setting子介面的WaterLevel_ParametersU ... 81
U
圖4- 33 Acquisition Setting子介面的WaterLevel_Threshold & ScheduleU
xi
U
圖4- 34 Acquisition Setting子介面的DAQ_ParametersU ... 82
U
圖4- 35 Acquisition Setting子介面的DAQ_Threshold & ScheduleU ... 83
U
1
第一章、緒論
監測系統的設立在於防止工程災害的發生或是減少因災變所造 成的損失。監測技術則隨著感測器的改良而持續進步，結合自動化模 式與資訊系統更是在發展監測技術過程中必然的趨勢。 由於台灣氣候變化劇烈，加上台灣地形陡峭，建立監測系統的重 要性早已不可小覷，而一般監測系統所使用的電子感測器易受到防水 處理不妥與雷擊的影響，欠缺長期的可靠性。TDR 技術使用的被動 式感測器經濟且易於維護的優點提供了新的選擇，加上 TDR 儀器以 數位電子訊號的方式傳遞資料，此特性適用於遠端自動化，因此本研 究利用TDR 技術的優點和特性發展自動化監測系統。 近年來由於嵌入式技術應用廣泛，硬體裝置具有體積小、耗電量 低及運算能力強等優點，因此適用於野外監測系統。本研究結合TDR（Time Domain Reflectometry）技術與嵌入式系統，發展『包含 TDR 感測功能之自動化監測系統』。本文研究動機及目的分述如下。 1.1 研究動機 現有儀器需將主要感測元件埋在地層或水裡，電子感應器容易受 溫度、濕氣、雷擊等因素影響而產生故障，或在水裡受到土石或異物 撞擊而受損，因此耐久性不佳且維護困難，監測系統常需龐大的資本 方能維持長期的監測功能，因此實務上常見自動化監測系統安裝後不 久即功能受損，而終究導致荒廢。 為克服上述困難，時域反射法為新興的傳輸線式監測技術，TDR 監測主機置於地面或水面上，埋置於地下或水下的感測器為機械式的 傳輸線或導波器，具有耐久性、多功能、可多工化，地面上或水面上
2 之監測主機若有故障容易維修。 TDR 監測資料與一般電子式傳感器不同，所監測物理量反應在 波形上，而非瞬間之電壓或電流，因此必需透過特別的運算或波形識 別方能將反射波形轉換為監測物理量。現有的野外資料擷取系統用電 量少、穩定性高，但運算能力不佳，無法即時處理 TDR 反射訊號， 而必須將整個波形訊號回傳監控電腦，造成資料量過於龐大。 一般監測系統常常搭配套裝商用軟體提供使用者開發程式，使用 者在操作監測軟體時還必須懂得套裝軟體內的程式語言，以設定使用 者要的監測程序與監測功能，使得操作人員對監測軟體不易上手。本 研究之主要目的在於研發適用於處理 TDR 監測資料的野外資料擷取 系統，並考慮在操作上的便利性，開發人機互動的圖形化介面，以落 實TDR 監測系統的諸多優點。 1.2 研究目的 TDR 的監測技術是本研究發展自動化監測資訊系統的主體，由 於現有TDR 資料擷取系統運算能力不佳，無法即時處理 TDR 反射訊 號。本研究利用嵌入式系統取代舊有資料擷取系統，並藉由新式嵌入 式系統結合軟體介面能夠完成現場即時查詢與遠端資料查詢的目 標。本研究目的如下： (1) 各式感測器的整合(包含 TDR 監測儀器)： 依據監測目的的不同，可在系統中選擇所需要的感測器功 能。本研究希望整合 TDR 量測多頻道感測器及一般感測器，例 如溫度計，以能夠同時運作，並提供監測需求。 (2) 提供穩定性高，具有分析能力的資料擷取系統： 評估不同資料擷取系統的功能及特性，並決定適合監測現場
3 的資料擷取系統，以期能降低環境因素的影響並達到長期觀測使 用的目的。 (3) 建立遠端監測介面與即時查詢介面： 由現場監測資訊系統傳回的資訊配合網路科技，建構自動化 監測介面及即時查詢介面。只要使用電腦連接上網，就能即時查 詢現場分析的結果與儲存監測資訊以供長期分析。 1.3 研究流程 本研究流程如圖1- 1，主要架構概述如下: (1). 回顧 TDR 應用於監測技術的原理與目前已研發的 TDR 感測器， 以及既有資訊自動化系統。 (2). 探討現有資訊自動化系統無法即時分析與即時查詢的原因，並決 定可現地分析資料且可連接周邊儀器的新式資料擷取系統。 (3). 配合嵌入式系統，考量使用者操作便利，設計軟體操作介面以提 供現場即時查詢與遠端查詢的能力。 (4). 以新式資料擷取系統配合軟體介面應用在 TDR 自動化含砂濃度 量測上，並改善自動化量測程序。 (5). 綜合本研究成果與所建議 TDR 自動化監測資訊系統，使之更符 合實務應用需求。
4
研究方向
探討現有TDR自動化系統缺乏
即時分析與現場查詢的能力
Data logger 決定
設計軟體操作介面提供
現場查詢與遠端查詢
改善現有TDR自動化系統應用於
TDR量測含砂濃度及測試
結論
圖1- 1 研究流程圖5
第二章、文獻回顧
TDR 可以監測許多不同物理量，其應用範圍從地層的位移、錯 動變形、土壤之含水量與電阻率、到水中的含砂濃度與導電度、地下 水位、孔隙水壓及雨量等。TDR 最主要的特色在於傳輸線式的監測， 宛如人體的神經系統圖2- 1，其中傳輸線與導波器扮演類似神經的功 能，TDR 與資料擷取系統則扮演類似腦部的功能，接收回傳訊號並 進行辨識。TDR 感測器即為傳輸纜線，沒有其他電子元件，不易損 壞、成本低、維護容易，且由反射波形可檢測感測纜線之狀態，提供 自我診斷之功能。TDR 可透過多工器進行一機多點多功監測，可遠 端自動化，達到兼顧空間與時間解析度。TDR 監測主機置於地面或 水面上監測主機若有故障容易維修。 本章節將先於 2.1 節介紹一般電子傳感器監測技術，於 2.2 節說 明TDR 應用於監測技術的原理與目前已研發的 TDR 感測器，接下來 在2.3 節比較一般感測器與 TDR 感測器之優缺點，最後 2.4 節針對現 有TDR 的自動化監測系統做概述與 2.5 節討論其可改善加強之處。6 圖2- 1 TDR 監測系統與人體神經系統之類比 2- 1 一般電子傳感器監測技術 地工或水文監測在工程基本資料蒐集與安全預警中扮演非常重 要的角色，雖然電子傳感器、通訊系統及資訊系統等相關技術已相當 進步，但現階段地工或水文現地監測系統之可靠度仍備受質疑，主要 因素之一是電子傳感器容易受溫度、濕氣、雷擊等因素影響而產生故 障，使得監測預警系統之長期穩定性未臻理想。 電子傳感器將物理量轉換為電壓或電流之電子訊號，常見電子傳 感器所採用之感應器包括：電阻式應變計、電位式、電容式、壓電式、 差異轉換式及振弦式等(Dunnicliff 1993)。圖2- 2為電阻式應變計之感 應原理，利用惠氏頓電橋（Wheatston bridge）感應應變造成之電阻變 化量，以應變計為基礎，將量測物理量透過所設計之機制轉換為應變 變化，可設計製造不同的傳感器，例如荷重計、扭力計、水壓計、位
