許 衛(wèi)，張 乾，周 武

(長江科學(xué)院武漢長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測量振弦的振動頻率并經(jīng)換算得到相應(yīng)被測壓力的頻率型傳感器，其振弦的振動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)簡單、精度高、長期穩(wěn)定性好、可靠性及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此，在大壩、橋梁、地鐵、煤礦、基坑等工程安全監(jiān)測中被廣泛地用于應(yīng)力應(yīng)變、變形、滲流、液位、溫度等自動化測量中。但是，目前已有的測量系統(tǒng)都沒有考慮施工期對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時要求，因此，在施工期中，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本上都只能靠測量人員每天多次去施工現(xiàn)場將讀數(shù)儀與傳感器連接后讀取，特別是在施工現(xiàn)場面臨重大施工條件改變，或遭遇到渡汛、地震等異常情況下，需要對全部監(jiān)測點進(jìn)行加密觀測時，現(xiàn)場監(jiān)測人員工作量十分巨大。同時，由于施工現(xiàn)場較為復(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)險問題。

針對上述問題，我們設(shè)計研發(fā)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測讀系統(tǒng)(以下簡稱測讀系統(tǒng))，該系統(tǒng)可快速地完成水利工程施工過程中大壩監(jiān)測儀器觀測信息的非接觸式遠(yuǎn)程采集，實時跟蹤水利工程施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化;具有測量精度高、功耗低、性能穩(wěn)定、使用方便、安裝靈活、減輕使用者勞動強(qiáng)度、降低建設(shè)和維護(hù)成本、現(xiàn)場適應(yīng)能力強(qiáng)等特點，可完整地實現(xiàn)工程項目在施工期和使用期對施工對象進(jìn)行快速監(jiān)測的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對實際需求，我們設(shè)計的基于無線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測讀系統(tǒng)主要用于工程施工期對振弦式傳感器的數(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，將前端采集器安裝在施工過程中埋設(shè)的振弦式傳感器附近，前端采集器將按照設(shè)置的程序，自動完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和存儲。在此期間，相關(guān)人員可通過攜帶手持式采集器到施工現(xiàn)場，無需將傳感器與讀數(shù)儀連接，遠(yuǎn)距離(可達(dá)100 m距離)即可完成對施工期埋設(shè)的振弦傳感器數(shù)據(jù)的收集，并可通過手持機(jī)的USB接口將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)計算機(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、無線收發(fā)模塊和必要的軟件等組成，主要完成對傳感器實時數(shù)據(jù)的采集、存儲、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、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 測讀系統(tǒng)的采集器及手持機(jī)實物Fig.1 Photo of front acquisition and handled collector

手持機(jī)采用電池供電，使用時由工作人員攜帶到現(xiàn)場，隨機(jī)對現(xiàn)場的前端采集器的數(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，對現(xiàn)場前端采集器發(fā)出采集命令，然后接收來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。微功耗測讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于無線網(wǎng)絡(luò)的振弦式傳感器微功耗測讀系統(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)實現(xiàn)

3.1 測讀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

振弦傳感器測量路數(shù):2路。

振弦激勵范圍:400～6 000 Hz，5 V矩形波。

振弦測量分辨率:0.01 Hz。

振弦測量精度:0.05 Hz。

溫度測量范圍:－50℃～+150℃。

溫度測量分辨率:0.1℃。

溫度測量精度:0.1%FSR。

一臺手持機(jī)支持前端采集器最大數(shù)目:300。

每臺前端采集器數(shù)據(jù)存儲量: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 測讀系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn)

測讀系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括采集器的設(shè)計和手持機(jī)的改造工作。

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

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

3.2.1 測量單元電路

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應(yīng)關(guān)系而工作的，要使振弦式傳感器輸出頻率信號，首先要通過激振電路對弦進(jìn)行激勵和拾振。根據(jù)實驗得知，激振和拾振計數(shù)的時間間隔應(yīng)＞10 ms，以保證測量的頻率基本為共振頻率;振弦式傳感器起振后輸出信號幅值極低，其值多在300μV～1 mV之間，且是衰減的，持續(xù)時間一般不超過1 s，需要設(shè)計一個高增益放大器［1］將信號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)生的固有振動頻率有較大的變化，還要設(shè)計一個合理的高階有源帶通濾波器，確保檢測到的信號是振弦的固有頻率，另外，在微小有用信號放大的同時，高次諧波、低頻駐波及噪聲、電源紋波都有可能同時放大，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，因此在溫度升降時頻率會發(fā)生變化，需要測量傳感器的溫度來對測量的頻率進(jìn)行修正［3］。為此，實際應(yīng)用的振弦式傳感器測量單元電路硬件包括激振電路、測振電路、頻率信號調(diào)理電路、測溫電路等。

3.2.2 低功耗的電路設(shè)計

測讀系統(tǒng)的采集器是一種無人值守、采用電池供電且長期工作在施工現(xiàn)場的設(shè)備［4］，因此，對采集器電路的功耗的設(shè)計尤為重要。在低功耗的硬件設(shè)計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)實驗表明，采集電路及一些與測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，我們專門設(shè)計了一套電源切換電路，只有當(dāng)測讀系統(tǒng)進(jìn)行采集的時候，該部分電路才開始上電工作，極大地減少了整個系統(tǒng)的功耗。

3.2.3 無線收發(fā)模塊

為了方便電路設(shè)計，無線收發(fā)模塊采用市場成熟的NRF905無線模塊(PTR8000+)，該模塊采用三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國際通用的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，具有多個頻道(最多170個以上)，特別滿足需要多信道工作的特殊場合，工作速率最高可達(dá)76.8 kbps。

