基于NB-IoT的靜載檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐 熊， 尹海博， 張 宇， 李 鳴

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

0 引 言

隨著世界人口的不斷增加，隨之而來(lái)的住房數(shù)量也正在增加，建筑行業(yè)正處于鼎盛時(shí)期，建房前對(duì)樁基和地基的檢測(cè)十分重要，是一棟房子穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1，2]。傳統(tǒng)的靜載測(cè)試方法是以人工操作為主，相應(yīng)的測(cè)試工具是用手壓千斤頂、機(jī)械百分表等，操作過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但是操作工程存在許多隱患，例如手動(dòng)加載勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)試人員長(zhǎng)時(shí)間處于荷載底下、容易疲勞、影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性等[3]。

當(dāng)前的靜載檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)靜載試驗(yàn)的自動(dòng)化進(jìn)行，相比以前的人工操作，降低了操作人員的危險(xiǎn)性，提高了測(cè)量精度，但同時(shí)也還存在相關(guān)的問(wèn)題，一是存在檢測(cè)數(shù)據(jù)的弄虛作假行為，為了蒙混過(guò)關(guān)，不惜將數(shù)據(jù)造假給質(zhì)檢局，從而獲得建筑的允許[4]；二是數(shù)據(jù)采集終端與基站之間的距離較近，當(dāng)前靜載檢測(cè)儀的采集端與接收端的距離不超過(guò)千米，難以滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量的場(chǎng)合。三是網(wǎng)絡(luò)通信模塊存在信號(hào)差，在實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)位置偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差的的地方導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳不穩(wěn)定，甚至中斷。使用BC26模塊進(jìn)行靜載檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，利用其廣覆蓋的特點(diǎn)，有效解決了數(shù)據(jù)上傳穩(wěn)定性、可靠性的問(wèn)題。使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow-band Internet of Things，NB-IoT)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳，并且將數(shù)據(jù)直接傳輸給質(zhì)檢中心，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)造假[5～8]。

1 系統(tǒng)總體方案

基于NB-IoT的靜載檢測(cè)儀系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)接收基站、用戶端三部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集終端包括STM32主控模塊設(shè)計(jì)、位移和壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、AS69—T20無(wú)線通信發(fā)送模塊設(shè)計(jì)、電動(dòng)油泵控制模塊；數(shù)據(jù)接收基站包括STM32主控模塊設(shè)計(jì)、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)定位模塊設(shè)計(jì)、AS69—T20無(wú)線通信接收模塊設(shè)計(jì)、WiFi模塊設(shè)計(jì)、SD卡模塊設(shè)計(jì)；用戶端為上位機(jī)，通過(guò)電腦或者移動(dòng)手機(jī)的WiFi接收來(lái)自基站的數(shù)據(jù)，編寫(xiě)專門(mén)的上位機(jī)軟件，用于工程參數(shù)下發(fā)、數(shù)據(jù)顯示、圖表顯示。數(shù)據(jù)采集終端采集靜載荷實(shí)驗(yàn)的位移、壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)AS69—T20與數(shù)據(jù)接收基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)接收基站通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至質(zhì)檢中心的數(shù)據(jù)服務(wù)管理平臺(tái)，將其保存，并且通過(guò)ATGM336H定位模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)的定位，通過(guò)WiFi模塊與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端的電路設(shè)計(jì)包括主控芯片STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、AS69—T20無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)等，數(shù)據(jù)采集終端采用的主控芯片型號(hào)為STM32F103RET6，是一種高性能32位的單片機(jī)。主控模塊的電路設(shè)計(jì)分為時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、下載電路四部分。時(shí)鐘電路是單片機(jī)運(yùn)行的不可缺少的電路，由晶振、電容、電阻組成。電源電路用于提供單片機(jī)正常工作的電源電壓，由六個(gè)去耦電容組成。復(fù)位電路是單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中起復(fù)位功能的電路，由電容、開(kāi)關(guān)、電阻組成，低電平為復(fù)位有效電平。下載電路是用于給單片機(jī)燒錄程序用的，采用SWD模式。

如圖2所示為A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為AD7606，它是16位、8通道的同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片，內(nèi)置模擬輸入箱位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及串行并行接口。采用5 V的單電源供電，其中，V1～V8為八個(gè)數(shù)據(jù)采集端口，STM32通過(guò)SPI通信協(xié)議來(lái)與AD7606芯片的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2 AD轉(zhuǎn)換電路

傳感器電路設(shè)計(jì)包括壓力傳感器電路設(shè)計(jì)和位移傳感器電路設(shè)計(jì)，壓力傳感處理電路將傳感器毫伏(mV)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)輸出，直接被A/D轉(zhuǎn)換芯片采集，從而獲取壓力數(shù)據(jù)。位移傳感器采用LSM高精度微型自恢復(fù)式位移電阻尺，工作溫度為-30～+85 ℃，采用5 V電源供電，分別率可達(dá)1 μm。

