一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電容式靜力水準(zhǔn)儀研制

蔡立艮，周春華，戎曉力，盧 浩

（1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007）

靜力水準(zhǔn)儀是用于測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降的精密儀器，主要用于大型建筑物如水電站廠、大壩、高層建筑物、核電站、水利樞紐工程巖體等各測(cè)點(diǎn)不均勻沉降的測(cè)量。地鐵等城市地下工程施工往往下穿既有建筑、地鐵隧道或天然氣、自來水管線等，對(duì)施工引起的不均勻沉降有嚴(yán)格的控制要求，因此也逐漸引入靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法[1]。

靜力水準(zhǔn)儀的傳感部分實(shí)際上測(cè)量的是垂直位移量，因此各類長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、測(cè)量精度滿足要求的位移測(cè)量手段均可用于靜力水準(zhǔn)儀。目前常用的靜力水準(zhǔn)儀有CCD、差動(dòng)變壓器（LVDT）、超聲波和磁致伸縮等原理類型[2-4]。

與核電站、大壩等長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的長(zhǎng)期沉降健康監(jiān)測(cè)相比，城市地下工程施工期沉降監(jiān)測(cè)周期通常僅為數(shù)月，因此本文提出一種低功耗的電容式靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量方案，該靜力水準(zhǔn)儀采用電池供電和無線數(shù)據(jù)傳輸，安裝時(shí)無需布線，且在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)不需要更換電池，節(jié)省了施工工作量和成本，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 靜力水準(zhǔn)儀工作原理

靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理如圖1所示[5]，相連的2個(gè)容器1與2（實(shí)際工程中，一般為多個(gè)容器，其中一個(gè)作為基準(zhǔn)）分別安裝在待測(cè)平面A、B上，當(dāng)連接兩容器中的介質(zhì)是均勻液體（即同類并具有同樣參數(shù)）時(shí)，液體的自由表面處于同一水平。它們的高差Δh為

式中：H1、H2為容器內(nèi)液面相對(duì)于工作底面的高度；a1、a2為容器的高度或讀數(shù)零點(diǎn)相對(duì)于工作底面的位置；b1、b2為容器中液面位置的讀數(shù)值，即讀數(shù)零點(diǎn)至液面的距離。對(duì)于一般工程測(cè)量，如果忽略儀器的制造誤差，則 a1=a2，式（1）就變?yōu)?/p>

2個(gè)平面的高差僅僅取決于容器的液位高度，測(cè)得液位高度就可以獲得高差。根據(jù)這一原理，可將平面的沉降問題，用測(cè)量液位的方法解決。

圖1 靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram of hydrostatic eveling

2 系統(tǒng)組成

靜力水準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)主要由無線靜力水準(zhǔn)儀、數(shù)據(jù)采集記錄儀及其室外天線和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 靜力水準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.2 Test system diagram of hydrostatic leveling

無線靜力水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)測(cè)量采用電容式位移計(jì)，數(shù)據(jù)通信采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。由于采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，無線靜力水準(zhǔn)儀由電池供電，因此僅需要在靜力水準(zhǔn)儀間安裝連通管，而不需要布設(shè)供電與通信電纜，與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀相比，節(jié)省了施工費(fèi)用，提高了可靠性。

室外天線與靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行無線通信，下發(fā)控制參數(shù)和回收測(cè)試數(shù)據(jù)。室外天線與數(shù)據(jù)采集記錄儀之間通過RS485總線進(jìn)行通信，當(dāng)靜力水準(zhǔn)儀布設(shè)在地下工程隧道內(nèi)時(shí)，天線可沿隧道串行布設(shè)。

數(shù)據(jù)采集記錄儀通過室外天線和無線靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，回收無線靜力水準(zhǔn)儀采集的數(shù)據(jù)、對(duì)無線靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)采集記錄儀將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器將數(shù)據(jù)采集記錄儀上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)與顯示，并通過Internet將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控量測(cè)單位進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 電容式靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

靜力水準(zhǔn)儀位移測(cè)量采用電容式位移測(cè)量技術(shù)，水準(zhǔn)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。水準(zhǔn)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成部分有電容A極、電容B極、浮子、導(dǎo)向套和殼體。電容A極為外敷絕緣層的紫銅棒，電容B極為外敷絕緣層的紫銅管，浮子、導(dǎo)向套和殼體均為不銹鋼材料。電容A極和B極同心且之間存在一定空隙，A極和B極之間的電容為

