無線固定式測斜系統設計

鐘海麗，任曉周，任桂香，唐立軍

（1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114；2.近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114）

無線固定式測斜系統設計

鐘海麗1，2，任曉周1，2，任桂香1，2，唐立軍1，2

（1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114；2.近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114）

針對大壩、橋梁等工程長時間監測不便等問題，結合無線傳輸和傳感器技術，研究一種無線固定式測斜系統，實現對工程高精度的穩定監測。該系統結合2.4 GHz無線收發器芯片和MEMS雙軸傾角傳感器，采用多獨立節點、長跨度的結構，各節點獨立采集、獨立計算、分別發送，監測端通過無線方式統一接收數據。經實際測試，該系統固定角度測量相對誤差小于0.2%，±30°測量范圍內線性度良好，測試過程中數據傳輸穩定可靠。適用于水利大壩、橋梁、建筑物的水平位移和沉降位移監測。

無線傳輸；傾角傳感器；測斜系統；工程監測

許多建筑物、大壩堤防、橋梁都存在結構穩定性的問題[1]，若不及時進行工程健康監測，發生事故則會給國民經濟和生命財產造成嚴重損失。據統計僅2015年，全國就發生房屋安全事故442起，同時我國的水庫大壩險情也十分嚴峻。

在這些工程健康安全監測中水平位移和沉降位移的監測至關重要[2]，傳統的測斜需要通過現場測量和人工記錄數據，不僅耗費人力且操作復雜。后來出現的自動測斜儀雖然解決了人工測量的諸多不足[3-4]，但其通過線纜來實現測點和監測站的數據實時通訊和傳輸的方式成本高且使用復雜，同時通訊接口易受灰土渣的堵塞影響和雨水的浸透侵蝕[5]，給系統的安全性和穩定性帶來挑戰。

針對現有測斜系統長時間測量不便的問題，探索一種無線傳輸可用于長時間監測的固定式測斜系統。

1 系統整體結構

大壩、建筑物、橋梁等工程跨度大、結構多樣化，為了實現對其水平位移和沉降位移的監測，該系統測量節點采用分段式設計結構，能最大程度的體現工程結構實際的位移變化。系統中每個節點實時采集角度數據，通過無線模塊將采集和處理后的數據發到現場監測站。

測斜系統中每個節點由傾角傳感器、無線收發模塊和MCU控制芯片組成，傾角傳感器測量每個節點XY軸向的角度并通過無線模塊將數據傳輸到附近的監測站，MCU控制芯片負責傾角傳感器的AD數據轉換和無線模塊的收發控制。監測站同樣由MCU控制芯片和無線收發模塊組成，接收各個節點的數據并進行存儲和顯示。系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

在整個系統設計中，單個網絡中最多可以實現6個節點同時向1個接收端發送數據，數據發送速率最高可達1 M。如果需要在比較廣闊的地理環境中布置大量測斜儀器時，可以通過6個節點發送1個節點接收并以這1個節點為路由節點再進行2次組網的方式完成龐大監測系統中各節點的數據傳輸[6-8]。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包括傳感器數據采集部分和無線收發部分。通過MEMS傳感器測量節點的XY兩個軸向傾斜角度，無線收發芯片將數據發送到監測端存儲和顯示。

2.1 傳感器數據采集模塊

在考慮測斜精度和無線通信功耗的基礎上，選用高精度雙軸傾角傳感器和低功耗主控芯片來實現測斜儀的數據采集。

傾角傳感器采用芬蘭VTI公司生產的SCA100T雙軸傾角傳感器[9]，測量范圍為±90°，模擬輸出分辨率為0.002 5°。采用模擬輸出方式角度為0°時正常輸出電壓是2.5 V（跟芯片實際供電電壓有關），正軸朝上時電壓大于2.5V，正軸朝下時電壓小于2.5V。主控芯片采用意法半導體公司生產的低功耗芯片STM32F103RBT6（以下簡稱 STM32），最高可達72 MHz的工作頻率，擁有128 K的FLASH存儲器，1個7通道DMA控制器，2個12位的AD（16通道）可供傳感器數據的采集[10]。

在本設計中采用STM32的ADC1采集傾角傳感器輸出的電壓模擬量，第8引腳PCO端口采集X軸向輸出模擬量，第9引腳PC1端口采集Y軸向輸出模擬量。傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2 傳感器模塊電路

