一種基于無線傳感網絡的電容式靜力水準儀研制

蔡立艮，周春華，戎曉力，盧 浩

（1.中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，南京 210007；2.中國人民解放軍理工大學 野戰工程學院，南京 210007）

靜力水準儀是用于測量各個測點的相對沉降的精密儀器，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點不均勻沉降的測量。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，對施工引起的不均勻沉降有嚴格的控制要求，因此也逐漸引入靜力水準測量方法[1]。

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

與核電站、大壩等長達數年的長期沉降健康監測相比，城市地下工程施工期沉降監測周期通常僅為數月，因此本文提出一種低功耗的電容式靜力水準儀測量方案，該靜力水準儀采用電池供電和無線數據傳輸，安裝時無需布線，且在整個監測周期內不需要更換電池，節省了施工工作量和成本，同時也提高了系統的可靠性。

1 靜力水準儀工作原理

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

式中：H1、H2為容器內液面相對于工作底面的高度；a1、a2為容器的高度或讀數零點相對于工作底面的位置；b1、b2為容器中液面位置的讀數值，即讀數零點至液面的距離。對于一般工程測量，如果忽略儀器的制造誤差，則 a1=a2，式（1）就變為

2個平面的高差僅僅取決于容器的液位高度，測得液位高度就可以獲得高差。根據這一原理，可將平面的沉降問題，用測量液位的方法解決。

圖1 靜力水準儀測量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram of hydrostatic eveling

2 系統組成

靜力水準測試系統主要由無線靜力水準儀、數據采集記錄儀及其室外天線和數據采集服務器組成，系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 靜力水準測試系統圖Fig.2 Test system diagram of hydrostatic leveling

無線靜力水準儀的水準測量采用電容式位移計，數據通信采用ZigBee無線傳感網絡。由于采用低功耗設計技術，無線靜力水準儀由電池供電，因此僅需要在靜力水準儀間安裝連通管，而不需要布設供電與通信電纜，與傳統靜力水準儀相比，節省了施工費用，提高了可靠性。

室外天線與靜力水準儀進行無線通信，下發控制參數和回收測試數據。室外天線與數據采集記錄儀之間通過RS485總線進行通信，當靜力水準儀布設在地下工程隧道內時，天線可沿隧道串行布設。

數據采集記錄儀通過室外天線和無線靜力水準儀進行數據通信，回收無線靜力水準儀采集的數據、對無線靜力水準儀進行參數設置。數據采集記錄儀將采集到的數據進行本地存儲，同時將數據傳送給數據采集服務器。

數據采集服務器將數據采集記錄儀上傳的數據進行本地存儲與顯示，并通過Internet將數據發送給監控量測單位進行遠程實時監控。

3 設計方案

3.1 電容式靜力水準儀結構與測量原理

靜力水準儀位移測量采用電容式位移測量技術，水準儀機械結構示意圖如圖3所示。水準儀機械結構的主要組成部分有電容A極、電容B極、浮子、導向套和殼體。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；εr為介質相對介電常數；L為A、B極軸向重合部分的長度。由式（3）可見，對于一個設計完成的水準儀，式（3）的右邊表達式中除L外均為常量，即A、B極之間的電容與重合長度L成正比。浮子的上部為屏蔽管，中部為浮子，下部為導向內筒，當浮子隨著水準儀殼體內的水位上下移動時，屏蔽管在電容A、B極之間上下移動，從而引起A、B極之間有效重合長度L的改變，這樣通過測量A、B極之間的電容值即可得到水準儀內的水位。

圖3 靜力水準儀機械結構示意圖Fig.3 Mechanical structure diagram of hydrostatic leveling

3.2 水準儀測量及通信電路設計

水準儀測量電路原理如圖4所示，由于水準儀電容非常微小，僅幾個皮法，若采用傳統的分立式解決方案，則成本高、功耗大、設計困難，并且很難達到較高的測量精度和低功耗的設計要求，因此水準儀電容的測量采用單片集成的芯片AD7746。

圖4 水準儀測量電路原理Fig.4 Circuit schematic diagram of hydrostatic leveling

AD7746是美國模擬器件公司的產品，是完全集成的電容/數字轉換器CDC（capacitance-to-digital converter）[9]，AD7746將先進的信號處理技術與高集成度制造工藝相結合，在一顆芯片上集成了電容到數字轉換的所有電路，提供了高精度、超低功耗的電容測量，非常適合水準儀中微小電容量的檢測。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量數據上傳給微處理器。

水準儀測量電路采用TI公司出品的MSP430F1232單片機作為主控微處理器[6]。水準儀測量電路中微處理器的任務非常簡單，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位單片機是業界公認的優秀超低功耗單片機，其電源電壓在1.8 V～3.6 V，非常適合電池供電；待機電流小于1 μA，在RAM數據保持時耗電僅0.1 μA，活動模式時耗電250 μA/MIPS；其時鐘系統包括2個不同的時鐘系統，基本時鐘系統和鎖頻環系統，由時鐘系統產生CPU和各種功能模塊所需的時鐘，這些時鐘可以在指令的控制下打開或關閉，從而實現對總體功耗的控制。