式中：RA為A極的外徑；RB為B極的外徑；ε0為真空介電常數(shù)；εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；L為A、B極軸向重合部分的長(zhǎng)度。由式（3）可見，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)完成的水準(zhǔn)儀，式（3）的右邊表達(dá)式中除L外均為常量，即A、B極之間的電容與重合長(zhǎng)度L成正比。浮子的上部為屏蔽管，中部為浮子，下部為導(dǎo)向內(nèi)筒，當(dāng)浮子隨著水準(zhǔn)儀殼體內(nèi)的水位上下移動(dòng)時(shí)，屏蔽管在電容A、B極之間上下移動(dòng)，從而引起A、B極之間有效重合長(zhǎng)度L的改變，這樣通過測(cè)量A、B極之間的電容值即可得到水準(zhǔn)儀內(nèi)的水位。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Mechanical structure diagram of hydrostatic leveling

3.2 水準(zhǔn)儀測(cè)量及通信電路設(shè)計(jì)

水準(zhǔn)儀測(cè)量電路原理如圖4所示，由于水準(zhǔn)儀電容非常微小，僅幾個(gè)皮法，若采用傳統(tǒng)的分立式解決方案，則成本高、功耗大、設(shè)計(jì)困難，并且很難達(dá)到較高的測(cè)量精度和低功耗的設(shè)計(jì)要求，因此水準(zhǔn)儀電容的測(cè)量采用單片集成的芯片AD7746。

圖4 水準(zhǔn)儀測(cè)量電路原理Fig.4 Circuit schematic diagram of hydrostatic leveling

AD7746是美國(guó)模擬器件公司的產(chǎn)品，是完全集成的電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器CDC（capacitance-to-digital converter）[9]，AD7746將先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與高集成度制造工藝相結(jié)合，在一顆芯片上集成了電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換的所有電路，提供了高精度、超低功耗的電容測(cè)量，非常適合水準(zhǔn)儀中微小電容量的檢測(cè)。AD7746通過自帶的I2C總線和微處理器MSP430F1232通信，接收來自微處理器的控制信息并將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳給微處理器。

水準(zhǔn)儀測(cè)量電路采用TI公司出品的MSP430F1232單片機(jī)作為主控微處理器[6]。水準(zhǔn)儀測(cè)量電路中微處理器的任務(wù)非常簡(jiǎn)單，因此微控制器的選型主要考察其低功耗特性。TI公司出品的MSP430系列16位單片機(jī)是業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)秀超低功耗單片機(jī)，其電源電壓在1.8 V～3.6 V，非常適合電池供電；待機(jī)電流小于1 μA，在RAM數(shù)據(jù)保持時(shí)耗電僅0.1 μA，活動(dòng)模式時(shí)耗電250 μA/MIPS；其時(shí)鐘系統(tǒng)包括2個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)，基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)系統(tǒng)，由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各種功能模塊所需的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。

為了達(dá)到低功耗的要求，水準(zhǔn)儀測(cè)量工作在間歇模式，即測(cè)量和通信電路通常處于休眠狀態(tài)，按照設(shè)定的時(shí)間間隔激活測(cè)量和通信?；魻栭_關(guān)的作用在于當(dāng)需要人為激活測(cè)量和通信功能時(shí)可利用霍爾開關(guān)進(jìn)行功能激活，霍爾開關(guān)選用美國(guó)Allegro Microsystems公司生產(chǎn)的微功耗霍爾開關(guān)芯片A3212，A3212的平均功耗僅為 15 μW。

靜力水準(zhǔn)儀和數(shù)據(jù)采集記錄儀的通信采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域。無線通信單元采用ZICM2410模塊（美國(guó)CEL公司的MeshConnectTM模塊），ZICM2410模塊的內(nèi)核芯片ZIC2410是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器（帶有內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器）組成，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)高性能、低成本的射頻收發(fā)方案。

3.3 室外天線

室外天線實(shí)際上是一個(gè)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和RS485接口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將水準(zhǔn)儀傳輸?shù)臒o線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485后傳送給數(shù)據(jù)采集記錄儀，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集記錄儀下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)換成ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其組成如圖5所示。