2.2 無線收發模塊

為了滿足短距離、多節點系統的通信要求，傾斜儀各節點所測量的數據與監測站之間的無線傳輸通過2.4 GHz無線收發器芯片nRF24L01來實現[11-12]。

nRF24L01是由NORDIC公司生產的工作在2.4~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發器芯片。nRF24L01有一個顯著的優點是其極低的電流消耗，發射模式下當發射功率為0 dBm時電流消耗僅為11.3 mA，接收模式下電流消耗為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

節點發射端通過STM32的GPIOA^5、GPIOA^6、GPIOA^7 分別與 nRF24L01的 SCK、MISO、MOSI相連進行時鐘的控制和數據的收發，nRF24L01的CE引腳與STM32的GPIOC^4端口相連進行使能控制，nRF24L01的IRQ引腳與STM32的GPIOA^3引腳相連實現相關中斷的配置和觸發。由于nRF24L01需要3.3 V供電電壓，所以將前面傾角傳感器的5 V供電電壓通過穩壓電路轉換為3.3 V進行供電，穩壓電路圖和發射端nRF24L01無線模塊連接實物圖如圖3、圖4所示。

圖3 3.3V穩壓電路

圖4 單節點無線模塊實物

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括傾角傳感器輸出量在DMA方式下的多通道ADC轉換和nRF24L01多發一收模式的配置。

3.1MCU的多通道ADC數據采集程序

在ADC的數據采集過程中，當CPU需要處理由ADC外設采集回來的數據時，CPU首先需要把數據從ADC外設的寄存器讀取到內存中再進行運算，這樣在轉移數據的過程中會占用CPU大量的資源，為了提高效率、更大程度的解放CPU，在本設計中采用DMA（直接存儲器讀取）的方式進行AD數據采集和處理[13]。

由于傾角傳感器的有兩個軸向的輸出量，但系統選用的64腳MCU僅有兩個ADC，為了方便今后的擴展，在設計中采用單ADC多通道輪流的方式進行數據采集。結合DMA直接讀取和ADC多通道數據采集可以在提高效率的同時大大節省CPU的資源。

3.2 nRF24L01的收發程序

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，每一個數據通道使用不同的地址以此來區分數據來源，nRF24L01共用125個頻道，但是在多發一收模式下所有的數據通道共用一個頻道。也就是說6個不同的nRF24L01在發送模式下可以與一個設置為接收模式的nRF24L01進行通訊，而設置為接收模式的nRF24L01可以通過不同的地址來識別6個不同的發射端[14]。

在發射端將各節點的nRF24L01無線模塊配置為發送模式并賦予他們不同的地址以便在接收端進行辨識。在模塊初始化時一方面要將發射節點地址寫入發射地址寄存器，另一方面還要將相同的接收地址寫入使能通道0以方便接收監測端發來的ACK應答信號。接下來依次進行自動重發、發射頻道、增益、發射速率等參數配置，最后將使能信號CE拉高一段時間后進入發送模式。

其中要注意的是發射端的地址均為40位，一般放在5個字節大小的數組中，6個節點的地址除了第1個字節不同外，其他4個字節均可相同。如本設計中節點的地址初始化為:

在監測端將nRF24L01配置為接收模式，配置的方式與發射端相似。每個發射端的接收地址必須寫入接收端的接收地址寄存器，而且接收端和發射端的頻道工作頻率、數據寬度、發射速率必須一致。但接收端的地址數組與發射端略有不同，接收端的第一、二個節點地址均為5個字節，與發射端相同。從第3個節點開始地址均為1個字節，與發射端對應的地址數組的第一個字節相同。以上面3個發射地址為例，則接收端地址數組應為:

以上程序實例均是針對3個發射端而言，如果需要擴展到6個，則依照以上規則增加對應的發射端和接收端的地址數組即可。發射端和接收端的軟件流程如圖5、圖6所示:

圖5 發射端程序流程

圖6 接收端程序流程

4 系統測試

系統測試主要針對穩定性和線性度進行，穩定性測試除了測試系統各個節點的傾斜角度值、節點與監測站的無線傳輸（使用2 dB增益天線，空曠道路環境，傳輸距離500米）、監測站的LCD顯示與存儲及監測站的數據讀取等功能外[15]，還要測試系統長時間穩定性。線性度測試主要測試系統的輸出電壓與傾斜角度的關系。

