無線通訊技術在固結試驗系統中的應用（一）

摘  要：氣壓固結儀和傳統杠桿固結儀的控制及數據采集系統存在接線繁多、拆裝復雜、數據串擾等問題，大大影響了試驗的效率。針對這些問題，采用無線通訊技術全新改造百分表測量壓縮變形，并將電源供電、數據采集、通訊傳輸進行一體化整合；采用無線通訊技術改進了氣壓控制器對氣源壓力的檢測和控制。通過這種先進技術的應用，大大改善了固結試驗系統的設備穩定性、便攜性，提高了固結試驗的 測試精度。

0  引    言

固結儀是測量土的壓縮性實驗儀器設備,廣泛應用于工程建筑、工程勘察領域。主要用于測定土試樣的軸向變形與壓力的關系和變形與時間的關系,計算土壤的單位沉降量、壓縮系數、壓縮模量及固結系數、先期固結壓力、壓縮指數、回彈指數等壓縮性指標,用于計算建筑物的沉降,為工程建筑設計與施工提供科學依據^[1]。

目前土工試驗室普遍使用的傳統固結儀如圖1所示。無論氣壓固結儀還是杠桿固結儀，土樣變形的自動數據采集主要采用經改造的百分表或數字式千分表作為位移計，一般試驗室固結儀數量比較多，每聯固結儀都要單獨接線至數據采集器，多個采集器之間也要接線再經傳輸接口將各個位移計采集的數據通過通訊總線統一傳送至計算機軟件進行采集存儲處理。在試驗過程中，位移計上下移動時連線隨著位移計一起運動來回拉扯，會影響位移計數據穩定性。氣壓控制器也同時連接在通訊總線上，整個系統連線繁多、拆裝復雜，容易出現數據串擾、通訊不穩定、數據更新不及時等多種問題。

1  無線通訊技術簡介

隨著現代化生活的不斷進步，無線通訊技術已經得到了相當廣泛的應用，成為了現代生活當中的溝通媒介，在無線技術當中，可以利用無線網進行無線信號的覆蓋，從而使得人們可以利用各種終端設備來使用無線網絡，最大限度的滿足人們對于無線信息傳遞的需求。尤其是在這幾年經濟發展和社會進步得到飛速增長的今天，無論是工業領域還是民用消費品領域，無線技術得到了相當快速的發展，低成本低功耗小型化等優點使得無線技術在各行各業都有了廣泛應用。

無線通訊種類很多，既有衛星通訊、短波通訊、CDMA、LTE等遠距離無線通訊技術，也有WLAN、藍牙、ZigBee、紅外線等近距離無線通訊技術。各種技術互有優劣，各有合適的應用場景^[2]。

為了解決傳統固結儀中存在的種種問題，本文將無線通訊技術引入固結儀的數據采集及控制系統，全面改進傳統百分表和氣壓控制器。對比試驗結果表明，改進后的固結儀的精度穩定性傳統固結儀。

2  無線傳輸位移計的研發

針對固結儀數據采集的實際應用需求，我們采用近距離無線通訊技術，使用專用RF芯片工作于ISM頻段2.4GHz，與藍牙、ZigBee等技術相比在功耗、速率、通訊距離上有明顯優勢。作為單芯片模塊，其內部集成高頻發射/接收模塊，最高可設置為+1dBm的發射功率，支持500kbps的數據傳輸速率，支持多種調制模式(OOK、GFSK、2-FSK和MSK)，提供對同步字檢測、地址校驗、靈活的數據包長度以及自動CRC處理的支持，支持RSSI(接收信號強度指示)和LQI(鏈路質量指示)，通過4線SPI接口與MCU連接，同時提供2個可設定功能的通用數字輸出引腳，獨立的64字節RXFIFO和TX FIFO，工作電壓范圍：1.8V～3.6V，待機模式下電流僅為500nA。

傳統位移計由數據采集器進行供電，電源線和通訊線一起連接在位移計上，采用無線數據傳輸技術后，每個位移計不再需要連接通訊線，若不改變供電方式，電源線還是無法取消。因此在無線芯片功耗極低的技術基礎上，我們改用電池供電，取消連線，只是增加后蓋厚度后將無線芯片、MCU和電池集中整合在百分表后蓋，使得無線百分表成為獨立的產品，易安裝易更換，便攜易用。在每秒發送一次數據的條件下，單顆電池供電可使用三年。由于沒有連線拉拽，試驗過程中位移計穩定，只反映土樣變形，所測數據真實可靠。在傳輸上各位移計獨立，互相沒有干擾。在電腦端只需一個無線收發器就可以接收所有位移計的數據，與目前常規儀器每八個位移計需要一個數據采集器相比，整個系統大大簡化。

由于目前常規有線系統所有數據采集器都連接在同一根數據總線上，主機對采集器的訪問只能采用主從式，即主機輪詢各個采集器，相應采集器依次應答。隨著固結儀數量的增加，數據采集器也相應增加，輪詢時間就會變長，可能影響數據實時性。改為無線通訊后，所有位移計改為主動發送模式，電腦端收發器平時只接收位移計和氣壓控制器發送的數據，只有

在需要給控制器發送命令改變參數時才短時進入發送模式。這樣數據采樣周期只取決于位移計端的發送周期，可以保證數據實時性。百分表分辨率是0.01mm，經過改造使用高精度采集部件，所得數據分辨率可提高一個數量級至0.001mm。對于含水率低整體壓縮變形較小的硬土，提高分辨率可顯著改善變形隨時間變化采樣精度和曲線顯示圓滑度，更有利于求得準確的固結系數。