7 移計、加速度計等產品。圖2- 3為近年來地工監測廣為採用的振弦式 感應器，利用振弦振動頻率受到振弦長度之影響，以電子感應線圈感 應振弦振動頻率，進而感應振弦長度之變化。由於振弦長度受外界環 境變化影響，利用振弦感應器亦可設計製造不同的傳感器，例如荷重 計、水壓計、位移計等等。 水文參數觀測則常結合電子元件與光學元件或超音波元件，感測流 速、水位、含砂濃度等水文參數，例如用光學反射法量測濁度的光學 背散射濁度計及超音波含砂濃度計。光學背散射濁度計原理採用紅外 線或是可見光直接投射於水中進行量測，而部分光線會因懸浮顆粒而 反射。光學背散射濁度計透過數組光電二極管(photodiode)量測反射之 光線。接收之反射光線能量則用於計算泥砂含量多寡(如圖2- 4 所 示)。光學背散射濁度計需於量測前對於已知濃度之泥砂進行標定程 序。光學背散射濁度計提供一高時域與空間域之解析度，且光學背散 射濁度計模組已經大量商業化。透過遠端操控及資料傳輸，光學背散 射濁度計可輸出即時資料以提供相關參考使用。光學反射法量測結果 受到泥砂顆粒尺寸影響。在相同泥砂濃度但不同泥砂顆粒尺寸之狀況 下，其兩者泥砂濃度量測結果相差約十倍。而光學反射法於小泥砂顆 粒粒徑之量測具有較高之靈敏度；通常20 μm 至50μm 之泥砂顆粒尺 寸變化下，其量測值(V/(g/L))變化達70％，而200 μm至400 μm 之變 化時，其量測值變化為30％。一般光學反射法適用於均勻之泥砂顆粒 粒徑或是其粒徑維持在200-400 μm 範圍內(張育嘉，2006)。 超音波含砂濃度計主要原理採用一對音波探頭，以一探頭發射超 音波(Untrasonic)另一探頭接收其能量的方式進行量測，如圖 2- 5 所 示。藉由超音波之衰減量，估計泥水混和物之比重。但超音波含砂濃 度量測值易受泥砂顆粒粒徑影響，一般河川因來源泥砂粒徑變異性較
8
大，應用上需額外率定。
圖2- 2 電子感應器範例—電阻式應變計（Wheatstonbridge）
圖2- 3 電子感應器範例—振弦式應變計(Dunnicliff 1993) (
9 圖2- 4 電子感應器範例—光學背散射濁度計(D&A Instrument) 圖 2- 5 電子感應器範例—超音波含砂濃度計(Mobrey) 2.2 TDR 原理及 TDR 感測器 為發展先進且有效、經濟的監測系統，本研究將利用時域反射法 的監測技術，而且利用可同時量測水位、降雨量、沖刷、位移、錯動 變形及含砂濃度之整合型遠端自動監測資訊系統，讓多項監測技術可 同時在單一平台的監測資訊系統上運作。本節即介紹 TDR 基本原理
10 及目前已研發之各式TDR 監測感測器。 時域反射法是以電磁波為基礎之探測法，其基本原理與雷達相 同，雷達量測為三維的波傳問題，但 TDR 電磁波之傳遞僅侷限於傳 輸纜線（Transmission Line）中，為一維的波傳問題。圖2- 6 為TDR 儀器之簡圖，它包含階躍脈衝電壓產生器（Step Generator）、訊號採 樣器(Sampler) 與示波器 ( Oscilloscope)。脈衝產生器產生電壓脈衝傳 至同軸纜線，訊號採樣器擷取並透過示波器顯示由同軸纜線傳回之反 射訊號。同軸纜線由一組內、外導線所組成，外導線以封閉的方式包 圍內導線；感測器（Sensor） 為同軸纜線之延伸，使得電磁波能傳 入所要量測之材料或環境中。 圖2- 6 TDR 量測系統 TDR 傳輸線系統包括同軸纜線與感測器，電磁波在傳輸纜線中 傳遞由 Maxwell 方程式控制，因為傳輸電纜特殊電磁場結構，電磁 波在傳輸纜線中傳遞可以用導線電流與正、負導線電壓描述，因此 Maxwell 方程式可以簡化成電壓與電流波動方程式。波動方程式解答 為傳輸線系統兩個重要的控制參數，分別為特徵阻抗（Characteristic
11
Impedance, Zc）與傳遞常數（Propagation constant, γ）。特徵阻抗定
義為纜線電壓與電流比值，且為纜線幾何形狀與纜線介質電磁性質函 數，當纜線中因特徵阻抗相異而產生阻抗不連續面，電磁波會在阻抗 不連續面產生反射波與折射波。傳遞常數為纜線介質電磁性質函數， 控制電磁波在纜線中傳遞速度與衰減。 材料之基本電學性質包括介電度（Dielectric Permittivity,
ε
r） 與 導電度（Conductivity,σ
dc）。介電度為頻率之函數，可以表示為複數， 實部（ε
r'）表示材料儲存外部電場能量的能力，虛部（ε
r"）表示材料 阻尼效應能量消散特性。導電度代表材料衰減能量的能力。 基於上述材料基本電學性質，特徵阻抗可由傳輸線斷面幾何與介 電度決定，以同軸纜線為例，可表示為： ∗ ∗ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = r p r C Z a b Z ε ε ε μ π 1 2 ln 0 0 ... (2-1) 其中 a 為內導線外徑，b 為外導線內徑， * r ε 為等值介電度(complex dielectric permittivity)，ε
0相當於真空時的介電常數，μ
0 為真空之磁 導率（Magnetic permeability），Zp 為介質於真空時（ε
r = 1）之參考 特徵阻抗(Halliday and Resnick 1962)。TDR 典型反射訊號如圖 2- 7，當入射波 Vi於電纜中遇到阻抗不 連續面(Z0與 Zt交界)將產生反射與透射，反射波 Vr與入射波 Vi的關 係可表示為 i r V V = ρ ... (2-2) 其中ρ為反射係數，定義如下，用以描述反射行為 0 0 Z Z Z Z V V t t i r + − = = ρ ... (2-3)
12 圖2- 7 不同之阻抗不連續所產生之反射波形(Addrews 1994) 圖2- 7顯示電磁波經過阻抗Z0遇到不同阻抗Zt 時產生不同之反 射，若 Zt = Z0（即
ρ
= 0，沒有阻抗不連續面），則不會產生反射訊號， 當Zt > Z0時，ρ
> 0，可觀察到正反射方波，當 Zt < Z0時，ρ
< 0，可 觀察到負反射方波，TD 即為反射訊號所需來回走時(Addrews 1994； Dworak et al. 1977)。 傳輸纜線傳遞常數(propagation constant, γ)經由推導可表示為 β α ε π γ j c f j r = + = 2 * ... (2-4) 其中c 為光速， * rε 為等值介電度(complex dielectric permittivity)，j 為 1 − ，f 為頻率，而 α 與 β 分別為傳遞常數實部與虛部，其中實部 α 反應電磁波能量衰減，而虛部 β 為空間頻率，時間頻率（2πf）除以 空間頻率（β）可得波傳相位速度。 透過不同感測器之設計與分析方法，TDR 技術可應用在不同的 監測項目，依其分析原理可分為下列三項： (1) 界面型： 係利用 TDR 之反射訊號量測不同介質之界面位置，例如水位 之監測(空氣與水界面)（Dowding, et al. 1996）、土壤沖蝕監測(河 流與河床土壤之界面) （Yankielun and Zabilansky 1999）及位移
13
之監測（Lin and Tang 2005）。圖2- 8顯示水位監測之原理與範
例及圖2- 9 利用水位感測計所製作之雨量計，圖 2- 9(a)平行纜線 作為水位計，圖 2- 9(b)中空同軸纜線作為水位計或立管式水壓 計，圖2- 9(c)以TDR 水位計為基礎之雨量計。圖2- 10(a)顯示簡 易的沖刷感測器及圖 2- 10(b)顯示反射訊號隨沖刷深度之變化， 圖2- 11則顯示TDR 位移感測之原理與原型。 (2) 變形型： 以絕緣介質固定的同軸纜線為傳感器，當外在環境變形，如土 體錯動，造成預埋其內的同軸纜線斷面幾何改變而產生反射訊 號，分析該反射訊號可以定性甚至定量描述電纜如何變形 (Su 1987)。在固定量測環境條件下，反射訊號大小與外在環境變形存 在良好關係，因此若將纜線埋設於邊坡或結構體中，則可以監測
