无线固定式测斜系统设计

2017-07-12钟海丽任晓周任桂香唐立军

电子设计工程 2017年12期

关键词：接收端倾角无线

钟海丽，任晓周，任桂香，唐立军

（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 410114；2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙 410114）

无线固定式测斜系统设计

钟海丽1，2，任晓周1，2，任桂香1，2，唐立军1，2

（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 410114；2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙 410114）

针对大坝、桥梁等工程长时间监测不便等问题，结合无线传输和传感器技术，研究一种无线固定式测斜系统，实现对工程高精度的稳定监测。该系统结合2.4 GHz无线收发器芯片和MEMS双轴倾角传感器，采用多独立节点、长跨度的结构，各节点独立采集、独立计算、分别发送，监测端通过无线方式统一接收数据。经实际测试，该系统固定角度测量相对误差小于0.2%，±30°测量范围内线性度良好，测试过程中数据传输稳定可靠。适用于水利大坝、桥梁、建筑物的水平位移和沉降位移监测。

无线传输；倾角传感器；测斜系统；工程监测

许多建筑物、大坝堤防、桥梁都存在结构稳定性的问题[1]，若不及时进行工程健康监测，发生事故则会给国民经济和生命财产造成严重损失。据统计仅2015年，全国就发生房屋安全事故442起，同时我国的水库大坝险情也十分严峻。

在这些工程健康安全监测中水平位移和沉降位移的监测至关重要[2]，传统的测斜需要通过现场测量和人工记录数据，不仅耗费人力且操作复杂。后来出现的自动测斜仪虽然解决了人工测量的诸多不足[3-4]，但其通过线缆来实现测点和监测站的数据实时通讯和传输的方式成本高且使用复杂，同时通讯接口易受灰土渣的堵塞影响和雨水的浸透侵蚀[5]，给系统的安全性和稳定性带来挑战。

针对现有测斜系统长时间测量不便的问题，探索一种无线传输可用于长时间监测的固定式测斜系统。

1 系统整体结构

大坝、建筑物、桥梁等工程跨度大、结构多样化，为了实现对其水平位移和沉降位移的监测，该系统测量节点采用分段式设计结构，能最大程度的体现工程结构实际的位移变化。系统中每个节点实时采集角度数据，通过无线模块将采集和处理后的数据发到现场监测站。

测斜系统中每个节点由倾角传感器、无线收发模块和MCU控制芯片组成，倾角传感器测量每个节点XY轴向的角度并通过无线模块将数据传输到附近的监测站，MCU控制芯片负责倾角传感器的AD数据转换和无线模块的收发控制。监测站同样由MCU控制芯片和无线收发模块组成，接收各个节点的数据并进行存储和显示。系统的整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

在整个系统设计中，单个网络中最多可以实现6个节点同时向1个接收端发送数据，数据发送速率最高可达1 M。如果需要在比较广阔的地理环境中布置大量测斜仪器时，可以通过6个节点发送1个节点接收并以这1个节点为路由节点再进行2次组网的方式完成庞大监测系统中各节点的数据传输[6-8]。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括传感器数据采集部分和无线收发部分。通过MEMS传感器测量节点的XY两个轴向倾斜角度，无线收发芯片将数据发送到监测端存储和显示。

2.1 传感器数据采集模块

在考虑测斜精度和无线通信功耗的基础上，选用高精度双轴倾角传感器和低功耗主控芯片来实现测斜仪的数据采集。

倾角传感器采用芬兰VTI公司生产的SCA100T双轴倾角传感器[9]，测量范围为±90°，模拟输出分辨率为0.002 5°。采用模拟输出方式角度为0°时正常输出电压是2.5 V（跟芯片实际供电电压有关），正轴朝上时电压大于2.5V，正轴朝下时电压小于2.5V。主控芯片采用意法半导体公司生产的低功耗芯片STM32F103RBT6（以下简称 STM32），最高可达72 MHz的工作频率，拥有128 K的FLASH存储器，1个7通道DMA控制器，2个12位的AD（16通道）可供传感器数据的采集[10]。

在本设计中采用STM32的ADC1采集倾角传感器输出的电压模拟量，第8引脚PCO端口采集X轴向输出模拟量，第9引脚PC1端口采集Y轴向输出模拟量。传感器模块电路如图2所示。

图2 传感器模块电路

2.2 无线收发模块

为了满足短距离、多节点系统的通信要求，倾斜仪各节点所测量的数据与监测站之间的无线传输通过2.4 GHz无线收发器芯片nRF24L01来实现[11-12]。

nRF24L01是由NORDIC公司生产的工作在2.4~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。nRF24L01有一个显著的优点是其极低的电流消耗，发射模式下当发射功率为0 dBm时电流消耗仅为11.3 mA，接收模式下电流消耗为12.3 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

节点发射端通过STM32的GPIOA^5、GPIOA^6、GPIOA^7 分别与 nRF24L01的 SCK、MISO、MOSI相连进行时钟的控制和数据的收发，nRF24L01的CE引脚与STM32的GPIOC^4端口相连进行使能控制，nRF24L01的IRQ引脚与STM32的GPIOA^3引脚相连实现相关中断的配置和触发。由于nRF24L01需要3.3 V供电电压，所以将前面倾角传感器的5 V供电电压通过稳压电路转换为3.3 V进行供电，稳压电路图和发射端nRF24L01无线模块连接实物图如图3、图4所示。

图3 3.3V稳压电路

图4 单节点无线模块实物

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括倾角传感器输出量在DMA方式下的多通道ADC转换和nRF24L01多发一收模式的配置。

