基于LTE Cat-1的無(wú)線靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 熊 余光華 張 宇 李 鳴 尹海博

1 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌市學(xué)府大道999號(hào)，330031

不均勻沉降是指相鄰2個(gè)結(jié)構(gòu)體中基礎(chǔ)沉降量的差值，沉降量差值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外應(yīng)力，產(chǎn)生裂縫、傾斜、倒塌等現(xiàn)象，因此對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)是工程監(jiān)測(cè)中不可忽視的一環(huán)[1]。目前測(cè)量不均勻沉降的儀器主要有水準(zhǔn)儀[2-3]、經(jīng)緯儀、測(cè)距儀等。LTE Cat-1是一種介于5G與2G通信之間的中速率通信方式，可無(wú)縫接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)需針對(duì)基站進(jìn)行軟硬件升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋成本低，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[4-6]。

針對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式有線靜力水準(zhǔn)儀使用復(fù)雜、無(wú)法將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接傳輸給質(zhì)檢中心，且易造成數(shù)據(jù)不真實(shí)等問(wèn)題，本系統(tǒng)將新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到靜力水準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)中。

1 設(shè)計(jì)原理與方案

圖1為靜力水準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)原理，該系統(tǒng)基于連通器原理，利用重力作用下靜止液面總保持同一水平的特性來(lái)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的垂直高度差異和變化量。原始狀態(tài)下，2個(gè)水柱處于同一水平面上，當(dāng)發(fā)生沉降時(shí)，水柱的相對(duì)高度發(fā)生變化，可根據(jù)式(1)求出相對(duì)高度的大小[7-9]：

圖1 靜力水準(zhǔn)儀工作原理Fig.1 Working principle of static level

P=ρgh

(1)

式中，P為水柱對(duì)底面的壓強(qiáng)，ρ為水的密度，g為重力加速度，h為水柱高。

將水柱高度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為水柱壓強(qiáng)的測(cè)量。本系統(tǒng)采用進(jìn)口高精度單晶硅壓強(qiáng)傳感器，量程為20 kPa，由式(1)計(jì)算得到系統(tǒng)的最大量程為2 000 mm，傳感器的精度為0.005 mm，通過(guò)計(jì)算得到系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm。系統(tǒng)采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率可達(dá)0.01 mm，因此綜合傳感器相關(guān)參數(shù)的計(jì)算與分析后認(rèn)為，傳感器完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示，包括數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)接收基站、客戶端3個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)采集終端主要由壓強(qiáng)傳感器、ZigBee終端、Cortex-M3微控制器組成，利用ZigBee終端建立多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)基站由ZigBee協(xié)調(diào)器、Cortex-M3微控制器、Wi-Fi模塊、LTE Cat-1等組成，ZigBee協(xié)調(diào)器收集多個(gè)ZigBee終端的數(shù)據(jù)，用戶可通過(guò)PC端或者移動(dòng)端連接Wi-Fi模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，LTE Cat-1模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；客戶端主要是針對(duì)質(zhì)檢中心或從事市政工程行業(yè)的工作人員所設(shè)計(jì)的，方便查看現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，防止數(shù)據(jù)造假。數(shù)據(jù)采集終端與數(shù)據(jù)接收基站的軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，使用該操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)省去了程序時(shí)序與邏輯的考慮，大幅降低了程序設(shè)計(jì)的難度[10-11]，但需要占用一部分系統(tǒng)RAM資源。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Fig.2 System desire framework

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端由Cortex-M3微控制器、ZigBee終端、壓強(qiáng)傳感器、鋰電池充放電電路等組成。微控制器從傳感器處獲取采集到的壓強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后形成沉降數(shù)據(jù)并經(jīng)由串口通信發(fā)送給ZigBee終端，最后由ZigBee終端發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。微控制器的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路組成，時(shí)鐘電路由8 M的晶振與2個(gè)22 pF的電容組成，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)；電源電路由6個(gè)0.1 μF的濾波電容組成，分別連接在微控制器的每個(gè)電源引腳處，起到去耦作用；復(fù)位電路由復(fù)位按鍵與10 K電阻、10 μF電容組成；調(diào)試電路包括程序燒錄接口和串口，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 控制器外圍電路Fig.3 Controller peripheral circuit

圖4為ZigBee終端電路，芯片型號(hào)為CC2530。ZigBee的本質(zhì)是單片機(jī)，同樣具有串口，因此固件的燒錄與調(diào)試都是通過(guò)串口進(jìn)行的，即圖中的P0.2和P0.3引腳。該串口還用于與Cortex-M3微控制器進(jìn)行通信，獲取采集到的沉降數(shù)據(jù)，2條串口電路上都串聯(lián)0 Ω的電阻，電源接口與GND引腳之間有10 μF和0.1 μF的電容并聯(lián)，用于濾波，電源供電電壓為3.3 V。