地層剪力位移或結構界面錯動（Dowding 1988; Dowding and
Pierce 1994; Lin et al. 2008），圖2- 12顯示以同軸纜線監測邊坡 之錯動變形。
(3) 介電分析型：
係將所欲研究之材料作為感測器內部介質，利用反射訊號特徵
分析材料電學性質，如圖 2- 13 所示。例如計算材料電磁波速及
相對應之視介電度(apparent dielectric constant)，進一步推估土壤
之含水量（Topp et al. 1980）；利用反射訊號之穩態值計算材料 之導電度（Lin et al.2007)。若進一步採用反射訊號頻譜分析技術， 則可量測不同頻率之電學性質，可藉以探討土壤與孔隙水之交互 作用(Lin2003a; Lin 2003b)。除了在土壤之相關監測，透過導波器 與訊號分析方法適當的調整，可以應用在含砂濃度的量測(林志平 與鍾志忠2007; 2008)，如圖2- 14所示。
14
圖2- 8 TDR 水位感測原理(楊培熙，2003)
(a)
(b)
(c)
圖 2- 9 (a)平行纜線(b)水位計(c)以 TDR 水位計為基礎之雨量計
15
(a)
(b)
圖2- 10 (a)沖刷感測器及其(b)反射訊號隨沖刷深度之變化(楊培熙，
16
圖2- 11 TDR 位移感測原理及其反射波形隨位移之變化
（Lin and Tang 2005） (
17
18
圖2- 13 利用 TDR 反射波形之走時量測材料介電度及反射訊號穩態
值量測導電度之方法(Lin2003a; Lin 2003b)
圖2- 14 TDR 含砂濃度感測器、波形隨含砂濃度之變化及波形走時
19 2.3 TDR 感測器與一般感測器比較 近年來在一般監測儀器的使用方面，其可靠性及精確性已有相當 程度的改進，但除了較大型的土工監測工程外，監測儀器於其他較小 型工程的應用並不十分普遍，其原因不外乎成本與穩定性等因素考 量，以下將 TDR 感測器與一般感測器的比較及優劣做分類敘述，表 2- 1包含上孔式與下孔式儀器的比較。 2.3.1 一般感測器的優缺點 一般感測器本身即為電子傳感器，需將主要感測元件埋在地層或 水裡，故稱為下孔式(Down-hole)的監測設備。在地層的電子感測器容 易受溫度、濕氣、雷擊等因素影響而產生故障，或在水裡受到土石或 異物撞擊而受損，因此耐久性不佳且維護困難，另外下孔式監測設備 裝設時費時費力，且故障產生後維修不易。監測系統常需龐大的資本 方能維持長期的監測功能，因此實務上常見自動化監測系統安裝後不 久即功能受損，而終究導致荒廢。其優點為一般電子式感測器有良好 的精確性，且在工程監測使用上歷史悠久。 2.3.2 TDR 感測器的優缺點 TDR 感測器即為傳輸纜線的一部分，因感測器內部沒有電子零 件，唯一的電子設備設置於地表上，所以 TDR 感測器為上孔式 (Up-hole)監測設備，上孔式的監測設備是指所有的埋於地表下的設備 或感測器沒有任何電子裝置，因此 TDR 感測器故障率低，穩定性及 耐久性相對較好，且裝設相對容易，維修方便。其缺點為 TDR 反射 訊號會因傳輸纜線的型式及距離長短的因素而有衰減的現象。
20 表2- 1 儀器架設方法比較 名稱 架設方法 優缺點 感測器 下孔式 將主要電子設備 埋在地層或水裡 優:一般電子式感測器有良好的精 確性 缺:在地層或水裡的電子感測 器容易受溫度、濕氣、雷擊等 因素影響而產生故障 電子式水壓計圖2- 15、 地表伸縮儀圖2- 16、 孔內傾斜儀圖2- 17 上孔式 將主要電子設備 設置於地表上 優:電子儀器皆於地表上，所 以故障率低，穩定性及耐久性 相對較好 缺:TDR反射訊號會因傳輸纜線的 型式及距離長短的因素而有衰減 TDR感測器
21
圖2- 16 伸縮儀(Wilson and Mikkelsen 1978)
圖2- 17 孔內傾斜儀構造和配置圖(Green and Mikkelsen, 1988)
2.4 現有 TDR 自動化監測系統架構
在業界普遍是使用資料擷取器做為前端監測資料收集的儀器，但
22 慮多工、多孔、遠端傳輸的特點下，亦選用可接收 TDR 訊號的資料 擷取器做為系統前端的資料收集器。本研究使用美國 CAMPBELL SCIENTIFIC(以下簡稱 CS) 公司生產的儀器作為主要資料擷取的設 備，如 TDR100、SDMX50 及電源供應器為 TDR 主機設備等，如圖 2- 18。結合 TDR100、SDMX50、電源供應器及 TDR probe 整合為 TDR 自動化監測系統，圖2- 19為戶外安裝的TDR 系統。 圖2- 18 TDR 自動化監測系統（CAMPBELL SCIENTIFIC） 圖2- 19 野外 TDR 自動化監測系統 葉致翔(2003)利用 CS 公司的 TDR 擷取系統建立 TDR 邊坡資訊 自動化監測系統，該系統主要是利用 TDR 輸出訊號數位化的特性，
23 透過無線傳輸及網際網路的通道，可自動化完成監測過程的完整系 統。圖2- 20為此系統完整的監測流程圖。 葉致翔（2003）將 TDR 自動化監測系統主要分為下列三大部分， (1)現場監測系統的配置與資料擷取，(2)監測資料的處理與儲存，(3) 資訊網路服務。以下小節分別敘述各部分。 監測感測器裝設 TDR 感測器 TDR 資料 擷取器 監測資料擷取 數據機 TDR監控 伺服器 產生電磁脈衝 遠端資料傳輸 Java程式資 料處理 原始資料 的收集 網頁 伺服器 遠端 電腦 原始資料 分類計算與備份 提供監測結果 儲存與搜尋 Internet 使用者登入及監測資訊查詢 顯示及列印監測結果 監測資料擷 取 資料處 理與儲存 網路資訊服務 資料庫 圖2- 20 TDR 資訊自動化監測流程(葉致翔，2003) 2.4.1 現場監測系統配置與資料擷取 TDR 監測感測器目前已研發或研發中的感測器有 TDR 水位(水 壓)計、TDR 雨量計、TDR 水平變位計、TDR 變形感測計等(楊培熙，
2003；林文欽，2007；Lin and Tang，2003)，無論在邊坡地下水位監
測、雨量監測、地表位移監測或地層滑動面的監測等，各 TDR 監測
24 需依據地質條件及幾何特性裝設，其重點步驟如下： (1). 現場初步的工址調查： 工址調查的目的在於決定設置監測儀器的可行性，同時考慮 現場交通及儀器設備的運輸等。另外調查現地的地形、地質及土 質概要，必要時可做部分的現場試驗或取樣做室內試驗，做為裝 設感測器施工的依據。 (2). 評估裝設 TDR 感測器的型式及數量： 依不同的監測需求設置不同功能的感測器，在設計鑽孔位置 及數量同時，亦須考量成本及施工難易度。另外考慮的因素包括 地層滑動面及地下水位面的推估、地質構造概況、以及邊坡破壞 模式等。 (3). 現場延長纜線和資料擷取儀器的配置： 所有的TDR 感測器都需要透過延長纜線(Lead Cable)與 TDR 連接，而延長纜線的長短會影響 TDR 反射訊號的衰減程度；原 則上需較高訊號解析度的感測器，其延長纜線越短越好，建議所 有 TDR 感測器的延長纜線不超過 1 公里。資料擷取器的設置除 考慮延長纜線的長短外，另外也考慮電源供應、防水裝置、避雷 設施等。 以 CS 公司的 TDR 擷取系統為例，現場所有資料擷取儀器都要 由專屬軟體設定儀器參數後，再載入資料擷取器後始可運作。現地資 料擷取設備流程概況如圖2- 21所示。自傳輸纜線(Lead Cable)連接多 工器(Multiplexer)開始，至監測資料由無線方式傳回到監測站為止， 都屬於前端資料擷取的部分，圖2- 22為資料擷取設備的實體圖片， 各儀器元件的功能詳述如下： (1). 多工器(Multiplexer)：
