低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的研制與應(yīng)用

華 濤，李桂平，藍(lán) 彥，吳 波

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106）

低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的研制與應(yīng)用

華 濤，李桂平，藍(lán) 彥，吳 波

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106）

振弦式傳感器及測(cè)量模塊廣泛應(yīng)用于水電工程、巖土工程等工程的安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，本文針對(duì)振弦式測(cè)量模塊的電源功耗、通信組網(wǎng)方式、激振及測(cè)量等方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的低功耗、高精度、多通道的振弦式測(cè)量模塊，并在甘肅劉家峽水電站成功構(gòu)建了基于該模塊的無(wú)線滲壓測(cè)量系統(tǒng)，目前成功運(yùn)行近兩年，取得了良好的應(yīng)用效果。

振弦式；測(cè)量模塊；低功耗；無(wú)線；ZigBee 滲壓測(cè)量系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工程建設(shè)領(lǐng)域也取得了巨大的成就。伴隨著眾多的工程投入運(yùn)行和新建工程的開(kāi)展，安全生產(chǎn)問(wèn)題日益獲得大眾的關(guān)注，工程領(lǐng)域的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究也在日益深入。

振弦式傳感器作為一種頻率性傳感器，其輸出的頻率信號(hào)具有工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、采集接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此，廣泛應(yīng)用于工程中的壓力、應(yīng)力、滲壓、沉降、拉力等關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)物理量測(cè)量。振弦式測(cè)量模塊主要用于采集振弦式傳感器輸出的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信，存儲(chǔ)顯示以及相關(guān)聯(lián)的控制等功能，與振弦式傳感器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集管理信息系統(tǒng)共同組成了振弦式傳感測(cè)量系統(tǒng)，是振弦式傳感測(cè)量系統(tǒng)的核心組成。

在工程應(yīng)用中，現(xiàn)有的振弦式測(cè)量模塊一般采用220V交流電源、蓄電池或者太陽(yáng)能電池組供電，與上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信一般采用RS485總線或以太網(wǎng)等有線方式，因此需要鋪設(shè)電源及通信電纜。在一些特殊環(huán)境的工程應(yīng)用中，例如高邊坡、施工期復(fù)雜作業(yè)面、無(wú)市電供應(yīng)區(qū)域的安全監(jiān)測(cè)中，鋪設(shè)電纜存在困難，對(duì)工程建設(shè)的成本、進(jìn)度均造成影響，限制了現(xiàn)有振弦式測(cè)量模塊的應(yīng)用。

針對(duì)上述工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，本文對(duì)振弦式測(cè)量模塊的電源管理、通信方式、激振電路、信號(hào)處理采集電路進(jìn)行了研究和優(yōu)化，研制出基于ZigBee技術(shù)的低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊，該模塊具有功耗低、測(cè)量精度高、安裝方便靈活、系統(tǒng)創(chuàng)建及維護(hù)成本低、易于組網(wǎng)的特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于甘肅劉家峽水電站的滲壓測(cè)量系統(tǒng)。

1 模塊設(shè)計(jì)方案

模塊的總體設(shè)計(jì)功能為集數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸一體化的測(cè)量裝置，設(shè)計(jì)須滿足功耗低、無(wú)線組網(wǎng)方便、安裝靈活便捷的要求。因此，本文從電源系統(tǒng)、無(wú)線通信方式、電路組成器件、軟件程序設(shè)計(jì)及模塊外觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面的考慮和比選。

首先在電源設(shè)計(jì)上，選用了市面上容易購(gòu)買的4節(jié)五號(hào)堿性干電池用作系統(tǒng)供電電源，方便工程應(yīng)用中用戶替換電池，相比太陽(yáng)能電池板配合蓄電池的組合而言，購(gòu)買成本低，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，后期防盜防破壞的維護(hù)成本低。

