許 衛(wèi)，張 乾，周 武

(長(zhǎng)江科學(xué)院武漢長(zhǎng)澳大地工程有限公司，武漢 430010)

1 研究背景

振弦式傳感器是一種通過(guò)測(cè)量振弦的振動(dòng)頻率并經(jīng)換算得到相應(yīng)被測(cè)壓力的頻率型傳感器，其振弦的振動(dòng)頻率有隨其所受壓力的改變而改變的特性。該種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、可靠性及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在大壩、橋梁、地鐵、煤礦、基坑等工程安全監(jiān)測(cè)中被廣泛地用于應(yīng)力應(yīng)變、變形、滲流、液位、溫度等自動(dòng)化測(cè)量中。但是，目前已有的測(cè)量系統(tǒng)都沒(méi)有考慮施工期對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)要求，因此，在施工期中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本上都只能靠測(cè)量人員每天多次去施工現(xiàn)場(chǎng)將讀數(shù)儀與傳感器連接后讀取，特別是在施工現(xiàn)場(chǎng)面臨重大施工條件改變，或遭遇到渡汛、地震等異常情況下，需要對(duì)全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密觀測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員工作量十分巨大。同時(shí)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)較為復(fù)雜，傳感器埋設(shè)的位置又各不相同，因此，還存在登高、涉水等安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測(cè)讀系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱測(cè)讀系統(tǒng))，該系統(tǒng)可快速地完成水利工程施工過(guò)程中大壩監(jiān)測(cè)儀器觀測(cè)信息的非接觸式遠(yuǎn)程采集，實(shí)時(shí)跟蹤水利工程施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化;具有測(cè)量精度高、功耗低、性能穩(wěn)定、使用方便、安裝靈活、減輕使用者勞動(dòng)強(qiáng)度、降低建設(shè)和維護(hù)成本、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可完整地實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目在施工期和使用期對(duì)施工對(duì)象進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際需求，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測(cè)讀系統(tǒng)主要用于工程施工期對(duì)振弦式傳感器的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)由前端采集器及手持機(jī)2部分組成，如圖1。在施工期時(shí)，將前端采集器安裝在施工過(guò)程中埋設(shè)的振弦式傳感器附近，前端采集器將按照設(shè)置的程序，自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。在此期間，相關(guān)人員可通過(guò)攜帶手持式采集器到施工現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)需將傳感器與讀數(shù)儀連接，遠(yuǎn)距離(可達(dá)100 m距離)即可完成對(duì)施工期埋設(shè)的振弦傳感器數(shù)據(jù)的收集，并可通過(guò)手持機(jī)的USB接口將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理。

前端采集器由低功耗的處理器、采集電路、無(wú)線收發(fā)模塊和必要的軟件等組成，主要完成對(duì)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、響應(yīng)手持機(jī)的傳輸命令將數(shù)據(jù)發(fā)送。

手持機(jī)主要由手持機(jī)主體、無(wú)線收發(fā)模塊、硬件接口和必要的軟件組成，界面為240×320全點(diǎn)陣16位真彩液晶觸摸屏，能滿足用戶輸入漢字、ASCLL碼或數(shù)值，具有翻頁(yè)、數(shù)值增加、減少，數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能。

圖1 測(cè)讀系統(tǒng)的采集器及手持機(jī)實(shí)物Fig.1 Photo of front acquisition and handled collector

手持機(jī)采用電池供電，使用時(shí)由工作人員攜帶到現(xiàn)場(chǎng)，隨機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的前端采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，工作人員可根據(jù)采集需要，在手持機(jī)按鍵上按下相應(yīng)數(shù)字，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)前端采集器發(fā)出采集命令，然后接收來(lái)自前端采集器的最新數(shù)據(jù)或批量數(shù)據(jù)，手持機(jī)每次只對(duì)某一特定的前端采集器工作，且手持機(jī)與該前端采集器的通視直線距離可達(dá)100 m。微功耗測(cè)讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測(cè)讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the monitoring system of vibrating wire sensor with micro-power consumption based on wireless network

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)讀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