4.1 系統穩定性測試

系統功能測試達到要求后，進行時間穩定性測試。將測斜系統豎直固定在豎直墻體上保持不動，通過3個節點組成的測斜系統采集數據并向監測點發送實時數據，測試時間跨度為5天，在測試過程中每個節點每隔5分鐘向監測端發送一次傳感器測得的兩個軸向的角度數據。測量數據見表1，圖7為系統測試圖。

表1的數據可知，系統對同一傾斜度的測量相對誤差在0.2%以內，穩定度好、可重復性強。同時測試過程中數據的傳輸穩定可靠，沒有出現丟包或者連接中斷的情況。

4.2 系統測量線性度測試

測試儀器采用中天光正公司的ZT203ER60型精密型旋轉臺。測試時以XY軸向的-30°至30°為測試范圍，以2°為一個單位掃描60°范圍，分別記錄每個位置角度值和對應的電壓輸出值，如圖8所示。

由圖8可知，趨勢線的決定系數R2為0.99，即該系統輸出電壓和傾斜角度線性擬合程度高，系統線性度好。

5 結束語

采用2.4G無線收發芯片nRF24L01和MEMS傾角傳感器SCA100T，設計實現了無線固定式測斜系統，該系統單個網絡中最多可以實現6個節點同時向1個接收端發送數據，數據發送速率最高可達1 M，并可實現二次組網，實現遠距離數據傳輸。實驗室測試表明，該系統有較好的穩定性和線性度，經現場試驗后，可用于水利大壩、橋梁、建筑物等工程的水平位移和沉降位移的現場監測。

[1]王凱，張偉毅，馬飛，等.滑坡深部變形監測方法與應用探討[J].地下空間與工程學報，2015（1）:204-209.

[2]張昕.沉降監測系統中電子測斜儀的應用研究[J].咸寧學院學報，2011（12）:81-82.

[3]劉洋，李世海，劉曉宇.拉線式滑坡地表位移實時監測系統應用實例[J].中國地質災害與防治學報，2011（4）:24-31.

[4]Leslaw Zabuski，Waldemar Swidzinski，Marek Kulczykowski.Monitoring of landslides in the Brda rivervalleyin Koronowo（Polish Lowlands）[J].ORIGINAL ARTICLE，2015（73）:8609-8619.

[5]黃麟森，秦怡，宋輝.基于藍牙無線傳輸技術煤礦存儲式測斜儀的研究[J].煤礦機械，2015（11）:285-287.

[6]唐先登，楊經國，李賀威，等.基于nRF24L01的多點無線環境監測系統的設計 [J].電子設計工程，2015（5）:81-83，90.

[7]朱桂峰.基于nRF24L01的無線傳感局域網絡的研究與設計[D].保定:河北大學，2011.

[8]喬鹿鹿.基于nRF24L01的無線傳感器網絡研究[D].杭州:杭州電子科技大學，2015.

[9]趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測量系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，10:29-32.

[10]孟強.基于STM32的數據采集系統設計[D].南京:南京林業大學，2014.

[11]朱慧彥，林林.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統設計[J].電子科技，2012（4）:81-83，91.

[12]葛雅清.基于NRF24L01無線監控系統的設計[D].蘇州:蘇州大學,2015.

[13]張滔.基于STM32單片機DMA機制的多通道數據采集[J].黑龍江科技信息，2013（30）:27.

[14]Nordic半導體公司.nRF24L01用戶手冊[DB/OL].[2016.3.20]http://www.nordicsemi.com/index.cfm obj=product&act=display&pro=89#.

[15]劉建梁,沈三民,辛海華,劉文怡.一種基于STM32的具有斷電保護機制的采集存儲系統設計[J].電測與儀表，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

表1 系統穩定性測試表

圖7 系統測試圖

圖8 系統線性度測試圖

TN925

B

1674－6236（2017）12-0170-05

2016-08-08稿件編號：201608061

湖南省科技重大專項（2013FJ1004-3）；湖南省水利廳科研項目（湘水科計[2014]183-5）

鐘海麗（1967—），女，湖南邵陽人，碩士，副教授。研究方向：數字信號處理。