25 在TDR 感測器裝設完畢後，傳輸纜線即可連接多工器，而多 工器主要的功能在於擴充同時監測的感測器數量。多工器型號為 CS SDMX50，其一片多工器可同時連接 8 條傳輸纜線，亦可多片 串接，至多可連接512 條傳輸纜線。在多工器硬體的設定方面， 其內部有兩組跨接介面(Jumper)，分別為 MSD 及 LSD，依據多工 器的位置及數量而有不同的設定，詳細對應設定見附錄一。
(2). 時域反射儀(Time Domain Reflectometer)：
TDR 為一脈衝電壓產生器，產生之脈衝電壓傳至同軸電纜 線，由訊號採樣器擷取反射訊號可顯示 TDR 波形，借由波形的 判 斷 可 得 知 監 測 的 變 化 值 。 目 前 常 採 用 TDR 型 號 為 CS TDR100，其主要規格如後：輸出脈衝電壓為 250mV、50Ω，採 樣點數為20 至 2048 點，採樣範圍為-2 至 2100 公尺(波傳速度比 值Vp =1)，解析度 6.1 picoseconds，耐溫範圍為-20℃至 50℃。在 TDR 裝設方面，需與多工器和資料擷取器同時外接 12V 電壓， 也需同時串接傳輸線，以提供訊號資料傳輸的管道；另有RS232 接孔，可外接電腦透過控制軟體PCTDR 直接操作 TDR100。 在資料擷取器運作之前，需設定 TDR 波形的參數。其參數 有 Vp( 波 傳 速 度 比 值 ) 、 Points( 單 位 視 窗 取 樣 點 數 ) 、 Cable Length(X1，傳輸纜線長度)和 Window Length(ΔX ，採樣視窗長 度)。而X1、ΔX 此二參數要由CS TDR100 的專用控制軟體 PCTDR 來求得。各參數進階說明如下所述： (a) Vp：此數值為電磁波在已知介質與在空氣的傳遞速度之比值。 波傳速度與介質的介電常數有關，較大介電常數的介質其波傳 速度較慢，則Vp 也較小，反之 Vp 較大。 (b) Points：單位視窗取樣的點數。取樣點數越多，解析度就高。
26 TDR100 所支援的最高點數為 2048 點。 (c) Cable Length(X1)：通常是指在預設 Vp 為 1 時，連接 TDR 與 TDR 感測器之間的纜線長度。因為此段的 TDR 反射訊號並非 重要的監測資訊，故經常忽略不予記錄。 (d) Window Length(ΔX)：採樣視窗長度。以 Vp 為 1 時做基準，視 窗的起點通常為接頭(延長纜線與感測器的交界點)，終點為 TDR 訊號產生終點反射處。而採樣視窗長度越短，解析度也就 越高，但其總長必須包含感測器所有的影響範圍。 (3). 資料擷取器(Datalogger)： 資料擷取器為一小型的電腦，可透過內附的程式軟體進行操 控，依據擷取資料形態的不同，套用不同的參數執行程式，其目 的在於以自動化的方式，透過時間排程的設定，將監測的原始資 料 收 集 儲 存 。 目 前 常 使 用 的 資 料 擷 取 器 為 CS CR1000。CS CR1000 需要使用 PC200W 軟體來操控所有資料擷取的流程。無 論是監測資料擷取的時間排程，或是監測值輸出格式的制定，都 須經由PC200W 內的程式介面來設定，PC200W 的程式介面如圖 2- 23所示。 (4). 電源供應器(Power Supply)： 現場資料擷取設備均使用12V 直流電源。使用 12V 蓄電池， 而蓄電池可接 110V 交流電蓄電，在野外無電源時可外接太陽能 電板獨立供電。為維持資料擷取器及其它現場資料擷取設備之正 常運作，可接受9.6V~16V 電源電壓。 (5). 資料儲存器(Storage)： 資料儲存器即為資料擷取器之內建暫存記憶體，使常駐程式 可定期將所擷取的監測資料儲存於硬碟中。資料儲存器CS 1000
27 有2MB 空間容量，可額外擴充 4MB 記憶體或 2GB 的 CF 卡 (6). 傳輸系統： 除了採取網路線TCP/IP 的傳輸外，自動化資料擷取系統傳輸 方式，採取 GPRS 無線傳輸與 GSM 簡訊模組。其功能主要利用 手機SIM 卡之傳輸功能，配合 GPRS 模組和 GSM 模組連接現有 資料擷取器之RS232 界面，GPRS 透過無線傳輸將資料擷取器或 資料儲存器內資料傳送至伺服器端。GSM 則可以傳送預警訊息或 是監測數值到個人手機上。 水位/水壓 計 水平變位計 變形感測計 雨量計 電子水壓計 傾鈄儀 其他 多 工 器 TD R 先進 量測感測器 傳統 量測感測器 含水量感測 器 時 域 反 射 儀 數 位 資 料 擷 取 器 蓄電池 (12V) 太陽能電 板 硬 碟 數據機 筆記型電腦 SIM卡 無線傳輸 圖2- 21 TDR 資料擷取設備流程概況(葉致翔，2003)
28
圖2- 22 資料擷取設備的實體圖(葉致翔，2003)
29 2.4.2 監測資料的處理與儲存 設在遠端辦公室的監測站接收自現場傳回的 TDR 原始監測資料 後，隨即在 TDR 伺服器進行資料的分類及計算，當資料分類的排程 開始運作後，立即分二部分進行資料處理，一是資料的分類與備份， 另一是資料的計算。資料處理過程可使用各式程式撰寫完成，配合伺 服器時間排程(Clock)設定自動化的進行資料處理。原始的監測資料在 分類計算程式處理後，留下部分的檔頭及計算的結果，再經由資料庫 程式將這些資訊置入資料庫對應的位置以供搜尋。 葉致翔（2003)利用 JAVA 程式語言跨平台之特性，撰寫監測資料 處理與對應資料庫傳輸介面，將有用的資訊置入資料庫內，配合後續 網頁資訊功能，提供立即資料查詢功能，其資料處理流程如圖 2- 24 所示。 原始 資料 無線傳輸 TDR 資料庫 Java 程式 水 位 變 形 雨 量 水 平 其 它 Table 水位 Table 變形 Table 雨量 Table 水平 Table 其它 分類備分程序 計算程序 Text File Text File 圖 2- 24 資料處理流程圖(葉致翔，2003)
30 2.4.3 資訊網路服務 主要是將整個自動化監測的架構延伸至網際網路的領域，利用網 路的特性提升自動化監測技術的層次。資訊網路服務主要以架設電腦 伺服器提供網頁登入服務、電子郵件發信服務、及資料庫搜尋服務 等。以下將針對各種網路伺服器的架設、網頁與伺服器資料庫的連 結、以及網際網路架構概況做介紹；另外對於如何透過網路發送預警 訊息的方法，也有完整的說明。 (1). TDR 伺服器 TDR 伺服器(TDR Server)是整個監測系統的主控中樞，所有 的資料處理、儲存、及查詢都在這裏進行。電腦伺服器內部裝設 四種相關的伺服軟體，如下所述： 1. 網頁伺服器(Web Server)：提供遠端電腦登入使用，為遠端使用 者與伺服器溝通的介面。葉致翔（2003）採用MS Windows 2000 Server 內的網路伺服工具 IIS (Internet Information Server)架設 網站；啟動『Web 站台』，設定對應 IP (Internet Protocol)位址， 網頁伺服器即可運作。