圖4 ZigBee終端電路Fig.4 ZigBee terminal circuit

為使設(shè)備低功耗運(yùn)行，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，設(shè)計(jì)ZigBee終端的電源管理電路，如圖5所示。ZigBee終端不工作期間，通過(guò)Cortex-M3微控制器將電源關(guān)閉。

圖5 電源管理電路Fig.5 Power management circuit

壓強(qiáng)傳感器型號(hào)為HALO-XQ-WG，量程范圍在0～20 kPa，工作溫度范圍為-20～70 ℃，工作電壓為5 V，測(cè)量精度可達(dá)0.005% FS。圖6為信號(hào)采集電路，圖中P3和P4接壓強(qiáng)傳感器，引腳2為信號(hào)輸出引腳，由于壓強(qiáng)傳感器采集到的是模擬信號(hào)，故需要使用AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣微控制器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。AD轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為AD7705，AD芯片需要時(shí)鐘電路，CLK-IN與CLK-OUT所接電路即為時(shí)鐘電路。AD芯片的基準(zhǔn)電壓由高精度基準(zhǔn)源REF5025產(chǎn)生，輸出2.5 V的電壓作為AD7705的參考電壓。

圖6 信號(hào)采集電路Fig.6 Signal acquisition circuit

2.2 數(shù)據(jù)基站

數(shù)據(jù)基站部分包括Cortex-M3微控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器、Wi-Fi模塊、LTE Cat-1物聯(lián)網(wǎng)模塊、鋰電池充放電電路等。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，并發(fā)送給Cortex-M3微控制器，微控制器再將這些數(shù)據(jù)通過(guò)LTE Cat-1發(fā)送至遠(yuǎn)端的服務(wù)器，用戶可以通過(guò)連接Wi-Fi實(shí)時(shí)、原地查看數(shù)據(jù)。上述部分電路與數(shù)據(jù)采集終端的電路相似，不再贅述。

LTE Cat-1通信模塊型號(hào)為WH-GM5，是首款Cat-1聯(lián)網(wǎng)通信模組，支持MQTT協(xié)議，并且支持自定義注冊(cè)包、心跳包功能，支持2路Socket連接，可更加快速地將用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。其外圍電路如圖7所示，電源電路并聯(lián)4個(gè)濾波電容，供電電壓為3.8 V，UART0_RXD和UART0_TXD為串口，用于接收微控制器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和固件燒錄，與微控制器的串口4連接。

圖7 LTE Cat-1通信電路Fig.7 LTE CAT-1 communication circuit

圖8為鋰電池充電電路，所用芯片型號(hào)為GS7001，是一款雙節(jié)電池線性式充電芯片，輸出電壓為8.4 V ，輸入電壓為4.2～18 V。P1端口為電壓輸入端，P2為鋰電池，電能經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波之后存儲(chǔ)在鋰電池中。D8為充電指示燈，紅色代表電量已經(jīng)充滿，綠色代表正在充電。

圖8 鋰電池充電電路Fig.8 Lithium battery charging circuit

圖9所示為降壓/穩(wěn)壓電路，所用芯片型號(hào)為MP1482，此芯片的輸入電壓范圍為4.75～18 V，輸出電壓范圍為0.923～15 V，能夠完成8.4 V電壓向3.3 V、3.8 V電壓的轉(zhuǎn)換，加上濾波、整流電路即可完成降壓/穩(wěn)壓功能。

圖9 降壓/穩(wěn)壓電路Fig.9 Buck regulator circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端

FreeRTOS 作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等，任務(wù)調(diào)度機(jī)制是其核心技術(shù)，支持搶占式調(diào)度、時(shí)間片調(diào)度、合作式調(diào)度3種調(diào)度方式。

圖10為數(shù)據(jù)采集終端的主程序流程。程序一開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)初始化，分為硬件外設(shè)初始化和FreeRTOS操作系統(tǒng)初始化，硬件外設(shè)初始化有I/O口的配置、串口的初始化等，操作系統(tǒng)初始化有選擇任務(wù)調(diào)度方式、函數(shù)參數(shù)的設(shè)置等；接著進(jìn)入創(chuàng)建任務(wù)，分為ZigBee接收、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、ZigBee發(fā)送等4個(gè)子任務(wù)，并設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、棧大小等，操作系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低自動(dòng)切換任務(wù)的進(jìn)程，4個(gè)任務(wù)中最為重要的是數(shù)據(jù)處理子任務(wù)，負(fù)責(zé)將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高度，并與原始狀態(tài)變化后的高度作差，得出沉降的高度。

