基于无线网络的振弦式传感器微功耗测读系统的研制及应用

许 卫，张 乾，周 武

(长江科学院武汉长澳大地工程有限公司，武汉 430010)

1 研究背景

振弦式传感器是一种通过测量振弦的振动频率并经换算得到相应被测压力的频率型传感器，其振弦的振动频率有随其所受压力的改变而改变的特性。该种传感器具有结构简单、精度高、长期稳定性好、可靠性及抗干扰能力强等优点，因此，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中被广泛地用于应力应变、变形、渗流、液位、温度等自动化测量中。但是，目前已有的测量系统都没有考虑施工期对监测数据的实时要求，因此，在施工期中，监测数据基本上都只能靠测量人员每天多次去施工现场将读数仪与传感器连接后读取，特别是在施工现场面临重大施工条件改变，或遭遇到渡汛、地震等异常情况下，需要对全部监测点进行加密观测时，现场监测人员工作量十分巨大。同时，由于施工现场较为复杂，传感器埋设的位置又各不相同，因此，还存在登高、涉水等安全风险问题。

针对上述问题，我们设计研发了一种基于无线网络的振弦式传感器微功耗测读系统(以下简称测读系统)，该系统可快速地完成水利工程施工过程中大坝监测仪器观测信息的非接触式远程采集，实时跟踪水利工程施工过程中监测数据的动态变化;具有测量精度高、功耗低、性能稳定、使用方便、安装灵活、减轻使用者劳动强度、降低建设和维护成本、现场适应能力强等特点，可完整地实现工程项目在施工期和使用期对施工对象进行快速监测的需要。

2 系统结构设计

针对实际需求，我们设计的基于无线网络的振弦式传感器微功耗测读系统主要用于工程施工期对振弦式传感器的数据采集，系统由前端采集器及手持机2部分组成，如图1。在施工期时，将前端采集器安装在施工过程中埋设的振弦式传感器附近，前端采集器将按照设置的程序，自动完成监测数据的采集和存储。在此期间，相关人员可通过携带手持式采集器到施工现场，无需将传感器与读数仪连接，远距离(可达100 m距离)即可完成对施工期埋设的振弦传感器数据的收集，并可通过手持机的USB接口将数据保存到数据计算机，进行数据分析和整理。

前端采集器由低功耗的处理器、采集电路、无线收发模块和必要的软件等组成，主要完成对传感器实时数据的采集、存储、响应手持机的传输命令将数据发送。

手持机主要由手持机主体、无线收发模块、硬件接口和必要的软件组成，界面为240×320全点阵16位真彩液晶触摸屏，能满足用户输入汉字、ASCLL码或数值，具有翻页、数值增加、减少，数据修改、数据采集、数据转存等功能。

图1 测读系统的采集器及手持机实物Fig.1 Photo of front acquisition and handled collector

手持机采用电池供电，使用时由工作人员携带到现场，随机对现场的前端采集器的数据进行采集，工作人员可根据采集需要，在手持机按键上按下相应数字，对现场前端采集器发出采集命令，然后接收来自前端采集器的最新数据或批量数据，手持机每次只对某一特定的前端采集器工作，且手持机与该前端采集器的通视直线距离可达100 m。微功耗测读系统结构如图2所示。

图2 基于无线网络的振弦式传感器微功耗测读系统结构Fig.2 Structure of the monitoring system of vibrating wire sensor with micro-power consumption based on wireless network

3 系统实现

3.1 测读系统的技术指标

振弦传感器测量路数:2路。

振弦激励范围:400～6 000 Hz，5 V矩形波。

振弦测量分辨率:0.01 Hz。

振弦测量精度:0.05 Hz。

温度测量范围:－50℃～+150℃。

温度测量分辨率:0.1℃。

温度测量精度:0.1%FSR。

一台手持机支持前端采集器最大数目:300。

每台前端采集器数据存储量:大于1 000条记录。

手持机采集距离:与采集器的直线距离可达100 m(手持机选用LX480-10-SMA天线)。

3.2 测读系统的硬件设计及实现

测读系统的硬件设计包括采集器的设计和手持机的改造工作。

采集器的设计主要包括测量单元电路、低功耗的单片机电路、无线收发模块、电源以及其他电路的硬件设计。

手持机的硬件改造主要是在原有手持机的基础上加装无线收发模块及外围电路。

3.2.1 测量单元电路

振弦式传感器是根据其谐振频率与所受的压力存在某种对应关系而工作的，要使振弦式传感器输出频率信号，首先要通过激振电路对弦进行激励和拾振。根据实验得知，激振和拾振计数的时间间隔应＞10 ms，以保证测量的频率基本为共振频率;振弦式传感器起振后输出信号幅值极低，其值多在300μV～1 mV之间，且是衰减的，持续时间一般不超过1 s，需要设计一个高增益放大器［1］将信号放大到处理器接口所需的3V;其次，受不同应力的影响，传感器产生的固有振动频率有较大的变化，还要设计一个合理的高阶有源带通滤波器，确保检测到的信号是振弦的固有频率，另外，在微小有用信号放大的同时，高次谐波、低频驻波及噪声、电源纹波都有可能同时放大，为了保证处理器能准确接收到振弦的固有频率，还需要将放大后的信号进行整形［2］。