電源的選擇，就決定了模塊的總體低功耗要求，因此，對(duì)無(wú)線通信方式的選擇必須滿足低功耗的原則。工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域常用的無(wú)線通信方式有數(shù)傳電臺(tái)、GPRS、WLAN（WIFI）、ZigBee等，其數(shù)傳電臺(tái)和WALN（WIFI）因功耗較高，不適合電池組供電的情況首先予以排除。GPRS無(wú)線通信技術(shù)的顯著特點(diǎn)為在移動(dòng)基站覆蓋的范圍內(nèi)，點(diǎn)與點(diǎn)的通信幾乎不受通信距離的限制，適合野外觀測(cè)需要；但其因?yàn)樾枰蕾囈苿?dòng)運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)，GPRS通信過(guò)程的流量需付費(fèi)，GPRS服務(wù)器的固定IP也需要付費(fèi)試用，長(zhǎng)期使用成本較高，且通信質(zhì)量受制于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)質(zhì)量。相比GPRS通信技術(shù)， ZigBee技術(shù)作為一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[1]，其通信距離在數(shù)百米，能夠在電池支持下穩(wěn)定工作，形成的無(wú)線局域網(wǎng)工作于免費(fèi)的ISM頻段，運(yùn)行中無(wú)須付費(fèi)，且網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量用戶可控。其通信速率較低，但滿足工程監(jiān)測(cè)的需要。ZigBee模塊工作在20～250 kbps的較低速率，針對(duì)不通的工作頻段，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，可以滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)便捷，擴(kuò)展性好。ZigBee的上述特點(diǎn)，決定了其在工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的適用性，本設(shè)計(jì)選擇ZigBee技術(shù)作為無(wú)線通信方案。

圖1 低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊總體結(jié)構(gòu)示意圖

模塊的總體功耗低，還要求在模塊電路的組成元器件選擇和電源管理方案上必須考慮低功耗，在模塊的軟件程序設(shè)計(jì)上，也需考慮低功耗的實(shí)現(xiàn)方案，具體實(shí)現(xiàn)方案下文詳細(xì)介紹。

根據(jù)上述的功能設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的要求，低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1中，低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊主要由主控電路板、電池組、SMA接口通用天線、保護(hù)罩、安裝底板以及外接端子芯線組成。其中，主控電路板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信等功能，四節(jié)5號(hào)普通堿性干電池組成的電池組為系統(tǒng)提供工作電源，SMA接口通用天線選擇增益為2.5dbi的全向天線。整個(gè)裝置被封裝在保護(hù)罩內(nèi)部，保護(hù)罩經(jīng)密封防水設(shè)計(jì)，不影響SMA接口通用天線的增益，外部通過(guò)密封接插件將測(cè)量芯線引出。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，將安裝底板固定于待測(cè)結(jié)構(gòu)體的附件上，用戶只需根據(jù)外接芯線的顏色按照說(shuō)明書(shū)與振弦式傳感器連接即可，安裝方便快捷。因此，本儀器能夠較好的適應(yīng)特殊環(huán)境的工程應(yīng)用要求。

圖2 低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊電路示意圖

2 模塊電路設(shè)計(jì)

低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的系統(tǒng)電路主要由微控制器、電池組、電源電路、電池電壓監(jiān)測(cè)電路、ZigBee通信電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、測(cè)量電源電路、測(cè)量電路組成，見(jiàn)圖2。

圖2中，微控制器選用SiLabs公司的C8051F120混合信號(hào) ISP FLASH微控制器，該控制器具有5 個(gè)定時(shí)器，1個(gè)PCA，1個(gè)捕獲器/比較器，8通道12位 A/D ，1個(gè)內(nèi)部參考電壓源，2路12位D/A，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，片上資源豐富，還具備SPI、SMBus、I2C、2路UARTS等多種外設(shè)接口。該控制器功耗低，典型工作電流低至15μA （VDD=3.0V，CLK=32kHz），停機(jī)模式下功耗低至0.4μA，比較適合低功耗應(yīng)用。

電池組由四節(jié)普通五號(hào)1.5V堿性干電池組成，為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源。電池電壓測(cè)量電路可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的電壓，并將電壓值發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，以便用戶及時(shí)更換電池組，避免模塊因電池電壓不足導(dǎo)致測(cè)量不正常。ZigBee通信電路在微控制器的控制下，可進(jìn)入休眠狀態(tài)或被喚醒。時(shí)鐘電路為低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊供系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，微控制器根據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)的命令，對(duì)時(shí)鐘電路進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，并接收時(shí)鐘電路提供的定時(shí)測(cè)量、定時(shí)自報(bào)的控制信號(hào)。存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)設(shè)置等信息，還可在定時(shí)自報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)失敗或定時(shí)測(cè)量的情況下存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，微控制器再根據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)出的取數(shù)據(jù)命令將存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)再次發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)。