圖10 數(shù)據(jù)采集終端主程序流程Fig.10 Main program flow of data acquisition terminal

3.2 數(shù)據(jù)基站

圖11為數(shù)據(jù)基站的主程序設(shè)計(jì)流程，本部分設(shè)計(jì)同樣是基于FreeRTOS操作系統(tǒng)，故大致流程與數(shù)據(jù)采集終端相似，不同之處在于所創(chuàng)建的任務(wù)分為ZigBee接收數(shù)據(jù)任務(wù)、Wi-Fi響應(yīng)上位機(jī)任務(wù)、Wi-Fi與上位機(jī)通信任務(wù)、Cat-1響應(yīng)服務(wù)器并上傳數(shù)據(jù)任務(wù)等。通過(guò)Wi-Fi與上位機(jī)通信任務(wù)，用戶可原地、實(shí)時(shí)查看采集到的沉降數(shù)據(jù)；通過(guò)Cat-1響應(yīng)并上傳數(shù)據(jù)任務(wù)，直接將數(shù)據(jù)傳輸至質(zhì)檢中心和相關(guān)市政工程部門(mén)，可防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)造假等行為。

圖11 數(shù)據(jù)接收基站主程序流程Fig.11 Main program flow of data receiving base station

圖12為WH-GM5模組與服務(wù)器的連接流程，主要通過(guò)調(diào)用AT指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分AT指令集及功能描述如表1所示。模組初始化后，首先發(fā)送AT+ICCID指令，查詢模塊的ICCID碼，所有AT指令在查詢參數(shù)之后都會(huì)返回“OK”信息，故延時(shí)等待300 ms之后判斷是否收到“OK”信息，返回“OK”則說(shuō)明查詢成功。接著發(fā)送AT+NATEN=ON指令，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，該指令有ON和OFF兩個(gè)賦值參數(shù)，分別代表打開(kāi)和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)。之后發(fā)送AT+CSQ指令，查詢信號(hào)的強(qiáng)度與質(zhì)量，并判斷信號(hào)的質(zhì)量是否等于99或0，若為此數(shù)值，說(shuō)明無(wú)信號(hào)，需要繼續(xù)等待與查詢信號(hào)的質(zhì)量。當(dāng)信號(hào)質(zhì)量不為99或0時(shí)，說(shuō)明該信號(hào)質(zhì)量可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，于是發(fā)送AT+SOCKA=TCP指令，設(shè)置服務(wù)器的IP和端口，IP設(shè)置為114.115.166.243，端口號(hào)為1883，與對(duì)應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行連接，連接穩(wěn)定后返回OK。

圖12 LTE Cat-1物聯(lián)網(wǎng)通信流程Fig.12 LTE Cat-1 internet of things communication flow

表1 WH-GM5部分AT指令集

4 系統(tǒng)測(cè)試

將電子元件與芯片按照硬件電路設(shè)計(jì)的方式焊接到PCB板上，并使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量、調(diào)試，檢查是否存在短路、斷線等情況。

檢查系統(tǒng)的可用性之后進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)安裝及連接示意圖如圖13所示。初始狀態(tài)時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)與各測(cè)點(diǎn)在同一平面，液面高度相同；當(dāng)建筑體發(fā)生沉降后，其中一些測(cè)點(diǎn)位置靜力水準(zhǔn)儀下沉，液面高度會(huì)發(fā)生變化。

圖13 系統(tǒng)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)安裝及連接示意圖Fig.13 Schematic diagram of system multi-point monitoring installation and connection

實(shí)際測(cè)試步驟為：1)將儲(chǔ)液罐預(yù)裝適量的水(盡量是純凈水)，并固定在初始位置；2)在被測(cè)物體的固定點(diǎn)安裝靜力水準(zhǔn)儀并開(kāi)機(jī)；3)連接儲(chǔ)液罐與靜力水準(zhǔn)儀之間的水管及氣管；4)打開(kāi)上位機(jī)軟件，連接數(shù)據(jù)接收基站W(wǎng)i-Fi；5)設(shè)置上位機(jī)工程參數(shù)，并下發(fā)開(kāi)始采集指令；6)獲取數(shù)據(jù)并展示。

為了測(cè)試系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及性能，任意選取3臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。3臺(tái)水準(zhǔn)儀的初始液位高度分別為66.360 mm、64.343 mm、67.410 mm，檢測(cè)時(shí)間為2021-02-26～02-28。靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)如圖14所示，可以看出，測(cè)試期內(nèi)3臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)變化量分別為0.030 mm、0.033 mm、0.040 mm，基本沒(méi)發(fā)生變化，無(wú)突變數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，受外界環(huán)境影響小。

圖14 監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)Fig.14 Data of the monitoring platform

5 結(jié) 語(yǔ)

不均勻沉降現(xiàn)象是現(xiàn)代建筑在建設(shè)過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物傾斜、破裂甚至倒塌，針對(duì)這一狀況，本文在傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了2個(gè)改進(jìn):1)將ZigBee組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成大規(guī)模的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，提高監(jiān)測(cè)范圍與精度；2)將LTE Cat-1物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中，雖然選取的不是通信速率最快的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但綜合成本、復(fù)雜度、功耗、通信速率等方面是最合適的，能直接將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，避免用戶的造假行為。另外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件以FreeRTOS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更高。