振弦傳感器測(cè)量路數(shù):2路。

振弦激勵(lì)范圍:400～6 000 Hz，5 V矩形波。

振弦測(cè)量分辨率:0.01 Hz。

振弦測(cè)量精度:0.05 Hz。

溫度測(cè)量范圍:－50℃～+150℃。

溫度測(cè)量分辨率:0.1℃。

溫度測(cè)量精度:0.1%FSR。

一臺(tái)手持機(jī)支持前端采集器最大數(shù)目:300。

每臺(tái)前端采集器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量:大于1 000條記錄。

手持機(jī)采集距離:與采集器的直線距離可達(dá)100 m(手持機(jī)選用LX480-10-SMA天線)。

3.2 測(cè)讀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

測(cè)讀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括采集器的設(shè)計(jì)和手持機(jī)的改造工作。

采集器的設(shè)計(jì)主要包括測(cè)量單元電路、低功耗的單片機(jī)電路、無(wú)線收發(fā)模塊、電源以及其他電路的硬件設(shè)計(jì)。

手持機(jī)的硬件改造主要是在原有手持機(jī)的基礎(chǔ)上加裝無(wú)線收發(fā)模塊及外圍電路。

3.2.1 測(cè)量單元電路

振弦式傳感器是根據(jù)其諧振頻率與所受的壓力存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系而工作的，要使振弦式傳感器輸出頻率信號(hào)，首先要通過(guò)激振電路對(duì)弦進(jìn)行激勵(lì)和拾振。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，激振和拾振計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔應(yīng)＞10 ms，以保證測(cè)量的頻率基本為共振頻率;振弦式傳感器起振后輸出信號(hào)幅值極低，其值多在300μV～1 mV之間，且是衰減的，持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1 s，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高增益放大器［1］將信號(hào)放大到處理器接口所需的3V;其次，受不同應(yīng)力的影響，傳感器產(chǎn)生的固有振動(dòng)頻率有較大的變化，還要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的高階有源帶通濾波器，確保檢測(cè)到的信號(hào)是振弦的固有頻率，另外，在微小有用信號(hào)放大的同時(shí)，高次諧波、低頻駐波及噪聲、電源紋波都有可能同時(shí)放大，為了保證處理器能準(zhǔn)確接收到振弦的固有頻率，還需要將放大后的信號(hào)進(jìn)行整形［2］。

另外，由于振弦和它的支座所用的材料的線膨脹系數(shù)不同，因此在溫度升降時(shí)頻率會(huì)發(fā)生變化，需要測(cè)量傳感器的溫度來(lái)對(duì)測(cè)量的頻率進(jìn)行修正［3］。為此，實(shí)際應(yīng)用的振弦式傳感器測(cè)量單元電路硬件包括激振電路、測(cè)振電路、頻率信號(hào)調(diào)理電路、測(cè)溫電路等。

3.2.2 低功耗的電路設(shè)計(jì)

測(cè)讀系統(tǒng)的采集器是一種無(wú)人值守、采用電池供電且長(zhǎng)期工作在施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備［4］，因此，對(duì)采集器電路的功耗的設(shè)計(jì)尤為重要。在低功耗的硬件設(shè)計(jì)方面我們主要采取了以下措施:

(1)選用高性能、低功耗、豐富的接口和外設(shè)功能的MSP430F5438單片機(jī)，注意處理器的活動(dòng)模式和休眠模式下的功耗數(shù)據(jù)。

(2)所有電子元器件盡量選用低功耗器件，減少元件自身功耗。

(3)實(shí)驗(yàn)表明，采集電路及一些與測(cè)量電路相銜接的外圍電路功耗占系統(tǒng)功耗的90%以上，為了最大限度地減少該部分的功耗，我們專門(mén)設(shè)計(jì)了一套電源切換電路，只有當(dāng)測(cè)讀系統(tǒng)進(jìn)行采集的時(shí)候，該部分電路才開(kāi)始上電工作，極大地減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

3.2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

為了方便電路設(shè)計(jì)，無(wú)線收發(fā)模塊采用市場(chǎng)成熟的NRF905無(wú)線模塊(PTR8000+)，該模塊采用三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國(guó)際通用的ISM頻段433/868/915MHz GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好，靈敏度高，達(dá)到－100 dBm低工作電壓(2.7 V)，功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為1 uA，可滿足低功耗設(shè)備的要求最大發(fā)射功率達(dá) +10 dBm，具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合，工作速率最高可達(dá)76.8 kbps。