2. 資料庫伺服器(Database Server)：提供所有監測資訊的查詢。常 使用資料庫軟體如MS Windows SQL2000 及 MySQL。
3. 應用程式伺服器(Application Server)：以葉致翔（2003）為例，
要執行Java 程式必須要在伺服器內裝設 Java 虛擬機器(JVM，
Java Virtual Machine)，這是決定 Java 程式是否能跨平台主要的 關鍵。而要開發Java 程式須裝設 J2SE (Java2 Platform, Standard Edition)的開發元件。只要 JVM 及 J2SE 裝設完成，則應用程式
伺服器即可編譯及執行Java 程式。
31
Windows 2000 內的網路伺服工具 IIS；啟動『SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 郵件服務』，設定對應的 IP 位址及網域即可 運作。所架設的郵件伺服器只可寄出電子郵件，但無法接收。 (2). 網頁與資料庫的連結
若以Java 撰寫的程式若要與資料庫溝通，需透過一組 Java 內
建的函式庫 JDBC (Java Database Connection)再配合資料庫連線
的驅動程式才能完成連結。目前JDBC 根據資料庫連接的方式， 將驅動程式分成四種類型，Type1、Type2、Type3 及 Type4。葉致 翔（2003）所建置之系統在資料處理的程式內是使用Type1 與資 料庫溝通，而在遠端網頁監控程式是使用Type3 的方式做連接， 這兩種型式的連結流程圖如圖2- 25所示。 Java Application TDR DataBase ODBC JDBC JDBC Type 3 Java Applet Middleware Server Type 1 圖2- 25 Java 與資料庫連結示意圖(葉致翔，2003)
Type1 的驅動程式是透過 ODBC(Open Database Connectivity) 的連接來與資料庫溝通(JDBC-ODBC Bridge)，就是 JDBC 會將 SQL 指令通知 ODBC，由 ODBC 來負責與資料庫交流，其優點是
32
此種驅動程式已內建於 JDBC 中，缺點是執行效能較差。Type3
驅動程式的使用時機，是Java Applet 的程式在網頁上需要與資料
庫連結時使用，而這是溝通Java Applet 與資料庫最佳的方法。由
於Java Applet 擁有非常嚴謹的安全機制，所以只有透過中間伺服
器(Middleware Server)的連接，才能繞過 Applet 的安全限制進入 資料庫搜尋資料，其優點是網路安全性足夠，缺點是多數資料庫 廠商不提供Tpye3 的驅動程式，而是要向第三協力廠商購買。 (3). 系統安全認證與網際網路架構 為避免非管理者隨意登入(Login)監控程式的網頁，故設計在 所有的使用者進入前必須通過身份的確認，檢查是否有足夠的使 用權限，以提高系統的安全性。網頁的認證方法與 TDR 伺服器 內MS Windows 2000 Server 作業系統相整合，就是若要利用網路 方式登入監控程式的網頁，必須先取得作業系統的權限才允許使 用。辨別使用者身份的方法是用輸入使用者帳號、密碼，再經作 業系統確認後即可登入。 在網路架構的部分，TDR 伺服器連接上網後即展開網路伺服 服務，而在獨立網域裡，與系統相關的伺服服務都可分散安裝在 其它的電腦伺服器中，而此網域內各分散的伺服器籍由區域網路 的方式彼此串聯，再由網域控制站( Domain Controller)統一控 管。。圖2- 26為葉致翔（2003）所建置之TDR 伺服器與遠端個 人電腦使用網際網路的連接示意圖。
33
Internet
WebSite http://geotdr.cv.nctu.edu.tw/automatic/ Web Server Database Server Mail Server Application Server Client Computer TDR Server 圖 2- 26 TDR 伺服器與遠端電腦連接示意圖(葉致翔，2003) (4). 資訊預警方法 使用外部程式透過網路通道可即時預警任務，使用的方式有 寄送電子郵件及發送手機簡訊兩種方法。利用電子郵件預警須透 過郵件伺服器來寄發電子郵件，而執行此工作的程式寫在資料處 理的預警程式裏，當現場的監測結果超出警戒值時，預警程式立 即呼叫並執行，同時連接預設的郵件伺服器完成寄發電子郵件的 動作。 當異常的監測值具急迫性且需要立即處理時，可使用手機簡 訊的方式通知並警告管理者。發送手機簡訊的工作也是由資料處 理的預警程式負責，同時要向民間電信業者申請手機簡訊發送的 服務，取得簡訊伺服器IP 位址、Port，以及帳號、密碼等完整資 訊才可使用。當現場監測值結果超出警戒值時，預警程式會連接 電信業者的簡訊伺服器，即可完成發送簡訊的工作。34 2.5 既有 TDR 自動化監測系統問題 由上述文獻回顧可以知道現有的 TDR 自動化監測系統應用於現 地時，必須透過資料擷取器以及專屬軟體來操控所有資料擷取的流 程。資料擷取器專屬軟體雖然可以依據不同的參數自動化執行程式， 但是受限於資料擷取器本身計算功能，只能做原始資料傳輸的動作， 無法在現地進行複雜的資料處理及分析運算的工作，必須仰賴後端處 理原始資料。TDR 原始監測資料量龐大，單一筆資料大約為 20KB， 一次量測十筆資料為200KB。倘若多個感測器同時量測或是量測頻率 密集，勢必拖延傳輸時間與降低資訊傳輸的效率。 由於舊式的資料擷取系統必須仰賴遠端伺服器進行資料的分類 及計算，進而轉成有用的資訊。本身並不具有分析 TDR 原始監測資 料的運算能力，所以考慮在硬體部分採用新式資料擷取系統，企圖利 用新式資料擷取系統的運算能力，使 TDR 原始監測資料可以在現場 立即轉換成監測資訊，傳輸監測資訊取代大量原始資料以提升分析監 測資料的速度。另外既有的 TDR 自動化處理除資料擷取器端的程式 控制外，後端伺服器需建置資料分析計算程式，分別各自進行自動化 擷取與運算分析的動作，容易造成使用者在設定與操作上的不便。由 於新式資料擷取器涵蓋運算分析的能力，在此考量軟體部分可以整合 自動化擷取與運算分析的設定，並以單一程式同時執行自動擷取、運 算分析和遠端傳輸的工作，同時建立圖形化介面供使用者簡易的操作 與設定，促使 TDR 監測系統在軟硬體改良之後，能夠提供監測功能 與資訊便利的效果，以落實TDR 監測系統的諸多優點。
35
第三章、研究方法