另外，由于振弦和它的支座所用的材料的线膨胀系数不同，因此在温度升降时频率会发生变化，需要测量传感器的温度来对测量的频率进行修正［3］。为此，实际应用的振弦式传感器测量单元电路硬件包括激振电路、测振电路、频率信号调理电路、测温电路等。

3.2.2 低功耗的电路设计

测读系统的采集器是一种无人值守、采用电池供电且长期工作在施工现场的设备［4］，因此，对采集器电路的功耗的设计尤为重要。在低功耗的硬件设计方面我们主要采取了以下措施:

(1)选用高性能、低功耗、丰富的接口和外设功能的MSP430F5438单片机，注意处理器的活动模式和休眠模式下的功耗数据。

(2)所有电子元器件尽量选用低功耗器件，减少元件自身功耗。

(3)实验表明，采集电路及一些与测量电路相衔接的外围电路功耗占系统功耗的90%以上，为了最大限度地减少该部分的功耗，我们专门设计了一套电源切换电路，只有当测读系统进行采集的时候，该部分电路才开始上电工作，极大地减少了整个系统的功耗。

3.2.3 无线收发模块

为了方便电路设计，无线收发模块采用市场成熟的NRF905无线模块(PTR8000+)，该模块采用三频段收发合一，工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz GMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好，灵敏度高，达到－100 dBm低工作电压(2.7 V)，功耗小，待机状态仅为1 uA，可满足低功耗设备的要求最大发射功率达 +10 dBm，具有多个频道(最多170个以上)，特别满足需要多信道工作的特殊场合，工作速率最高可达76.8 kbps。

3.3 测读系统的软件设计及实现

3.3.1 采集器软件设计

采集器软件设计除要考虑系统功能的实现外，还需要重点考虑功耗的问题，为了保证采集器在电池供电的情况下能长期工作，前端采集器采取了平时休眠、定时工作的方式，定时方式分为如下2种:

(1)通信唤醒方式。前端采集器内处理器平常休眠，当无线收发模块接收到手持机请求信号被唤醒后，启动触发信号唤醒处理器，处理器根据通信命令要求，启动程序接收新的参数，或将存储器里面的最新数据、批量数据通过无线收发模块发送给手持机。

图3 采集器软件框图Fig.3 Block diagram of front acquisition software

(2)定时唤醒方式。每到特定时间(4，8，12，24，48，72，144 h 等)，处理器中断唤醒，唤醒后首先将采集电路上电，完成对传感器的数据采集，数据存储。采集器软件框图如图3。持机一次最多可与现场300个前端采集器通信(亦可调入其他DBF文件，完成对其他前端采集器的通信)，通信方式为无线433 MHz，采集后的数据可暂存在手持机内，亦可通过手持机的USB接口将手持机内数据转存至外部计算机。

按照设计约定，手持机采用DBF文件完成对前端采集器的记录，DBF文件包括传感器定义DBF文件和传感器数据记录DBF文件。

传感器定义DBF文件最大记录条数为300条(与300个传感器对应)，该DBF文件分为5列，每列分别是记录号REC(数值)、传感器编号SID(数值)、传感器设计编号DSN(≤10个汉字或20个数值或ASCLL码)、传感器安装部位POS(≤20个汉字或40个数值或ASCLL码)、操作人编号PER(10位ASCLL码)。

传感器数据记录DBF文件中每个传感器的最大记录条数为1 024条，该DBF文件分为6列，每列分别是记录号REC(数值)、传感器编号SID(数值)、频率数据 FRE(浮点数，范围6 000.00～400.00 Hz，2 位小数)、温度数据 TEM(浮点数，+80.0～－20.0℃，带符号，1 位小数)、电压数据 VOL(浮点数，5.0～2.0 V，1位小数);时间数据TIM(年、月、日、时、分，时间字符串)。

手持机的人机界面设计可分为系统菜单和工作菜单，系统菜单包括:运行程序、选择程序、文件管理、连接电脑、系统设置、功能测试、设置密码、用户资料、系统信息等。工作菜单包含:位置定义、数据读取、参数设置、数据查询及系统帮助等。手持机操作界面如图4。