數(shù)據(jù)采集電路工作于定時(shí)自報(bào)狀態(tài)，由時(shí)鐘電路控制采集周期，定時(shí)喚醒處于低頻休閑狀態(tài)的微處理器。微處理器通過(guò)采用多路開(kāi)關(guān)選通待測(cè)傳感器，依次將方波掃頻激振信號(hào)切換至6個(gè)傳感器線圈對(duì)應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管上，對(duì)傳感器進(jìn)行激振。在激振結(jié)束后，微處理器關(guān)閉激振信號(hào)，采用另一個(gè)多路開(kāi)關(guān)將對(duì)應(yīng)的傳感器線圈頻率信號(hào)接至信號(hào)放大調(diào)理電路。微控制器通過(guò)內(nèi)部比較器和定時(shí)器測(cè)量放大調(diào)理后的頻率信號(hào)，得到傳感器的頻率數(shù)值。

傳感器溫度電阻測(cè)量電路采用3.3V對(duì)傳感器溫度電阻和標(biāo)準(zhǔn)精密電阻串聯(lián)供電，微處理器通過(guò)內(nèi)部的12位AD采樣傳感器溫度電阻和標(biāo)準(zhǔn)精密電阻的電壓值，以獲得傳感器溫度電阻和標(biāo)準(zhǔn)精密電阻的比值，從而計(jì)算得到傳感器溫度電阻值。

在系統(tǒng)電路研制中，主要是考慮系統(tǒng)整體功耗要極低，以適應(yīng)普通堿性干電池供電的要求。因此，在設(shè)計(jì)中，一方面從硬件設(shè)計(jì)上，盡可能地采用低功耗器件，在運(yùn)行中考慮電源的分區(qū)分時(shí)管理方案，例如在通信過(guò)程中，關(guān)閉所有測(cè)量電路的電源供應(yīng)；在測(cè)量過(guò)程中，控制ZigBee通信電路進(jìn)入低功耗模式等措施；另一方面，在軟件程序設(shè)計(jì)上，采用了多重低功耗設(shè)計(jì)方案，使各部分電路在微控制器的控制下，能夠進(jìn)入休眠狀態(tài)，且能夠及時(shí)從休眠狀態(tài)喚醒，從而有效降低系統(tǒng)功耗。本儀器在非工作狀態(tài)時(shí)，整體功耗為70uA左右，完全適用于電池組供電。

3 模塊參數(shù)功能

低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊作為一款集數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸一體化的裝置，其測(cè)量精度和測(cè)量范圍等技術(shù)指標(biāo)全部滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并具備一般有線智能采集模塊的功能，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理、參數(shù)及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)，選測(cè)、單測(cè)、即刻測(cè)量及定時(shí)測(cè)量、定時(shí)自報(bào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。此外，低功耗無(wú)線振弦式模塊還可以監(jiān)測(cè)自身的電池電壓數(shù)值，實(shí)時(shí)預(yù)警，以便用戶實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前電池的使用情況，及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行更換。

低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下：

（1）工作溫度：-40～+70℃；

（2）環(huán)境濕度：＜95%；

（3）供電電源：4節(jié)普通5號(hào)堿性干電池；

（4）工作功耗：守候電流＜0.1mA，工作電流＜400mA；

（5）工作時(shí)間： 1年；

（6）無(wú)線通信技術(shù)：ZigBee技術(shù)；

（7）無(wú)線通信距離： 500m；

（8）傳感器通道數(shù)：頻率6個(gè)，溫度1個(gè)；

（9）傳感器激振電壓：3.3VDC；

（10）傳感器激振方式：方波掃頻；

（11）測(cè)量范圍：頻率400～6000Hz，溫度-20～80℃；

（12）分辨率： 頻率0.1Hz，溫度0.1℃；

（13）基本誤差：頻率≤0.2Hz+1LSD，溫度≤0.5℃+1LSD；

（14）溫度附加誤差：頻率≤0.1Hz，溫度≤0.2℃。

4 模塊工程應(yīng)用

4.1 工程背景

劉家峽水電站，位于甘肅省永靖縣境內(nèi)的黃河干流，1958年開(kāi)工興建，1974年建成，為我國(guó)自行設(shè)計(jì)施工建造的首座百萬(wàn)千瓦級(jí)水電站。劉家峽水電站總裝機(jī)容量122.5萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量為57億kW·h，是以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、供水、養(yǎng)殖等綜合利用效益的大型水利樞紐。

