無線固定式測斜系統(tǒng)設(shè)計

鐘海麗，任曉周，任桂香，唐立軍

（1.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114）

無線固定式測斜系統(tǒng)設(shè)計

鐘海麗1，2，任曉周1，2，任桂香1，2，唐立軍1，2

（1.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114）

針對大壩、橋梁等工程長時間監(jiān)測不便等問題，結(jié)合無線傳輸和傳感器技術(shù)，研究一種無線固定式測斜系統(tǒng)，實現(xiàn)對工程高精度的穩(wěn)定監(jiān)測。該系統(tǒng)結(jié)合2.4 GHz無線收發(fā)器芯片和MEMS雙軸傾角傳感器，采用多獨立節(jié)點、長跨度的結(jié)構(gòu)，各節(jié)點獨立采集、獨立計算、分別發(fā)送，監(jiān)測端通過無線方式統(tǒng)一接收數(shù)據(jù)。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)固定角度測量相對誤差小于0.2%，±30°測量范圍內(nèi)線性度良好，測試過程中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。適用于水利大壩、橋梁、建筑物的水平位移和沉降位移監(jiān)測。

無線傳輸；傾角傳感器；測斜系統(tǒng)；工程監(jiān)測

許多建筑物、大壩堤防、橋梁都存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題[1]，若不及時進行工程健康監(jiān)測，發(fā)生事故則會給國民經(jīng)濟和生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)統(tǒng)計僅2015年，全國就發(fā)生房屋安全事故442起，同時我國的水庫大壩險情也十分嚴(yán)峻。

在這些工程健康安全監(jiān)測中水平位移和沉降位移的監(jiān)測至關(guān)重要[2]，傳統(tǒng)的測斜需要通過現(xiàn)場測量和人工記錄數(shù)據(jù)，不僅耗費人力且操作復(fù)雜。后來出現(xiàn)的自動測斜儀雖然解決了人工測量的諸多不足[3-4]，但其通過線纜來實現(xiàn)測點和監(jiān)測站的數(shù)據(jù)實時通訊和傳輸?shù)姆绞匠杀靖咔沂褂脧?fù)雜，同時通訊接口易受灰土渣的堵塞影響和雨水的浸透侵蝕[5]，給系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。

針對現(xiàn)有測斜系統(tǒng)長時間測量不便的問題，探索一種無線傳輸可用于長時間監(jiān)測的固定式測斜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

大壩、建筑物、橋梁等工程跨度大、結(jié)構(gòu)多樣化，為了實現(xiàn)對其水平位移和沉降位移的監(jiān)測，該系統(tǒng)測量節(jié)點采用分段式設(shè)計結(jié)構(gòu)，能最大程度的體現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)實際的位移變化。系統(tǒng)中每個節(jié)點實時采集角度數(shù)據(jù)，通過無線模塊將采集和處理后的數(shù)據(jù)發(fā)到現(xiàn)場監(jiān)測站。

測斜系統(tǒng)中每個節(jié)點由傾角傳感器、無線收發(fā)模塊和MCU控制芯片組成，傾角傳感器測量每個節(jié)點XY軸向的角度并通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇谋O(jiān)測站，MCU控制芯片負(fù)責(zé)傾角傳感器的AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無線模塊的收發(fā)控制。監(jiān)測站同樣由MCU控制芯片和無線收發(fā)模塊組成，接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行存儲和顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

在整個系統(tǒng)設(shè)計中，單個網(wǎng)絡(luò)中最多可以實現(xiàn)6個節(jié)點同時向1個接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率最高可達(dá)1 M。如果需要在比較廣闊的地理環(huán)境中布置大量測斜儀器時，可以通過6個節(jié)點發(fā)送1個節(jié)點接收并以這1個節(jié)點為路由節(jié)點再進行2次組網(wǎng)的方式完成龐大監(jiān)測系統(tǒng)中各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸[6-8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集部分和無線收發(fā)部分。通過MEMS傳感器測量節(jié)點的XY兩個軸向傾斜角度，無線收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測端存儲和顯示。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

在考慮測斜精度和無線通信功耗的基礎(chǔ)上，選用高精度雙軸傾角傳感器和低功耗主控芯片來實現(xiàn)測斜儀的數(shù)據(jù)采集。

傾角傳感器采用芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA100T雙軸傾角傳感器[9]，測量范圍為±90°，模擬輸出分辨率為0.002 5°。采用模擬輸出方式角度為0°時正常輸出電壓是2.5 V（跟芯片實際供電電壓有關(guān)），正軸朝上時電壓大于2.5V，正軸朝下時電壓小于2.5V。主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗芯片STM32F103RBT6（以下簡稱 STM32），最高可達(dá)72 MHz的工作頻率，擁有128 K的FLASH存儲器，1個7通道DMA控制器，2個12位的AD（16通道）可供傳感器數(shù)據(jù)的采集[10]。