為了達到低功耗的要求，水準儀測量工作在間歇模式，即測量和通信電路通常處于休眠狀態，按照設定的時間間隔激活測量和通信。霍爾開關的作用在于當需要人為激活測量和通信功能時可利用霍爾開關進行功能激活，霍爾開關選用美國Allegro Microsystems公司生產的微功耗霍爾開關芯片A3212，A3212的平均功耗僅為 15 μW。

靜力水準儀和數據采集記錄儀的通信采用ZigBee無線傳感網絡，ZigBee網絡基于IEEE 802.15.4國際標準、上層協議為ZigBee協議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網絡路由功能強大、自恢復及冗余性能優異等特點，廣泛應用低數據率監控的各個領域。無線通信單元采用ZICM2410模塊（美國CEL公司的MeshConnectTM模塊），ZICM2410模塊的內核芯片ZIC2410是一個真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規范和IEEE 802.15.4標準，它由一個含有基帶modem的射頻收發器、硬連線的MAC和內嵌8051內核的微控制器（帶有內部Flash存儲器）組成，為ZigBee網絡提供一個高性能、低成本的射頻收發方案。

3.3 室外天線

室外天線實際上是一個ZigBee無線傳感網絡和RS485接口之間的協議轉換器，負責將水準儀傳輸的無線傳感網絡數據轉換成RS485后傳送給數據采集記錄儀，并負責將數據采集記錄儀下發的控制指令轉換成ZigBee無線傳感網絡數據，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 數據采集記錄儀

數據采集記錄儀原理如圖6所示。數據采集記錄儀組成主要有8路下位RS485接口、1路上位RS485接口、實時時鐘、大容量數據存儲、LED指示和帶電池備份的電源系統。

圖6 數據采集記錄儀原理圖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儀的測量數據并負責控制數據的下發，設計多路接口是為了保證靜力水準儀數量很多情況下通信的可靠性。8路下位RS485接口前端設計有防雷電路。

1路上位RS485接口和數據采集服務器通信，將來自靜力水準儀的測量數據傳送給數據采集服務器，并接收來自數據采集服務器的控制指令。8路LED燈指示當前數據采集記錄儀的工作狀態，便于維修人員進行故障診斷。

為了提高系統的可靠性，數據采集記錄儀設計有實時時鐘、大容量數據存儲和帶電池備份的電源系統。當數據采集服務器因感染病毒、網絡癱瘓等原因停止工作時，數據采集記錄儀自動將來自無線靜力水準儀的測量數據加上時間戳并進行本地保存，待數據采集服務器正常工作時再將本地數據上傳；數據采集記錄儀電源采用雙電源供電，可在正常供電時外加一路蓄電池供電，當發生電力故障時，蓄電池可繼續維持數據采集記錄儀的工作。

數據采集記錄儀對微處理器的要求相對較高，共達9路的RS485通信對微處理器的內存空間、指令執行速度、中斷能力和調度策略均提出了一定的要求。數據采集記錄儀采用了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程序存儲空間、64 KB RAM數據存儲空間和極快的中斷處理能力，完全滿足數據采集儀的要求。LM3S1601微控制器片上有3路片上UART，其余6路UART由多個SC16IS752芯片擴展。

4 系統標定與應用

標定試驗在位移標定臺上進行，將圖3中的電容A級和B級固定在位移標定架的一端，浮子固定在位移標定架的活動部分并與電容測量電路的地線連接。調整位移架的位移標定距離，并比較電容測量電路輸出值 （AD7746進行電容測量并輸出的與電容值成比例的AD轉換值）和游標卡尺的實測數據，如表1所示。

根據該表，采用最小二乘法可求得由AD7746輸出值轉換到實際位移的靈敏系數如式（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 位移測量標定結果表Tab.1 Result table of displacement calibration

根據系數計算測量值可得到位移測量的誤差，如表2所示。

表2 測量值誤差分析表Tab.2 Error analysis table of test data

最大誤差不超過0.1 mm。可以滿足部分地下工程沉降監測的需要。研制的水準儀在南京地鐵某工程施工中進行了研究性試用，靜力水準儀與人工監測數據曲線對比如圖7所示。

圖7 人工與靜力水準儀監測數據比較圖Fig.7 Comparison diagram of the monitoring data form hydrostatic leveling and man-made

由圖可見，靜力水準儀數據穩定，且與人工監測數據相差不超過0.05 mm，應用情況良好。

5 結語

論文研制的電容式靜力水準儀功耗低，可以采用電池供電和無線網絡數據傳輸，減少了現場布線成本，同時也提高了系統的可靠性，十分適合施工期沉降監測，具有一定的推廣應用價值。

[1] 白韶紅.靜力水準儀在北京城鐵變形監測中的應用[J].中國儀器儀表，2003（11）：34-36.

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[4] 楊學存.超聲波靜力水準儀的研制[D].陜西：西安科技大學，2005.

[5] 陳德福，聶磊.液體靜力水準儀及其應用[M].北京：地震出版社，2008：36-51.

[6] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[7] Luminary Micro，inc.LM3S1601 Microcontroller DATA SHEET[M].Texas：Luminary Micro，inc，2007.

[8] 王宏偉，張偉，林宇，等.差動電容敏感式力學傳感器的信號提取電路[J].電子元件與材料，2003，22（3）：10-12.

[9] AD7745 DataSheet.24-Bit Capacitance to Digital Converter with Temperature Sensor[Z].Analog Devices，Inc，2005. ■