劉家峽水電站大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要用于變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化系統(tǒng)改造工作于2002年8月通過(guò)驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，業(yè)主根據(jù)工程安全監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了持續(xù)完善和升級(jí)[2]。2012年，業(yè)主啟動(dòng)了新增1個(gè)滲壓觀測(cè)點(diǎn)、升級(jí)3個(gè)滲壓觀測(cè)點(diǎn)的試點(diǎn)改造工作。

4.2 無(wú)線滲壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)改造工作的要求，其中新增的一個(gè)測(cè)點(diǎn)位于大壩右岸邊坡上，距離大壩最近的具有電源及通信電纜的觀測(cè)站房約200m，若鋪設(shè)電源及通信電纜至觀測(cè)站，施工較為困難，成本較高；另外升級(jí)改造的三個(gè)測(cè)點(diǎn)位于大壩下游的廠區(qū)里，廠區(qū)運(yùn)行多年，路面已經(jīng)全部硬化，若施工鋪設(shè)電源及通信電纜施工環(huán)境不允許。本次改造涉及的四個(gè)測(cè)點(diǎn)都在廠區(qū)視通范圍之內(nèi)，且離安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化信息系統(tǒng)機(jī)房距離不超過(guò)500m。

圖3 劉家峽水電站無(wú)線滲壓系統(tǒng)示意圖

考慮到上述升級(jí)改造工程特點(diǎn)，本文研制的低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊以其性能特征正好能滿足本工程的要求。因此，設(shè)計(jì)采用四個(gè)低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊，配置1個(gè)無(wú)線通信管理器實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線通信管理，因四個(gè)測(cè)點(diǎn)均處于廠區(qū)500m范圍內(nèi)，故無(wú)需無(wú)線中繼，只需形成一個(gè)ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)即可。本文設(shè)計(jì)的劉家峽水電站無(wú)線滲壓系統(tǒng)如圖3所示。

如圖3所示，劉家峽水電站無(wú)線滲壓系統(tǒng)采用了四個(gè)低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊，其中154號(hào)測(cè)點(diǎn)的模塊接2通道的振弦式滲壓計(jì)，其他三個(gè)測(cè)點(diǎn)均接1通道的振弦式滲壓計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)模塊的ZigBee通信管理，采用了一個(gè)無(wú)線通信管理器。無(wú)線通信管理器通過(guò)RS485總線與監(jiān)控主機(jī)相連，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控主機(jī)的各種命令，并喚醒相應(yīng)的休眠測(cè)量模塊。圖示無(wú)線滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與劉家峽現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)完全兼容，可方便地接入既有信息系統(tǒng)中。

現(xiàn)場(chǎng)安裝中，將無(wú)線通信管理器安裝于監(jiān)控主機(jī)所在的樓頂，與四個(gè)測(cè)量模塊基本做到視通；再將采用圖1結(jié)構(gòu)的測(cè)量模塊安裝于滲壓計(jì)所在的井口位置，將傳感器引線與模塊的外接引線進(jìn)行連接即可，不外露任何引線，安裝便捷，安裝后的效果簡(jiǎn)潔美觀。安裝完畢后，利用已有的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化信息系統(tǒng)設(shè)置測(cè)量模塊的時(shí)鐘以及定時(shí)測(cè)量周期等操作，即可啟動(dòng)測(cè)量，調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單。整個(gè)升級(jí)改造工作實(shí)施周期短，成本省，且不影響既有信息系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)關(guān)鍵性能

劉家峽水電站無(wú)線滲壓系統(tǒng)于2013年9月下旬安裝調(diào)試，2013年10月投入運(yùn)行，至今（2015年8月）已經(jīng)工作近2年。運(yùn)行期間，模塊在重點(diǎn)觀測(cè)期間（例如汛期）8h測(cè)量一次，非重點(diǎn)觀測(cè)期間12h測(cè)量一次，迄今模塊測(cè)量各項(xiàng)功能正常，達(dá)到業(yè)主升級(jí)改造目標(biāo)。