在本設(shè)計中采用STM32的ADC1采集傾角傳感器輸出的電壓模擬量，第8引腳PCO端口采集X軸向輸出模擬量，第9引腳PC1端口采集Y軸向輸出模擬量。傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2 傳感器模塊電路

2.2 無線收發(fā)模塊

為了滿足短距離、多節(jié)點系統(tǒng)的通信要求，傾斜儀各節(jié)點所測量的數(shù)據(jù)與監(jiān)測站之間的無線傳輸通過2.4 GHz無線收發(fā)器芯片nRF24L01來實現(xiàn)[11-12]。

nRF24L01是由NORDIC公司生產(chǎn)的工作在2.4~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。nRF24L01有一個顯著的優(yōu)點是其極低的電流消耗，發(fā)射模式下當(dāng)發(fā)射功率為0 dBm時電流消耗僅為11.3 mA，接收模式下電流消耗為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

節(jié)點發(fā)射端通過STM32的GPIOA^5、GPIOA^6、GPIOA^7 分別與 nRF24L01的 SCK、MISO、MOSI相連進行時鐘的控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，nRF24L01的CE引腳與STM32的GPIOC^4端口相連進行使能控制，nRF24L01的IRQ引腳與STM32的GPIOA^3引腳相連實現(xiàn)相關(guān)中斷的配置和觸發(fā)。由于nRF24L01需要3.3 V供電電壓，所以將前面傾角傳感器的5 V供電電壓通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為3.3 V進行供電，穩(wěn)壓電路圖和發(fā)射端nRF24L01無線模塊連接實物圖如圖3、圖4所示。

圖3 3.3V穩(wěn)壓電路

圖4 單節(jié)點無線模塊實物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括傾角傳感器輸出量在DMA方式下的多通道ADC轉(zhuǎn)換和nRF24L01多發(fā)一收模式的配置。

3.1MCU的多通道ADC數(shù)據(jù)采集程序

在ADC的數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)CPU需要處理由ADC外設(shè)采集回來的數(shù)據(jù)時，CPU首先需要把數(shù)據(jù)從ADC外設(shè)的寄存器讀取到內(nèi)存中再進行運算，這樣在轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過程中會占用CPU大量的資源，為了提高效率、更大程度的解放CPU，在本設(shè)計中采用DMA（直接存儲器讀取）的方式進行AD數(shù)據(jù)采集和處理[13]。

由于傾角傳感器的有兩個軸向的輸出量，但系統(tǒng)選用的64腳MCU僅有兩個ADC，為了方便今后的擴展，在設(shè)計中采用單ADC多通道輪流的方式進行數(shù)據(jù)采集。結(jié)合DMA直接讀取和ADC多通道數(shù)據(jù)采集可以在提高效率的同時大大節(jié)省CPU的資源。

3.2 nRF24L01的收發(fā)程序

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址以此來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來源，nRF24L01共用125個頻道，但是在多發(fā)一收模式下所有的數(shù)據(jù)通道共用一個頻道。也就是說6個不同的nRF24L01在發(fā)送模式下可以與一個設(shè)置為接收模式的nRF24L01進行通訊，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01可以通過不同的地址來識別6個不同的發(fā)射端[14]。

在發(fā)射端將各節(jié)點的nRF24L01無線模塊配置為發(fā)送模式并賦予他們不同的地址以便在接收端進行辨識。在模塊初始化時一方面要將發(fā)射節(jié)點地址寫入發(fā)射地址寄存器，另一方面還要將相同的接收地址寫入使能通道0以方便接收監(jiān)測端發(fā)來的ACK應(yīng)答信號。接下來依次進行自動重發(fā)、發(fā)射頻道、增益、發(fā)射速率等參數(shù)配置，最后將使能信號CE拉高一段時間后進入發(fā)送模式。

其中要注意的是發(fā)射端的地址均為40位，一般放在5個字節(jié)大小的數(shù)組中，6個節(jié)點的地址除了第1個字節(jié)不同外，其他4個字節(jié)均可相同。如本設(shè)計中節(jié)點的地址初始化為:

在監(jiān)測端將nRF24L01配置為接收模式，配置的方式與發(fā)射端相似。每個發(fā)射端的接收地址必須寫入接收端的接收地址寄存器，而且接收端和發(fā)射端的頻道工作頻率、數(shù)據(jù)寬度、發(fā)射速率必須一致。但接收端的地址數(shù)組與發(fā)射端略有不同，接收端的第一、二個節(jié)點地址均為5個字節(jié)，與發(fā)射端相同。從第3個節(jié)點開始地址均為1個字節(jié)，與發(fā)射端對應(yīng)的地址數(shù)組的第一個字節(jié)相同。以上面3個發(fā)射地址為例，則接收端地址數(shù)組應(yīng)為:

以上程序?qū)嵗轻槍?個發(fā)射端而言，如果需要擴展到6個，則依照以上規(guī)則增加對應(yīng)的發(fā)射端和接收端的地址數(shù)組即可。發(fā)射端和接收端的軟件流程如圖5、圖6所示:

圖5 發(fā)射端程序流程

圖6 接收端程序流程

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要針對穩(wěn)定性和線性度進行，穩(wěn)定性測試除了測試系統(tǒng)各個節(jié)點的傾斜角度值、節(jié)點與監(jiān)測站的無線傳輸（使用2 dB增益天線，空曠道路環(huán)境，傳輸距離500米）、監(jiān)測站的LCD顯示與存儲及監(jiān)測站的數(shù)據(jù)讀取等功能外[15]，還要測試系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性。線性度測試主要測試系統(tǒng)的輸出電壓與傾斜角度的關(guān)系。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

系統(tǒng)功能測試達(dá)到要求后，進行時間穩(wěn)定性測試。將測斜系統(tǒng)豎直固定在豎直墻體上保持不動，通過3個節(jié)點組成的測斜系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并向監(jiān)測點發(fā)送實時數(shù)據(jù)，測試時間跨度為5天，在測試過程中每個節(jié)點每隔5分鐘向監(jiān)測端發(fā)送一次傳感器測得的兩個軸向的角度數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)見表1，圖7為系統(tǒng)測試圖。

表1的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對同一傾斜度的測量相對誤差在0.2%以內(nèi)，穩(wěn)定度好、可重復(fù)性強。同時測試過程中數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)丟包或者連接中斷的情況。

4.2 系統(tǒng)測量線性度測試

測試儀器采用中天光正公司的ZT203ER60型精密型旋轉(zhuǎn)臺。測試時以XY軸向的-30°至30°為測試范圍，以2°為一個單位掃描60°范圍，分別記錄每個位置角度值和對應(yīng)的電壓輸出值，如圖8所示。

由圖8可知，趨勢線的決定系數(shù)R2為0.99，即該系統(tǒng)輸出電壓和傾斜角度線性擬合程度高，系統(tǒng)線性度好。

5 結(jié)束語

采用2.4G無線收發(fā)芯片nRF24L01和MEMS傾角傳感器SCA100T，設(shè)計實現(xiàn)了無線固定式測斜系統(tǒng)，該系統(tǒng)單個網(wǎng)絡(luò)中最多可以實現(xiàn)6個節(jié)點同時向1個接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率最高可達(dá)1 M，并可實現(xiàn)二次組網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。實驗室測試表明，該系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性和線性度，經(jīng)現(xiàn)場試驗后，可用于水利大壩、橋梁、建筑物等工程的水平位移和沉降位移的現(xiàn)場監(jiān)測。

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The design of wireless and fixed inclinometer system

ZHONG Hai-li1，2，REN Xiao-zhou1，2，REN Gui-xiang1，2， TANG Li-jun1，2
（1.School of Physics&Electronic，Changsha University of Science&Technology，Changsha 410114，China；2.Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Electromagnetic Environments，Changsha 410114，China）

Aiming at the inconvenience-problem about long-time monitoring of dams，bridges and other projects，we have a study on fixed and wireless inclinometer system which combined with wirelesstransmission and sensor-detection technology，in order to achieve stable and high-precision monitoring on projects.The system combines 2.4 GHz wireless transceiver chip and MEMS biaxial tilt sensor，with the strcture of long-span and multiple independent nodes，each node can collects，calculates and sends independently，the monitoring terminal can

ata wirelessly.The actual test proved that the relative error of fixed-angle measurement is less than 0.2 percent，it also has a good linearity between-30°and+30°，and the data transmissionis is stable and reliable in the process of testing.So the system can be used in horizontal displacement and vertical displacement monitoring of dams，bridges and other buildings.

wireless transmission；tilt sensor；inclinometer system；project monitoring

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試表

圖7 系統(tǒng)測試圖

圖8 系統(tǒng)線性度測試圖

TN925

B

1674－6236（2017）12-0170-05

2016-08-08稿件編號：201608061

湖南省科技重大專項（2013FJ1004-3）；湖南省水利廳科研項目（湘水科計[2014]183-5）

鐘海麗（1967—），女，湖南邵陽人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)字信號處理。