3.3 測(cè)讀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.3.1 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器軟件設(shè)計(jì)除要考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)外，還需要重點(diǎn)考慮功耗的問(wèn)題，為了保證采集器在電池供電的情況下能長(zhǎng)期工作，前端采集器采取了平時(shí)休眠、定時(shí)工作的方式，定時(shí)方式分為如下2種:

(1)通信喚醒方式。前端采集器內(nèi)處理器平常休眠，當(dāng)無(wú)線收發(fā)模塊接收到手持機(jī)請(qǐng)求信號(hào)被喚醒后，啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)喚醒處理器，處理器根據(jù)通信命令要求，啟動(dòng)程序接收新的參數(shù)，或?qū)⒋鎯?chǔ)器里面的最新數(shù)據(jù)、批量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給手持機(jī)。

圖3 采集器軟件框圖Fig.3 Block diagram of front acquisition software

(2)定時(shí)喚醒方式。每到特定時(shí)間(4，8，12，24，48，72，144 h 等)，處理器中斷喚醒，喚醒后首先將采集電路上電，完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集器軟件框圖如圖3。持機(jī)一次最多可與現(xiàn)場(chǎng)300個(gè)前端采集器通信(亦可調(diào)入其他DBF文件，完成對(duì)其他前端采集器的通信)，通信方式為無(wú)線433 MHz，采集后的數(shù)據(jù)可暫存在手持機(jī)內(nèi)，亦可通過(guò)手持機(jī)的USB接口將手持機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至外部計(jì)算機(jī)。

按照設(shè)計(jì)約定，手持機(jī)采用DBF文件完成對(duì)前端采集器的記錄，DBF文件包括傳感器定義DBF文件和傳感器數(shù)據(jù)記錄DBF文件。

傳感器定義DBF文件最大記錄條數(shù)為300條(與300個(gè)傳感器對(duì)應(yīng))，該DBF文件分為5列，每列分別是記錄號(hào)REC(數(shù)值)、傳感器編號(hào)SID(數(shù)值)、傳感器設(shè)計(jì)編號(hào)DSN(≤10個(gè)漢字或20個(gè)數(shù)值或ASCLL碼)、傳感器安裝部位POS(≤20個(gè)漢字或40個(gè)數(shù)值或ASCLL碼)、操作人編號(hào)PER(10位ASCLL碼)。

傳感器數(shù)據(jù)記錄DBF文件中每個(gè)傳感器的最大記錄條數(shù)為1 024條，該DBF文件分為6列，每列分別是記錄號(hào)REC(數(shù)值)、傳感器編號(hào)SID(數(shù)值)、頻率數(shù)據(jù) FRE(浮點(diǎn)數(shù)，范圍6 000.00～400.00 Hz，2 位小數(shù))、溫度數(shù)據(jù) TEM(浮點(diǎn)數(shù)，+80.0～－20.0℃，帶符號(hào)，1 位小數(shù))、電壓數(shù)據(jù) VOL(浮點(diǎn)數(shù)，5.0～2.0 V，1位小數(shù));時(shí)間數(shù)據(jù)TIM(年、月、日、時(shí)、分，時(shí)間字符串)。

手持機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)菜單和工作菜單，系統(tǒng)菜單包括:運(yùn)行程序、選擇程序、文件管理、連接電腦、系統(tǒng)設(shè)置、功能測(cè)試、設(shè)置密碼、用戶資料、系統(tǒng)信息等。工作菜單包含:位置定義、數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢及系統(tǒng)幫助等。手持機(jī)操作界面如圖4。

3.4 通信的實(shí)現(xiàn)

就系統(tǒng)通信而言，由于廣州市創(chuàng)倫電子科技有限公司已經(jīng)提供了CL998數(shù)據(jù)采集器與PC機(jī)通信的通訊管理器軟件，因此，本節(jié)所談及的通信特指手持機(jī)與前端采集器之間通信。

通信命令的初始發(fā)起者始終為手持機(jī)，前端采集器只是被動(dòng)的接收命令，并根據(jù)接收的命令將數(shù)據(jù)或應(yīng)答發(fā)給手持機(jī)。

通信命令可分為讀取命令和寫(xiě)入命令2類:

(1)數(shù)據(jù)讀取命令過(guò)程。首先由手持機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)讀取命令，當(dāng)前端采集器的無(wú)線收發(fā)模塊接收到通信命令后，將喚醒處理器，當(dāng)處理器將手持機(jī)命令地址與本采集器地址比較后，如果相符，處理器按照接收到的命令格式(手持機(jī)數(shù)據(jù)讀取命令過(guò)程中包含需讀取數(shù)據(jù)的傳感器編號(hào)，命令類型、數(shù)據(jù)記錄起始號(hào)、讀取數(shù)據(jù)數(shù)量、校驗(yàn)碼等)，將存儲(chǔ)在采集器內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給手持機(jī)(采集器發(fā)出的命令中包含傳感器編號(hào)，命令類型、從數(shù)據(jù)記錄起始號(hào)至數(shù)據(jù)記錄終止號(hào)之間的頻率;溫度及電壓的全部數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼等)，手持機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，如經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“通信成功提示畫(huà)面”，如校驗(yàn)有誤或延遲5 s后仍未收到數(shù)據(jù)，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“通信失敗提示畫(huà)面”。

采集器發(fā)出數(shù)據(jù)后，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次命令。

(2)采集器參數(shù)修改命令。命令同樣首先由手持機(jī)發(fā)起，采集器接收到該命令后，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后后，按照接收到的命令格式(手持機(jī)采集器參數(shù)修改命令包含需修改參數(shù)的傳感器編號(hào)，命令類型、新的采集周期、新的時(shí)鐘時(shí)間、校驗(yàn)碼等)，自動(dòng)修改自身的采集周期及內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)間，修改完成后，返回OK命令給手持機(jī)(采集器發(fā)出的OK命令中包含傳感器編號(hào)，命令類型、OK字符、校驗(yàn)碼等)，如手持機(jī)接收到OK命令，如經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“參數(shù)設(shè)置成功提示畫(huà)面”，如校驗(yàn)有誤或延遲5 s后仍未收到數(shù)據(jù)，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“通信失敗提示畫(huà)面”。

表1 不同壓力值下采集器、讀數(shù)儀測(cè)讀頻率對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison of the frequencies measured by the collector and the reader with different pressure values

采集器發(fā)出OK命令后，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次命令。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1 頻率精度測(cè)試

為了進(jìn)一步證實(shí)測(cè)讀系統(tǒng)的采集精度是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我們采用北京soil公司W(wǎng)9型滲壓計(jì)，通過(guò)在壓力試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)滲壓計(jì)多次作用不同壓力值，將測(cè)讀系統(tǒng)的采集器與北京基康BGK－408型讀數(shù)儀的頻率讀數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)讀系統(tǒng)的采集精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 距離測(cè)試

我們通過(guò)對(duì)手持機(jī)選配LX480－5－SMA和LX480－10－SMA 2種天線，用手持機(jī)對(duì)采集器保存的數(shù)據(jù)在空曠場(chǎng)地的2個(gè)不同距離均進(jìn)行10次讀取測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2所示。

表2 不同距離下的數(shù)據(jù)接收成功率Table 2 Success rates of data reception with different distances

從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)讀系統(tǒng)的測(cè)讀距離完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)運(yùn)用成熟可靠的振弦式傳感器測(cè)量方法，結(jié)合無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗設(shè)計(jì)，整體功耗極低，解決了施工期施工現(xiàn)場(chǎng)較難敷設(shè)電纜的問(wèn)題，采用密封防水保護(hù)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安裝靈活，移動(dòng)方便，應(yīng)用范圍廣，既可作為施工期臨時(shí)使用，也可在施工期結(jié)束后長(zhǎng)期使用。

通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地將抄表測(cè)讀的概念引入到振弦式傳感器采集系統(tǒng)，通過(guò)手持式采集器很好地解決了傳統(tǒng)有線測(cè)量系統(tǒng)和其他類無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法完成的施工期對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的要求，完整地實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目在施工期和使用期對(duì)施工對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需要。

本技術(shù)于2013年取得國(guó)家專利局實(shí)用新型專利，專利號(hào):201320006417X，目前已經(jīng)投入小規(guī)模生產(chǎn)，并將陸續(xù)在一些水利工程中試用。該技術(shù)的研發(fā)對(duì)于提高現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)水平和科研開(kāi)發(fā)都具有十分重要的意義，其技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)具有一定的推廣示范作用。

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