3.3 測讀系統(tǒng)的軟件設(shè)計及實現(xiàn)

3.3.1 采集器軟件設(shè)計

采集器軟件設(shè)計除要考慮系統(tǒng)功能的實現(xiàn)外，還需要重點考慮功耗的問題，為了保證采集器在電池供電的情況下能長期工作，前端采集器采取了平時休眠、定時工作的方式，定時方式分為如下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)無線收發(fā)模塊接收到手持機(jī)請求信號被喚醒后，啟動觸發(fā)信號喚醒處理器，處理器根據(jù)通信命令要求，啟動程序接收新的參數(shù)，或?qū)⒋鎯ζ骼锩娴淖钚聰?shù)據(jù)、批量數(shù)據(jù)通過無線收發(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)定時喚醒方式。每到特定時間(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，完成對傳感器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲。采集器軟件框圖如圖3。持機(jī)一次最多可與現(xiàn)場300個前端采集器通信(亦可調(diào)入其他DBF文件，完成對其他前端采集器的通信)，通信方式為無線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)存至外部計算機(jī)。

按照設(shè)計約定，手持機(jī)采用DBF文件完成對前端采集器的記錄，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個傳感器對應(yīng))，該DBF文件分為5列，每列分別是記錄號REC(數(shù)值)、傳感器編號SID(數(shù)值)、傳感器設(shè)計編號DSN(≤10個漢字或20個數(shù)值或ASCLL碼)、傳感器安裝部位POS(≤20個漢字或40個數(shù)值或ASCLL碼)、操作人編號PER(10位ASCLL碼)。

傳感器數(shù)據(jù)記錄DBF文件中每個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REC(數(shù)值)、傳感器編號SID(數(shù)值)、頻率數(shù)據(jù) FRE(浮點數(shù)，范圍6 000.00～400.00 Hz，2 位小數(shù))、溫度數(shù)據(jù) TEM(浮點數(shù)，+80.0～－20.0℃，帶符號，1 位小數(shù))、電壓數(shù)據(jù) VOL(浮點數(shù)，5.0～2.0 V，1位小數(shù));時間數(shù)據(jù)TIM(年、月、日、時、分，時間字符串)。

手持機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計可分為系統(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入命令2類:

(1)數(shù)據(jù)讀取命令過程。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)讀取命令過程中包含需讀取數(shù)據(jù)的傳感器編號，命令類型、數(shù)據(jù)記錄起始號、讀取數(shù)據(jù)數(shù)量、校驗碼等)，將存儲在采集器內(nèi)的測量數(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，命令類型、從數(shù)據(jù)記錄起始號至數(shù)據(jù)記錄終止號之間的頻率;溫度及電壓的全部數(shù)據(jù)、校驗碼等)，手持機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，如經(jīng)校驗無誤后，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“通信成功提示畫面”，如校驗有誤或延遲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)校驗無誤后后，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，命令類型、新的采集周期、新的時鐘時間、校驗碼等)，自動修改自身的采集周期及內(nèi)部時鐘時間，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，命令類型、OK字符、校驗碼等)，如手持機(jī)接收到OK命令，如經(jīng)校驗無誤后，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“參數(shù)設(shè)置成功提示畫面”，如校驗有誤或延遲5 s后仍未收到數(shù)據(jù)，則在手持機(jī)的屏幕上顯示“通信失敗提示畫面”。

表1 不同壓力值下采集器、讀數(shù)儀測讀頻率對比結(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 測試數(shù)據(jù)

4.1 頻率精度測試

為了進(jìn)一步證實測讀系統(tǒng)的采集精度是否能達(dá)到設(shè)計要求，我們采用北京soil公司W(wǎng)9型滲壓計，通過在壓力試驗臺上對滲壓計多次作用不同壓力值，將測讀系統(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)行比對測試，測試結(jié)果如表1所示。

從測試結(jié)果可以看出，測讀系統(tǒng)的采集精度完全滿足設(shè)計要求。

4.2 距離測試

我們通過對手持機(jī)選配LX480－5－SMA和LX480－10－SMA 2種天線，用手持機(jī)對采集器保存的數(shù)據(jù)在空曠場地的2個不同距離均進(jìn)行10次讀取測試，實驗結(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

從測試結(jié)果可以看出，測讀系統(tǒng)的測讀距離完全滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

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

通過創(chuàng)新設(shè)計，創(chuàng)造性地將抄表測讀的概念引入到振弦式傳感器采集系統(tǒng)，通過手持式采集器很好地解決了傳統(tǒng)有線測量系統(tǒng)和其他類無線測量系統(tǒng)無法完成的施工期對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的要求，完整地實現(xiàn)了工程項目在施工期和使用期對施工對象進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測的需要。

本技術(shù)于2013年取得國家專利局實用新型專利，專利號: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)對于提高現(xiàn)有的安全監(jiān)測水平和科研開發(fā)都具有十分重要的意義，其技術(shù)在全國范圍內(nèi)具有一定的推廣示范作用。

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［2］楊興明，何清平，張培仁.遠(yuǎn)程振弦式傳感器測量模塊系統(tǒng)設(shè)計用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011 30(1):94－96.(YANGXing-ming，HEQing-ping，ZHANGPei-ren.Design of Remote Measurement Module System Based on Vibrating Wire Sensor［J］.Chinese Journal of Transducer and Microsystem Technology，2011，30(1):94－ 96.(in Chinese))

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