2.2 數(shù)據(jù)接收基站電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收基站電路設(shè)計(jì)包括主控芯片STM32電路設(shè)計(jì)、WiFi模塊電路設(shè)計(jì)、SD卡模塊電路設(shè)計(jì)、AS69—T20無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)、ATGM336H定位模塊電路設(shè)計(jì)、NB-IoT通信電路設(shè)計(jì)等。主控芯片STM32的電路設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集終端的基本相同。AS69—T20無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)如圖3所示，這是一種2.4 GHz的工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳模塊，以NRF24L01P作為主芯片，傳輸距離高達(dá)2100 m，具有四種工作狀態(tài)，分別為全雙工、半雙工、休眠和保留，通過(guò)MD0和MD1的電平狀態(tài)來(lái)控制工作狀態(tài)，RXD和TXD引腳與STM32單片機(jī)的USART-TX和USART-RX相連接，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)串口通信完成。

圖3 AS69-T20無(wú)線通信電路

NB-IoT通信電路設(shè)計(jì)如圖4所示，以BC26為主要芯片，BC26是高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT無(wú)線通信模塊，芯片支持中國(guó)移動(dòng)OneNET、中國(guó)電信EasyIoT、華為OceanConnect等云平臺(tái)。此部分的電路設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路和調(diào)試電路，復(fù)位電路與RST引腳連接，DTX和DRX與調(diào)試端口連接，RXD和TXD與單片機(jī)的串口連接，通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 NB-IoT通信電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端的主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化，包括AD芯片的初始化、串口波特率設(shè)置、延時(shí)函數(shù)初始化、定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作模式設(shè)置、系統(tǒng)中斷設(shè)置等；初始化完畢后開(kāi)始采集位移和壓力數(shù)值，采集到的信號(hào)為模擬信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，STM32才能夠加以處理；處理完畢等待數(shù)據(jù)接收基站下發(fā)數(shù)據(jù)上傳指令，接收到指令后由AS69—T20模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收基站，如果發(fā)送失敗，則會(huì)進(jìn)入重新發(fā)送的子程序。以上就是整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的主程序運(yùn)行過(guò)程。

圖5 數(shù)據(jù)采集端主流程圖

3.2 數(shù)據(jù)接收基站軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收基站的主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)初始化包括延時(shí)函數(shù)、設(shè)置NVIC中斷分組、串口波特率設(shè)置、按鍵等初始化設(shè)置。初始化完畢之后進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)的第一步是向終端發(fā)送數(shù)據(jù)讀取的指令，此時(shí)終端在接收到指令之后開(kāi)始向基站發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，基站接收終端上傳的數(shù)據(jù)，并向上位機(jī)的App軟件發(fā)送該數(shù)據(jù)，且將數(shù)據(jù)保存到SD卡中，一旦接收到上位機(jī)下發(fā)的控制指令時(shí)，執(zhí)行其指令，否則直接進(jìn)入數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器的子程序，此循環(huán)為無(wú)限循環(huán)，工作期間一直進(jìn)行。

圖6 數(shù)據(jù)接收基站主流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

搭建好靜載檢測(cè)系統(tǒng)的硬件后，對(duì)其進(jìn)行軟件調(diào)試，為了進(jìn)一步檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的示意圖如圖7所示，在配重塊的下方布置靜載檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集終端，將數(shù)據(jù)接收基站放在1 km以外的位置，通過(guò)用戶端的App進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)下發(fā)的實(shí)驗(yàn)。

圖7 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)示意

在布置完設(shè)備后，將電腦連入對(duì)應(yīng)WiFi，打開(kāi)App，設(shè)置工程名稱，相應(yīng)工程參數(shù)，即可開(kāi)始采集靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，其App采集數(shù)據(jù)的界面如圖8所示。隨著加載等級(jí)由0增加到3，載荷值和油壓值也隨之增加，同時(shí)位移數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，第一級(jí)時(shí)穩(wěn)定在35.8左右，第二級(jí)穩(wěn)定在35.2左右。根據(jù)國(guó)家不同的檢測(cè)要求，在工程參數(shù)下發(fā)界面，可以選擇檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法，另外可以設(shè)置工程的名字、加載極限值、加載總級(jí)數(shù)、千斤頂標(biāo)定系數(shù)等。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠在1 km開(kāi)外的長(zhǎng)距離進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，并且數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合使用需求。

圖8 App數(shù)據(jù)采集界面

5 結(jié) 論

在靜載試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試驗(yàn)場(chǎng)地處于偏遠(yuǎn)地帶，數(shù)據(jù)傳輸不可靠，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)造假的現(xiàn)象，且當(dāng)前的靜載試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸距離不超過(guò)1 km，試驗(yàn)地帶容易出現(xiàn)安全隱患。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了基于NB-IoT的靜載檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用NB-IoT通信技術(shù)，利用其廣覆蓋特點(diǎn)，解決了實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)位置偏遠(yuǎn)，移動(dòng)信號(hào)差，數(shù)據(jù)上傳中斷甚至無(wú)法上傳的難題，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕こ探⒑髾z測(cè)人員便可離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)，避免了人工檢測(cè)帶來(lái)的安全問(wèn)題，并且將數(shù)據(jù)直接傳輸給質(zhì)檢中心，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)造假。