圖5 室外天線電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of outdoor antenna

3.4 數(shù)據(jù)采集記錄儀

數(shù)據(jù)采集記錄儀原理如圖6所示。數(shù)據(jù)采集記錄儀組成主要有8路下位RS485接口、1路上位RS485接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LED指示和帶電池備份的電源系統(tǒng)。

圖6 數(shù)據(jù)采集記錄儀原理圖Fig.6 Block diagram of data acquisition and recording device

8路下位RS485接口和室外天線通信，接收來自無線靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的下發(fā)，設(shè)計(jì)多路接口是為了保證靜力水準(zhǔn)儀數(shù)量很多情況下通信的可靠性。8路下位RS485接口前端設(shè)計(jì)有防雷電路。

1路上位RS485接口和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通信，將來自靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，并接收來自數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的控制指令。8路LED燈指示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集記錄儀的工作狀態(tài)，便于維修人員進(jìn)行故障診斷。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)采集記錄儀設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和帶電池備份的電源系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器因感染病毒、網(wǎng)絡(luò)癱瘓等原因停止工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集記錄儀自動(dòng)將來自無線靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)加上時(shí)間戳并進(jìn)行本地保存，待數(shù)據(jù)采集服務(wù)器正常工作時(shí)再將本地?cái)?shù)據(jù)上傳；數(shù)據(jù)采集記錄儀電源采用雙電源供電，可在正常供電時(shí)外加一路蓄電池供電，當(dāng)發(fā)生電力故障時(shí)，蓄電池可繼續(xù)維持?jǐn)?shù)據(jù)采集記錄儀的工作。

數(shù)據(jù)采集記錄儀對(duì)微處理器的要求相對(duì)較高，共達(dá)9路的RS485通信對(duì)微處理器的內(nèi)存空間、指令執(zhí)行速度、中斷能力和調(diào)度策略均提出了一定的要求。數(shù)據(jù)采集記錄儀采用了TI公司的LM3S1601微控制器[7]，LM3S1601微控制器基于ARM?CortexTMM3，其最高處理速度50 MHz，具有256 KB FLASH程序存儲(chǔ)空間、64 KB RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和極快的中斷處理能力，完全滿足數(shù)據(jù)采集儀的要求。LM3S1601微控制器片上有3路片上UART，其余6路UART由多個(gè)SC16IS752芯片擴(kuò)展。

4 系統(tǒng)標(biāo)定與應(yīng)用

標(biāo)定試驗(yàn)在位移標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行，將圖3中的電容A級(jí)和B級(jí)固定在位移標(biāo)定架的一端，浮子固定在位移標(biāo)定架的活動(dòng)部分并與電容測(cè)量電路的地線連接。調(diào)整位移架的位移標(biāo)定距離，并比較電容測(cè)量電路輸出值 （AD7746進(jìn)行電容測(cè)量并輸出的與電容值成比例的AD轉(zhuǎn)換值）和游標(biāo)卡尺的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示。

根據(jù)該表，采用最小二乘法可求得由AD7746輸出值轉(zhuǎn)換到實(shí)際位移的靈敏系數(shù)如式（4）所示。

式中：X為 AD7746輸出值；Y為位移值；A為113.4；B 為-1.43133×10-5。

表1 位移測(cè)量標(biāo)定結(jié)果表Tab.1 Result table of displacement calibration

根據(jù)系數(shù)計(jì)算測(cè)量值可得到位移測(cè)量的誤差，如表2所示。

表2 測(cè)量值誤差分析表Tab.2 Error analysis table of test data

最大誤差不超過0.1 mm?？梢詽M足部分地下工程沉降監(jiān)測(cè)的需要。研制的水準(zhǔn)儀在南京地鐵某工程施工中進(jìn)行了研究性試用，靜力水準(zhǔn)儀與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 人工與靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較圖Fig.7 Comparison diagram of the monitoring data form hydrostatic leveling and man-made

由圖可見，靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不超過0.05 mm，應(yīng)用情況良好。

5 結(jié)語

論文研制的電容式靜力水準(zhǔn)儀功耗低，可以采用電池供電和無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，減少了現(xiàn)場(chǎng)布線成本，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性，十分適合施工期沉降監(jiān)測(cè)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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