相比已成熟應(yīng)用多年的有線供電通信的振弦式測(cè)量模塊，低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊待驗(yàn)證的關(guān)鍵性能為低功耗指標(biāo)、測(cè)量穩(wěn)定性指標(biāo)、無(wú)線通信穩(wěn)定性指標(biāo)。選取其中的154號(hào)和494號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)電池組電壓監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。

圖4的數(shù)據(jù)為代表性的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)自2013年10月投運(yùn)至2014年6月30日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，持續(xù)9個(gè)月，共計(jì)1400個(gè)測(cè)次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，模塊供電電源的四節(jié)普通堿性干電池的電壓從6.40V左右降低到5.64V左右，即單節(jié)電池壓降為1.6V降低到1.41V。而5號(hào)堿性干電池的電池放電平穩(wěn)區(qū)間為1.4～1.0V之間，即模塊持續(xù)正常工作9個(gè)月時(shí)，電池組電壓仍處于放電區(qū)間內(nèi)，據(jù)此可以推斷出：模塊完全可以在4節(jié)5號(hào)干電池供電下正常工作一年以上。目前，模塊還在現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行，電池未更換過(guò)，使用情況印證了上述推斷。因此，模塊的低功耗測(cè)量特性，完全能夠適應(yīng)工程應(yīng)用的要求。

此外，選擇154號(hào)測(cè)點(diǎn)中的一只和494號(hào)測(cè)點(diǎn)的滲壓計(jì)頻率測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖4 電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線（494號(hào)和154號(hào)測(cè)點(diǎn)）

由圖5可知，低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的原始頻率測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定連續(xù)，位于不同位置的觀測(cè)點(diǎn)結(jié)果呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，與測(cè)點(diǎn)的預(yù)期變化規(guī)律一致，測(cè)量穩(wěn)定性得到工程驗(yàn)證。此外，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，歷經(jīng)9個(gè)月共計(jì)1400多個(gè)測(cè)次，模塊測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)丟失遺漏情況，無(wú)線通信穩(wěn)定性也得到充分驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合振弦式測(cè)量模塊在工程應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)、低功耗技術(shù)應(yīng)用于振弦式測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出一種功耗低、測(cè)量精度高、安裝維護(hù)方便、組網(wǎng)便捷的振弦式測(cè)量模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)6路振弦式傳感器和1路溫度電阻的測(cè)量，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足行業(yè)應(yīng)用要求；并結(jié)合劉家峽水電站滲壓系統(tǒng)改造的具體要求，本文設(shè)計(jì)了一套基于低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊的無(wú)線滲壓測(cè)量系統(tǒng)，迄今投運(yùn)近2年，工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的低功耗特性和通信測(cè)量穩(wěn)定性得到驗(yàn)證，為今后低功耗無(wú)線振弦式測(cè)量模塊及ZigBee無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用樹(shù)立了良好的示范效應(yīng)。

[1]劉子京，裴文江. 基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（5）:192-194.

圖5 模塊滲壓計(jì)測(cè)量曲線（494號(hào)和154D號(hào)測(cè)點(diǎn)）

[2]高承眾. 劉家峽水電站大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)存主要問(wèn)題.水電站梯級(jí)調(diào)度、自動(dòng)控制技術(shù)研討會(huì)論文集，2008：143-144.

華 濤（1981—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成。E-Mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

李桂平（1981—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成。E-Mail：liguiping@sgepri.sgcc.om.cn

藍(lán) 彥（1968—），男，大學(xué)本科，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成。E-Mail：lanyan@sgepri.sgcc.om.cn

Development and Application of Low-power Wireless Vibrating-wire Measuring Module

HUA Tao，LI Guiping，LAN Yan，Wu Bo
(State Grid Electricity Power Research Institute/NARI Group Company，Nanjing 211106，China)

Vibrating-wire sensor and measuring module are widely used safety monitoring system of hydropower Engineering and geotechnical engineering. This paper study low-power consumption，wireless communication network，excitation and measurement method of vibrating-wire measuring module，and design a low-power consumption，high precision，multi-channel vibrating-wire measuring module based on ZigBee wireless communication technology.This paper also introduce the successful application of the module in the wireless seepage pressure measurement system of Liujiaxia hydropower station in Gansu Province.The wireless seepage pressure measurement system has been successfully operating for nearly two years，and achieved good application effect.

Vibrating-wire; measuring module; lowpower; wireless; ZigBee; seepage pressure measurement system