現有的資料擷取系統具有用電量少、穩定性高的優點，但是在硬 體方面運算能力不佳，無法即時處理 TDR 反射訊號，將原始資料回 傳伺服器端會降低分析監測資料的速率。軟體方面缺乏資訊整合系 統，現地的擷取軟體只能回傳與備份資料，分析與運算工作則集中在 後端的伺服器之運算程式，對於 TDR 的擷取參數與監測功能參數必 須分開設定，增加使用者對TDR 監測系統設定上的複雜度。 本研究之目的在於克服現地系統運算能力不足的地方，直接於現 地分析處理原始 TDR 波形資料，除解決傳輸資料速率不足的缺點， 並建立穩地性高和相容一般監測的資訊系統。就監測流程而言，3.1 節將說明改善硬體運算能力不但可以加速資訊分析的速度，還能同時 提供監測結果給現地人員與伺服器端，分析後的結果若高於安全值， 可進一步傳送預警訊息給相關單位，提早作應變措施。3.2 節考量到 市面上有哪些合適的新式資料擷取系統可供選擇，除要具備足夠的硬 體運算能力，還必須考慮到野外地質條件、與 TDR 擷取設備的相容 性和增加一般監測儀器的彈性等影響因子。3.3 節利用了 TDR 多功能 與多頻道的特性，根據現地自動化程式與伺服端程式的需求，規畫兩 個程式所需具的功能與一套完整的 TDR 參數設定流程，提升使用者 在操作和設定上的便利。 3.1 TDR 自動化監測流程改善 為了即時傳達 TDR 自動化監測資訊，必須改善運算能力不足的 因素。由於一般資料擷取器本身並不具有分析 TDR 原始監測資料的 能力，必須仰賴遠端伺服器進行資料的分類及計算，進而轉成有用的36 資訊，因此必須對現有TDR 自動化監測流程做改善，使得 TDR 原始 監測資料可以在現場立即被轉換成監測資訊，如圖 3- 1，不僅可提升 遠端傳輸資訊的速率，也建立人機互動操作介面可供現場人員立即得 知監測結果，促使 TDR 自動化資訊監測系統更趨於完善。其重點步 驟如下： (1). 資料探測 資料探測的目的在於利用感測器取得現場量測的物理量，必 須同時考慮現場設置感測器的必要性與可行性。TDR 監測感測器 目前已研發或研發中的感測器有 TDR 含砂濃度感測計、TDR 水 位計、TDR 雨量計、TDR 變形感測計等，可應用在水質含砂濃 度、水位監測、雨量監測、地表位移監測、或地層滑動面的監測 等。各 TDR 監測感測器可與一般感測器相互配合並構成一完整 的監測系統。 (2). 資料擷取與分析 資料擷取與分析的部分必須仰賴監測儀器與感測器。依不同 的監測需求設置不同功能的感測器，其監測儀器所執行的功能和 分析模組也跟著改變。因此監測儀器必須相容 TDR 感測器與一 般感測器，並且可依不同的監測需求執行不同功能。而監測系統 的基本功能包括連接週邊儀器與感測器、資料擷取、資料備份、 分析結果和遠端傳輸。 (3). 資訊傳輸結果 主要是提供遠端使用者現場分析後的資訊，提升TDR 監測資 料之資訊效率。並提供遠端功能設立預警機制，可在現地監測系 統內設定好門檻值。當監測系統量測值超過門檻值時，便會啟動 預警系統通知相關單位，達到即時預警的功效。
37 圖3- 1 TDR 資訊自動化監測流程 3.2 硬體架構與設計 由 TDR 的自動化監測流程改善可知 TDR 資料擷取儀器在 TDR 監測系統中扮演極為重要的角色，該系統必須能夠在現地進行資料蒐 集、分析與傳輸，提昇TDR 監測資料之資訊效率，且硬體上必須具 備現地低耗電與堅固耐用之特性。另外資料擷取儀器置於現地除負責 資料探測控制、監測資料擷取、分析、備份與傳輸，必須兼具一般傳 感器的相容性，以維持監測系統之應用彈性。對應之韌體與軟體必須 考慮使用便利性。包括遠端使用者界面與預警系統。 為使新式 TDR 資料擷取系統包含上述的功能，必須針對資料擷
38 取設備中進行替換。圖3- 2為既有野外資料擷取設備流程圖，主要替 換的部分在資料擷取儀器替換成具有分析能力的 TDR 資料擷取控制 器。 圖3- 2 TDR 資料擷取設備流程概況 3.2.1 嵌入式系統選擇與考量 TDR 資料擷取控制器主要目的在於控制 TDR 傳感器與一般電子 式傳感器之探測，並能提供資料擷取與處理分析，以及結合傳輸模組 之資料傳輸。控制器為資料擷取系統的中控中心，可作為 TDR 自動 化資料擷取儀器的硬體種類如表3- 1，目前現地資料擷取系統主要採 用 CS 公司的 CR1000，具有低耗電量與高穩定性，但即時運算能力
不佳；FPGA（Field Programmable Gate Array）則兼具低耗電量、高 穩定性與運算能力強等優點，但價格昂貴。工業電腦和嵌入式系統有 可程式化、運算能力強和穩定性高的優點，但工業電腦耗電量高，不
39 適合野外之資料擷取控制器，如表3- 2所示。因此本研究將考慮嵌入 式系統，具有體積小、低價位、低耗電量、足夠的穩定性與運算能力， 相較於工業電腦，雖然嵌入式系統其周邊不易擴充，但控制器產品有 眾多種類，可選擇最適合連接周邊儀器的介面，因此不至於造成問題。 表3- 1 自動化資料擷取儀器種類 表3- 2 工業電腦與嵌入式系統比較表
40 3.2.2 周邊擷取系統整合 在設計硬體架構時，必須考慮監測流程中包含資料擷取、分析運 算和遠端傳輸…等不同的功能去選擇相對應的產品元件，以確保硬體 系統內的資料傳輸正確。整個硬體系統元件可概括分為七個部分，分 別是 1. 感測器，2. 多工器，3. 時域反射儀，4. 資料擷取模組(Data Acquisition Module，之後簡稱為 DAQ)，5. 嵌入式系統(Embedded system)，6. 通訊系統和 7. 電源供應系統。
嵌入式系統硬體架構與設計元件如圖3- 3。除了要考慮擷取系統
各個元件之外，還必須針對嵌入式系統與其他元件的連接介面，由於 市面上的嵌入式系統種類眾多，嵌入式系統要有足夠且具擴充性的連
接介面與其他元件溝通，從 TDR100 的 RS232 介面，或是一般鍵盤
滑鼠常用的USB(Universal Serial Bus)介。以下為對於嵌入式系統與其 他元件連接介面的需求: (1). TDR 儀器連接介面，在此是以 RS232 與 TDR 儀器溝通，TDR 儀 器未來有可能改為 USB 介面，因此保留一個 RS232 介面和一個 USB 介面，TDR 儀器與 TDR 多工器之間以訊號線連接，TDR 感 測器則是用BNC 接頭連接到 TDR 儀器或 TDR 多工器。 (2). DAQ 連接介面，由於 DAQ 型式種類繁多，考量大部分的介面為 RS232，RS485 或 USB 介面，因此預留嵌入式系統的 RS232，RS485 和 USB 介面各一個。DAQ 接其他感測器的介面則視感測器的種 類或型式來決定合適的DAQ。 (3). GPRS 連接介面，目前大多數的 GPRS 都是用 RS232 介面，因此 保留RS232 的介面一個。 (4). 數位訊號輸出入頻道，考慮要透過繼電器控制其他儀器的電源開 關，或是TDR 多工器，因此要保留 5 個數位訊號輸出入的頻道。
41 規畫好硬體元件及必要的連接介面後，即可對硬體考量的需求整 合硬體元件，選擇適合的TDR 監測系統儀器及元件，並實現 TDR 自 動化監測系統。 圖3- 3 硬體元件與連接介面 3.3 人性化操作介面之規劃 隨著機電整合及資訊應用等圖型化介面的需求日益增加，使得人 機介面在軟體開發與規劃上的設計更顯得重要，為了使一般使用者能 夠更直觀且易於使用 TDR 監測軟體，本章節主要以使用者角度來設 計監測軟體的架構，增加使用軟體的親和力及便利性。 使用者與嵌入式硬體彼此之間無法直接溝通，必須利用軟體做為 溝通橋樑以發揮嵌入式系統的功能， TDR 資料擷取系統之嵌入式軟