3.1MCU的多通道ADC数据采集程序

在ADC的数据采集过程中，当CPU需要处理由ADC外设采集回来的数据时，CPU首先需要把数据从ADC外设的寄存器读取到内存中再进行运算，这样在转移数据的过程中会占用CPU大量的资源，为了提高效率、更大程度的解放CPU，在本设计中采用DMA（直接存储器读取）的方式进行AD数据采集和处理[13]。

由于倾角传感器的有两个轴向的输出量，但系统选用的64脚MCU仅有两个ADC，为了方便今后的扩展，在设计中采用单ADC多通道轮流的方式进行数据采集。结合DMA直接读取和ADC多通道数据采集可以在提高效率的同时大大节省CPU的资源。

3.2 nRF24L01的收发程序

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，每一个数据通道使用不同的地址以此来区分数据来源，nRF24L01共用125个频道，但是在多发一收模式下所有的数据通道共用一个频道。也就是说6个不同的nRF24L01在发送模式下可以与一个设置为接收模式的nRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的nRF24L01可以通过不同的地址来识别6个不同的发射端[14]。

在发射端将各节点的nRF24L01无线模块配置为发送模式并赋予他们不同的地址以便在接收端进行辨识。在模块初始化时一方面要将发射节点地址写入发射地址寄存器，另一方面还要将相同的接收地址写入使能通道0以方便接收监测端发来的ACK应答信号。接下来依次进行自动重发、发射频道、增益、发射速率等参数配置，最后将使能信号CE拉高一段时间后进入发送模式。

其中要注意的是发射端的地址均为40位，一般放在5个字节大小的数组中，6个节点的地址除了第1个字节不同外，其他4个字节均可相同。如本设计中节点的地址初始化为:

在监测端将nRF24L01配置为接收模式，配置的方式与发射端相似。每个发射端的接收地址必须写入接收端的接收地址寄存器，而且接收端和发射端的频道工作频率、数据宽度、发射速率必须一致。但接收端的地址数组与发射端略有不同，接收端的第一、二个节点地址均为5个字节，与发射端相同。从第3个节点开始地址均为1个字节，与发射端对应的地址数组的第一个字节相同。以上面3个发射地址为例，则接收端地址数组应为:

以上程序实例均是针对3个发射端而言，如果需要扩展到6个，则依照以上规则增加对应的发射端和接收端的地址数组即可。发射端和接收端的软件流程如图5、图6所示:

图5 发射端程序流程

图6 接收端程序流程

4 系统测试

系统测试主要针对稳定性和线性度进行，稳定性测试除了测试系统各个节点的倾斜角度值、节点与监测站的无线传输（使用2 dB增益天线，空旷道路环境，传输距离500米）、监测站的LCD显示与存储及监测站的数据读取等功能外[15]，还要测试系统长时间稳定性。线性度测试主要测试系统的输出电压与倾斜角度的关系。

4.1 系统稳定性测试

系统功能测试达到要求后，进行时间稳定性测试。将测斜系统竖直固定在竖直墙体上保持不动，通过3个节点组成的测斜系统采集数据并向监测点发送实时数据，测试时间跨度为5天，在测试过程中每个节点每隔5分钟向监测端发送一次传感器测得的两个轴向的角度数据。测量数据见表1，图7为系统测试图。

表1的数据可知，系统对同一倾斜度的测量相对误差在0.2%以内，稳定度好、可重复性强。同时测试过程中数据的传输稳定可靠，没有出现丢包或者连接中断的情况。

4.2 系统测量线性度测试

测试仪器采用中天光正公司的ZT203ER60型精密型旋转台。测试时以XY轴向的-30°至30°为测试范围，以2°为一个单位扫描60°范围，分别记录每个位置角度值和对应的电压输出值，如图8所示。

由图8可知，趋势线的决定系数R2为0.99，即该系统输出电压和倾斜角度线性拟合程度高，系统线性度好。

5 结束语

采用2.4G无线收发芯片nRF24L01和MEMS倾角传感器SCA100T，设计实现了无线固定式测斜系统，该系统单个网络中最多可以实现6个节点同时向1个接收端发送数据，数据发送速率最高可达1 M，并可实现二次组网，实现远距离数据传输。实验室测试表明，该系统有较好的稳定性和线性度，经现场试验后，可用于水利大坝、桥梁、建筑物等工程的水平位移和沉降位移的现场监测。

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[15]刘建梁,沈三民,辛海华,刘文怡.一种基于STM32的具有断电保护机制的采集存储系统设计[J].电测与仪表，2015（10）:78-81.

The design of wireless and fixed inclinometer system

ZHONG Hai-li1，2，REN Xiao-zhou1，2，REN Gui-xiang1，2， TANG Li-jun1，2
（1.School of Physics&Electronic，Changsha University of Science&Technology，Changsha 410114，China；2.Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Electromagnetic Environments，Changsha 410114，China）

Aiming at the inconvenience-problem about long-time monitoring of dams，bridges and other projects，we have a study on fixed and wireless inclinometer system which combined with wirelesstransmission and sensor-detection technology，in order to achieve stable and high-precision monitoring on projects.The system combines 2.4 GHz wireless transceiver chip and MEMS biaxial tilt sensor，with the strcture of long-span and multiple independent nodes，each node can collects，calculates and sends independently，the monitoring terminal can

ata wirelessly.The actual test proved that the relative error of fixed-angle measurement is less than 0.2 percent，it also has a good linearity between-30°and+30°，and the data transmissionis is stable and reliable in the process of testing.So the system can be used in horizontal displacement and vertical displacement monitoring of dams，bridges and other buildings.

wireless transmission；tilt sensor；inclinometer system；project monitoring