3.4 通信的实现

就系统通信而言，由于广州市创伦电子科技有限公司已经提供了CL998数据采集器与PC机通信的通讯管理器软件，因此，本节所谈及的通信特指手持机与前端采集器之间通信。

通信命令的初始发起者始终为手持机，前端采集器只是被动的接收命令，并根据接收的命令将数据或应答发给手持机。

通信命令可分为读取命令和写入命令2类:

(1)数据读取命令过程。首先由手持机发出数据读取命令，当前端采集器的无线收发模块接收到通信命令后，将唤醒处理器，当处理器将手持机命令地址与本采集器地址比较后，如果相符，处理器按照接收到的命令格式(手持机数据读取命令过程中包含需读取数据的传感器编号，命令类型、数据记录起始号、读取数据数量、校验码等)，将存储在采集器内的测量数据发送给手持机(采集器发出的命令中包含传感器编号，命令类型、从数据记录起始号至数据记录终止号之间的频率;温度及电压的全部数据、校验码等)，手持机接收到数据后，如经校验无误后，则在手持机的屏幕上显示“通信成功提示画面”，如校验有误或延迟5 s后仍未收到数据，则在手持机的屏幕上显示“通信失败提示画面”。

采集器发出数据后，重新进入休眠状态，等待下次命令。

(2)采集器参数修改命令。命令同样首先由手持机发起，采集器接收到该命令后，经校验无误后后，按照接收到的命令格式(手持机采集器参数修改命令包含需修改参数的传感器编号，命令类型、新的采集周期、新的时钟时间、校验码等)，自动修改自身的采集周期及内部时钟时间，修改完成后，返回OK命令给手持机(采集器发出的OK命令中包含传感器编号，命令类型、OK字符、校验码等)，如手持机接收到OK命令，如经校验无误后，则在手持机的屏幕上显示“参数设置成功提示画面”，如校验有误或延迟5 s后仍未收到数据，则在手持机的屏幕上显示“通信失败提示画面”。

表1 不同压力值下采集器、读数仪测读频率对比结果Table 1 Comparison of the frequencies measured by the collector and the reader with different pressure values

采集器发出OK命令后，重新进入休眠状态，等待下次命令。

4 测试数据

4.1 频率精度测试

为了进一步证实测读系统的采集精度是否能达到设计要求，我们采用北京soil公司W9型渗压计，通过在压力试验台上对渗压计多次作用不同压力值，将测读系统的采集器与北京基康BGK－408型读数仪的频率读数进行比对测试，测试结果如表1所示。

从测试结果可以看出，测读系统的采集精度完全满足设计要求。

4.2 距离测试

我们通过对手持机选配LX480－5－SMA和LX480－10－SMA 2种天线，用手持机对采集器保存的数据在空旷场地的2个不同距离均进行10次读取测试，实验结果表2所示。

表2 不同距离下的数据接收成功率Table 2 Success rates of data reception with different distances

从测试结果可以看出，测读系统的测读距离完全满足设计要求。

5 结语

本系统运用成熟可靠的振弦式传感器测量方法，结合无线传输网络，采用低功耗设计，整体功耗极低，解决了施工期施工现场较难敷设电缆的问题，采用密封防水保护，系统性能稳定，安装灵活，移动方便，应用范围广，既可作为施工期临时使用，也可在施工期结束后长期使用。

通过创新设计，创造性地将抄表测读的概念引入到振弦式传感器采集系统，通过手持式采集器很好地解决了传统有线测量系统和其他类无线测量系统无法完成的施工期对监测数据采集的要求，完整地实现了工程项目在施工期和使用期对施工对象进行数据监测的需要。

本技术于2013年取得国家专利局实用新型专利，专利号:201320006417X，目前已经投入小规模生产，并将陆续在一些水利工程中试用。该技术的研发对于提高现有的安全监测水平和科研开发都具有十分重要的意义，其技术在全国范围内具有一定的推广示范作用。

［1］罗向军.振弦式传感器驱动电路设计［J］.装备制造技术，2011，(11):42－43.(LUO Xiang-jun.The Design of One Drive Circuit for Vibration Wire Sensor［J］.Chinese Journal Equipment Manufacturing Technology，2011，(11):42－43.(in Chinese))

［2］杨兴明，何清平，张培仁.远程振弦式传感器测量模块系统设计用［J］.传感器与微系统，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))

［3］肖 刚，李 军，王 震.多路高精度振弦传感器检测仪的研制［J］.测控技术，2010，29(11):27－29.(XIAO Gang，LI Jun，WANG Zhen.Implementation of Measuring and Monitoring System for Multiple Precise Vibrating Wire Transducers［J］.Chinese Journal Measurement＆ Control Technology，2010，29(11):27－29.(in Chinese))

［4］BORDESJL，DEBREUILLE PJ.Some Facts about Longterm Reliability of Vibrating-wire Instruments［J］.Transportation Research Record，1995，104:20-26.