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體架構構想如圖3- 4 所示，透過嵌入式系統的軟體控制硬體，同時提
供使用者簡易的操作介面，目前市面上常見的嵌入式作業系統有 Windows XP Embedded、Windows Embedded CE、嵌入式 Linux、BSD Unix 等，而常用於開發圖形化介面應用程式的程式語言有 Visual Studio. Net 和 Lab VIEW，由於嵌入式作業系統和可開發的程式語言 種類繁多，因此選擇對開發者和使用者有利的軟體可以加速軟體開發 和提供操作上的便利性。 TDR 監測軟體的程式主要分為兩大部分，1.人機互動量測與標定 參數，2. 自動化量測。人機互動量測與標定參數的需求為依照環境 條件與量測功能標定參數，並利用標定後的參數執行量測。而自動化 量測的需求為依照標定後的參數與設定讓監測系統自動量測。以下第 一節描述TDR 人機互動執行量測功能的程式規畫，第二節說明 TDR 自動執行監測功能的程式規畫。 圖3- 4 TDR 資料擷取系統之嵌入式軟體架構
43 3.3.1 TDR 人機互動介面操作程式規畫 本節主要說明根據現場操作 TDR 儀器與執行監測功能的需求來 建立軟體介面的架構，圖3- 5 規畫TDR 人機互動操作程式對應之需 求，整個軟體介面由一個主要的圖型化使用者介面 GUI(Graphical User Interface)執行軟體功能，使用者可在現場直接操作圖型化介面去 控制TDR 監測系統。包含有下列功能： (1). 控制 TDR 擷取波形 (2). 控制多工器選取頻道 (3). 由擷取到的波形標定參數 (4). 依標定後的參數執行量測功能 (5). 備份與讀取量測資料 3.3.2 TDR 自動化監測程式規劃 本研究主要根據 TDR 自動化監測系統的需求來規劃軟體介面， 自動化程式與人機互動程式最大的不同在於自動化程式會持續地自 動量測。在程式開始執行時，會先讀入設定檔，並依照設定檔的內容 去執行自動量測程序。另一項需求是考慮到現地情況有變時，或是設 定檔的參數內容有誤時，自動化系統保留可變更的彈性，允許使用者 可以遠端去改變自動化系統，所以必須獨立出一個程式去控制遠端系 統。 基於上述需求，自動化監測程式必須規畫兩個程式，一個是可以 控制遠端系統的程式，稱為Server，另一個是自動執行量測與分析的
44 使用者可以透過Server GUI 控制遠端系統，包含有下列功能： (1). 設定頻道與監測功能參數 (2). 上傳參數控制遠端系統 (3). 設定傳輸 COM Port 或 IP (4). 下載監測資料 (5). 控制遠端重開機與對時 Remote GUI 的目的是依照設定檔的內容自動執行監測程序，包含有 下列功能： (1). 設定頻道與監測功能參數 (2). 自動執行監測與分析能力 (3). 現場即時顯示監測結果 (4). 回傳監測資料 (5). 備份監測資料
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46 圖3- 6 TDR 自動化監測程式規劃 在圖3- 5和圖3- 6的規畫功能中可以看出 Server 程式和 Remote 程式都包括設定頻道與監測功能參數這一項。由於自動化監測功能的 設定十分繁雜，因此把設定功能的操作放大為一個圖型化介面，並加 入在Server 程式和 Remote 程式中，設定介面包含序列式的設定和模 組化的程序，方便使用者作簡單的設定即可設定自動化監測流程。設 定功能的規劃如圖3- 7到圖 3- 10。以下分別說明4 個主要序列式的 設定與其對應的模組： (1). Parameters 設定： 當嵌入式系統的連接介面連接到 TDR 儀器和資料擷取模組 DAQ，即可設定 TDR 儀器的頻道和資料擷取模組的頻道，如圖 3- 7。之後對所選取的頻道設定監測功能，單一頻道可以同時選 取不同監測功能，在執行量測時，會依照頻道與量測功能的順序 先後量測。必須先設定好連接介面與頻道功能之後才能執行自動 量測與分析模組。而DAQ 的設定也與 TDR 的設定一致，要先確 定連接介面之後，在選取所要的頻道與功能，DAQ 的功能為量測 到電壓經由使用者自訂的公式轉換為結果。 (2). Threshold 設定： 圖3- 8的設定量測物理量的門檻值，當超過門檻值時就啟動 預警系統。譬如說當監測含砂濃度時，含砂濃度的分析結果超過 門檻濃度時就傳遞簡訊給管理者，提醒管理者在某個地點的量測 到的含砂濃度超過門檻值，讓管理者做即時應變處理。 (3). Schedule 設定： 圖3- 9的設定執行每個頻道自動量測的程序流程。譬如說正
47 常狀態下每個小時量測一次含砂濃度，當含砂濃度超過門檻值就 開始每十分鐘量測一次含砂濃度。 (4). Backup 設定： 圖3- 10的設定備份文件的格式，備份資料可以提供日後資料 的分析或是參考。備份文件的內容主要以文字檔儲存，方便使用 者由文字檔得知監測資訊。
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圖3- 8 Threshold 的設定
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第四章、軟硬體設計成果
本章根據前一章軟硬體設計上的規劃來實現軟硬體整合後的成 果，整合後的 TDR 擷取系統包含有分析與資訊整合能力，系統主要 是由兩大部分組成，一是硬體，另一是軟體。硬體主要由 TDR 擷取 設備及其他相關元件組成，包含有感測器、多工器、TDR 儀器與 DAQ、嵌入式系統、遠端傳輸模組與電源供應。軟體方面為根據監測 的功能與需求，規劃出對應之圖形化的介面。軟體方面主要採用的作 業系統為Windows XP Embedded，開發程式則是利用 Lab VIEW 進行圖形化介面的建立及TDR 軟體的程式開發。第一節呈現 TDR 監測系 統的硬體，說明每一部份的產品以及適用性。第二節與第三節主要說 明 TDR 軟體的圖形化介面，包含 TDR 人機互動操作程式與 TDR 自 動化監測程式。 4.1 硬體系統整合與呈現 圖4- 1~圖 4- 11為根據TDR 含砂濃度觀測自動化系統之需求所 選取的產品，組合成現地資料擷取系統的實體圖，如圖 4-12 。硬體 系統的實體元件與產品可分別從圖中八大部分分別詳述如下： (1). 感測器(Sensor)： 感測器採用TDR 含砂濃度感測器(TDR Probes)和溫度感測器 (Thermometers)，如圖4- 1和圖 4- 2。溫度感測器採用立紳公司的 P-100 25m & TRH-301V，在溫度 25oC 時的精確度為±0.1％，連接 訊號線至資料擷取模組回傳電壓值DC 0~2V，並由電壓換算成溫 度-20~80oC。 (2). 多工器(Multiplexer)：
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TDR 多工器採用 Campbell 公司的產品，型號 SDMX50 如圖
4- 3。使用者可從RS232 下達指令給時域反射儀，再由時域反射
