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蘇州昱創無線通訊技術在固結試驗系統中的應用

(1.蘇州昱創流體科技有限公司，江蘇 蘇州 215636)

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。

關鍵詞：無線通訊；固結試驗；無線百分表

Application of wireless communication technology in oedometer test

Abstract: Aiming at the problems of the control and data acquisition system of the air pressure oedometer and the traditional lever oedometer instruments, such as various wiring, complex disassembling and assembling, data crosstalk, etc., the wireless communication technology is used to improve the measurement of the compression deformation by traditional dial indicator  reconstruct the dial indicator .The power supply, data acquisition, and communication transmission are integrated.Further more detection and control of the air pressure provided by the air pressure controller are also improved by using of these advanced technological methods，the equipment stability and portability are significantly improved, and also the data accuracy.

Key words: wireless communication; oedometer test; wireless dial indicator

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。

圖1 傳統固結儀連線圖

Fig. 1 Traditional oedometer

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，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，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400nA。

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。經改進后的無線百分表實物如圖2所示。接收端無線收發器實物如圖3所示。

圖2 無線百分表實物圖

Fig. 2 Wireless dial indicator

圖3 無線收發器實物圖

Fig. 3 Wireless transceiver

技術指標：

量程：0-10mm；

精度：0.2%FS；

分辨率：0.001mm

無線發送周期： 1Hz（每秒1次）；

傳輸距離：50m（視距）

傳輸速率：250kbps；

頻率波段：2.4GHz-2.483GHz；

待機電流：<6uA；

發射功率: >1dbm；

電源：DC3.6V電池供電

技術特點：

（1）整合度高：在現有通用成量百分表基礎上，將供電、數據采集、無線傳輸整合為一體，保留原百分表指針讀數，不改變原有百分表結構功能的條件下略微增加厚度即實現自動數據采集傳輸的所有功能，整合度*，可代替現行常規試驗系統中的采集器、電源線、通訊線等，無需連線，便于原位測試。

（2）功耗極低：由于采用極低功耗無線收發芯片和數據采集芯片，使得整個系統功耗極低，單顆電池使用壽命三年以上。

精度高：采用采集芯片，14位AD采集（分辨率16384碼），對于量程12mm以內的百分表分辨率可達0.001mm。

（3）傳輸速率高，系統容量大：無線傳輸速率達250kbps，在穩定可靠的基礎上相較于傳統串口通訊9.6kbps有極大提升， 一個接收器可同時接收250以上通道數據（滿足每秒數據更新1次）。

（4）兼容性強：可兼容其他類型傳感器、儀器，所有類型儀器的控制、數據采集都可通過無線發送，只需一個接收終端。

（5）抗干擾能力強：相比傳統有線RS485傳輸，通訊抗干擾能力強，各通道相互間AD轉換*獨立，不存在串擾現象^[3]。

3 氣壓控制器的改進

常規氣壓固結儀的氣壓控制器也是通過通訊線和電腦主機連接，由主機發送命令至控制器，然后輸出相應氣壓控制各級固結壓力。和改造位移計類似，將無線通訊技術加入氣壓控制器后，可省去與主機端連接線，簡化系統。

目前常規氣壓控制器只是執行命令輸出氣壓，而不檢測氣源氣壓。若氣源異常氣壓低于輸出所需氣壓，閥門將頻繁開關嚴重影響使用壽命。我們在控制器中加入檢測氣源氣壓單元，可實時判斷氣壓是否滿足需求，若不滿足可向主機發送異常報警同時調低輸出氣壓保護閥門。

目前大多數氣壓固結儀氣源普遍采用空壓機，市場上常見的傳統空壓機啟停控制都是采用純機械方式，安全系數低，精度低，無法調節氣壓范圍，特別是低壓啟動值經常無法滿足氣壓固結儀等試驗要求。另外常規氣壓控制器只是執行命令輸出氣壓，而不檢測氣源氣壓。若氣源異常氣壓低于輸出所需氣壓，閥門將頻繁開關嚴重影響使用壽命。因此從安全保護角度和試驗實際需求出發，我們在控制器中加入氣源氣壓檢測控制單元，對空壓機進行數字化控制，可按需求對空壓機進行啟停控制，保證氣源氣壓高于輸出氣壓，若出現異常氣源氣壓不滿足試驗需求可向主機發送異常報警同時調低輸出氣壓保護閥門，大大提高設備安全性和實用性。

根據試驗需求，氣壓控制器分為中低壓和高壓兩種。針對30cm²標準土樣，配合相應容器，中低壓控制器可進行0-1600kPa固結試驗，高壓控制器可進行0-3200kPa固結試驗^[4]。

改進后的無線固結儀如圖4所示。

圖4 無線固結儀實物圖

Fig. 4 Wireless oedometer

按照2019版標準《土工試驗方法》^[5]用改進后的固結試驗系統進行多組試驗，經驗證各項指標均達到設計參數，*試驗要求。以下表1為高壓固結試驗樣例結果。

表1 高壓固結試驗結果

Table 1 Result of high pressure oedometer test

圖5為該試樣3200kPa固結壓力下的固結變形與時間關系曲線。（a為時間平方根曲線，b為時間對數曲線）。分別用兩種方法求得固結系數幾乎一致，分別為4.05×10-4 cm2/s和4.04×10-4cm2/s。圖6為孔隙比與固結壓力關系曲線。根據e~lgp曲線自動計算求得該試樣先期固結壓力Pc為157kPa，壓縮指數0.313，回彈指數0.052.

（a）時間平方根曲線

（b）時間對數曲線

圖5固結變形與時間關系曲線

Fig. 5 Variation of deformation with time

（a）e~p曲線

（b）e~lgp曲線

圖6孔隙比與固結關系曲線

Fig. 6 Variation of void ratio with consolidation preesure

4  結論與展望

1. 將無線通訊技術引入位移計和氣壓控制器，通過對百分表位移計和氣壓控制器的全面改進，固結儀數據采集穩定性、實時性、分辨率都有顯著提高，控制系統安全可靠。。

2.大幅簡化系統，更加易于安裝調試，操作簡單，使用方便。

3.可直接在現有氣壓固結儀和杠桿固結儀上更新使用，無線百分表可作為位移計獨立使用于其它儀器，有廣泛應用前景。

本文驗證了無線通訊技術應用于土工試驗儀器的可行性、*性和可靠性。因此可將此技術應用于其它各種土工儀器，如三軸儀、直剪儀、滲透儀等，可顯著提高儀器智能化水平，改善目前土工試驗室儀器種類繁多連線復雜的現狀。同時還可與其它技術結合，比如在室內試驗儀器可利用WIFI ,在室外原位測試中可引入4GLTE通信以及5G通信，將所有試驗數據實時通過互聯網傳送至服務器數據中心，可以遠程監控整個試驗過程而不只是在試驗結束后查看結果。

參考文獻：

[1]袁聚云.土工試驗與原理[M].上海.同濟大學出版社,2005:78-93.

[2]張玲. 現代無線通信技術的發展現狀及未來發展趨勢[J]. 中國新通信, 2017(18).

[3] GB/T 37367-2019巖土工程儀器位移計[S].

[4] GB/T 4935.2-2009 土工試驗儀器固結儀第2部分：氣壓式固結儀[S].

[5] GB/T 50123-2019 土工試驗方法[S].