儀透過訊號線控制切換不同頻道，一台 Multiplexer 可連接 8 條 Cables 或其他 Multiplexer，至多可連接 512 條 Cables。
(3). 時域反射儀 (TDR)：
時域反射儀採用 Campbell 公司的產品，型號 TDR100，如圖
4- 4，透過 RS232 與個人電腦或相容系統傳輸資料與指令。
(4). 資料擷取模組(Data Acquisition Module)：
資料擷取模組(DAQ)則採用研華公司的 USB4718，如圖4- 5， 負責接收溫度感測器的電壓類比輸入，同時包括數位輸出和數位 輸入，可透過USB 與嵌入式裝置溝通。 (5). 嵌入式系統(Embedded system)： 嵌入式系統採用研華公司的嵌入式單板 PCM 3353，如圖 4- 6，除了有足夠的連接介面外，還具有體積小，低耗電的特性。 儀器規格如表4-1。 嵌入式單板必須配合適當的作業系統或是適當的韌體才能發 揮硬體功能，本研究採用的作業系統為Microsoft 公司的軟體產品
Windows XP Embedded，Windows XP Embedded 是一個元件化和 模組化版的 Windows XP Professional，Windows XP Professional
是個人電腦專用的作業系統。因此Windows XP Embedded 在操作
上與畫面與個人電腦上的Windows XP 相同。不同的是 Windows
XP Embedded 為嵌入式系統設計的作業系統，所以是為了搭配硬 體而客製的作業系統，確定保有作業系統相依性以及完整的功 能。
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表4- 1 嵌入式系統規格
(6). 通訊系統(Remote communication)：
通訊產品採用MOXA 公司的 Industrial quad-band GSM/GPRS modem 和 Micro Chinese 公司的 MMS-100 Smart Messenger，如
圖4- 7 和圖4- 8。利用手機 SIM 卡之 GPRS 功能和發送簡訊功 能，配合GPRS 模組和 Messenger 模組，透過天線傳輸資料封包 傳送至伺服器端，必須由 RS232 介面與嵌入式裝置連接。或是 網路線連線至區域網路到伺服器。 (7). 電源供應(Power Supply)： 現場資料擷取設備均使用 12V 或 5V 直流電源。本研究使用 一12V 蓄電池，而蓄電池可接 110V 交流電蓄電，在野外無電源 時可外接太陽能電板獨立供電。另有 relay 裝置控制其他儀器電 源的開關，如圖4- 9。 (8). 顯示系統(Display)： 顯示系統可由嵌入式系統內提供的 VGA 介面接上一般電腦 顯示器，如圖4- 10。或是外接字幕機以跑馬燈以文字顯示目前監
54 測結果，如圖4- 11。
Coaxial Cable
Sensing Waveguide
圖4- 1 TDR 感測器Connect to A/D
Connect to Power DC12V
Sensor
圖4- 2 溫度感測器55
Cable from TDR100 or Multiplexer
Cables connect TDR probes or Multiplexer Control Line from TDR100 or Multiplexer 圖4- 3 TDR 多工器
RS232 port
Control Line
Cable
圖4- 4 時域反射儀 圖4- 5 資料擷取模組56
圖4- 6 嵌入式單板
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圖 4- 8 Micro Chinese 無線通訊模組
(a) (b) (c)
(d) (e)
圖4- 9 (a) 12V 7.2Ah Battery (b)50W Solar Panel(c) AC Converter (d) 12V 轉 5V 電路板 (e) Relay
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圖4- 10 一般顯示器
59 DAQ TDR 嵌入式系統 多工器 溫度計 12V轉5V電路板 圖4- 12 TDR 硬體系統整合的實體圖 4.2 TDR 人機互動操作程式 本章說明以標定參數與量測的需求建立圖型化的使用者介面。標 定參數與量測程式是依照環境條件標定參數與現場量測。使用者介面 主要的目的是提供使用者一個虛擬的操作面板，藉由此面板作為使用 者與應用程式互動的溝通管道，以簡單的操作步驟即可完成 TDR 擷 取和運算分析的參數設定。 TDR 人機互動操作程式以 LabVIEW 程式語言來設計介面及開發 程式。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)
程式語言是由National Instrument 公司所推出以圖形物件來進行程式
邏輯規畫與建立程式執行的環境。LabVIEW 程式被稱為虛擬儀表 (Virtual Instrument, 簡稱 VI)的應用程式，VI 中包含三個重要的部分， 以下分別說明。
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(1). 前置面板(Front Panel)視窗是使用者與 VI 間的介面(interface)，也 就是呈現在使用者所使用的電腦面板視窗。在這前置面板視窗 中，可以執行資料或是命令的輸入，以及顯示相關資料運算、監 控或是擷取的結果。介面上可包含的物件有旋鈕(knobs)、按鈕 (push button)、圖(graphs)或其他的控制元(controls)，代表使用者 輸入；及顯示元(indicators)，屬於程式輸出，圖4- 13代表在前置 面板視窗建立好的一個虛擬儀控介面。 (2). 程式方塊(Block Diagram)視窗是 VI 背後的原始程式碼建立的環 境，是以圖形物件程式語言開發。程式方塊視窗的成分包含一般 程式常用的資料結構，如常數、變數、陣列、內建函數和使用者 自訂的函數。程序如For loop、While loop 與 Case 結構等。程式 設計裡物件之間具有對應的接點(terminal)，採用接線(wire)的方式 將合適的物件接點連結在一起，來指出物件之間資料的流動，圖 4- 14代表在圖4- 13背後的原始程式碼。 (3). 圖像與連接器(Icon/Connector)可在程式方塊視窗撰寫程式時，把 另一個 VI 當成副函數來使用。在一個 VI 中使用另一個 VI，此 VI 被稱為子 VI，圖像為子 VI 圖像化的表示方法，如一個物件般 在另一個VI 的方塊圖中被使用。連接器則定義了一個 VI 的輸出 與輸入，猶如一個副函數的輸出入參數。圖4- 15(a)為編輯 VI 的 圖像，圖4- 15(b)為編輯好的Connector，用來設定 VI 輸出入的資 料型態，圖4- 15(c)為VI 輸出入的參數名稱。
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圖4- 13 虛擬儀控介面
