昱创无线通讯技术在固结试验中的应用

苏州昱创无线通讯技术在固结试验系统中的应用

(1.苏州昱创流体科技有限公司，江苏苏州215636)

　　摘要：气压固结仪和传统杠杆固结仪的控制及数据采集系统存在接线繁多、拆装复杂、数据串扰等问题，大大影响了试验的效率。针对这些问题，采用无线通讯技术全新改造百分表测量压缩变形，并将电源供电、数据采集、通讯传输进行一体化整合；采用无线通讯技术改进了气压控制器对气源压力的检测和控制。通过这种先进技术的应用，大大改善了固结试验系统的设备稳定性、便携性，提高了固结试验的测试精度。

　　关键词：无线通讯；固结试验；无线百分表

　　Application of wireless communication technology in oedometertest

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

　　Key words:wireless communication; oedometertest; wireless dial indicator

　　0  引    言

　　固结仪是测量土的压缩性实验仪器设备,广泛应用于工程建筑、工程勘察领域。主要用于测定土试样的轴向变形与压力的关系和变形与时间的关系,计算土壤的单位沉降量、压缩系数、压缩模量及固结系数、先期固结压力、压缩指数、回弹指数等压缩性指标,用于计算建筑物的沉降,为工程建筑设计与施工提供科学依据^[1]。

　　目前土工试验室普遍使用的传统固结仪如图1所示。无论气压固结仪还是杠杆固结仪，土样变形的自动数据采集主要采用经改造的百分表或数字式千分表作为位移计，一般试验室固结仪数量比较多，每联固结仪都要单独接线至数据采集器，多个采集器之间也要接线再经传输接口将各个位移计采集的数据通过通讯总线统一传送至计算机软件进行采集存储处理。在试验过程中，位移计上下移动时连线随着位移计一起运动来回拉扯，会影响位移计数据稳定性。气压控制器也同时连接在通讯总线上，整个系统连线繁多、拆装复杂，容易出现数据串扰、通讯不稳定、数据更新不及时等多种问题。

图1 传统固结仪连线图

Fig.1Traditional oedometer

　　1  无线通讯技术简介

　　随着现代化生活的不断进步，无线通讯技术已经得到了相当广泛的应用，成为了现代生活当中必不可少的沟通媒介，在无线技术当中，可以利用无线网进行无线信号的覆盖，从而使得人们可以利用各种终端设备来使用无线网络，满足人们对于无线信息传递的需求。尤其是在这几年经济发展和社会进步得到飞速增长的今天，无论是工业领域还是民用消费品领域，无线技术得到了相当快速的发展，低成本低功耗小型化等优点使得无线技术在各行各业都有了广泛应用。

　　无线通讯种类很多，既有卫星通讯、短波通讯、CDMA、LTE等远距离无线通讯技术，也有WLAN、蓝牙、ZigBee、红外线等近距离无线通讯技术。各种技术互有优劣，各有合适的应用场景^[2]。

　　为了解决传统固结仪中存在的种种问题，本文将无线通讯技术引入固结仪的数据采集及控制系统，全面改进传统百分表和气压控制器。对比试验结果表明，改进后的固结仪的精度稳定性超越同类传统固结仪。

　　2  无线传输位移计的研发

　　针对固结仪数据采集的实际应用需求，我们采用近距离无线通讯技术，使用专用RF芯片工作于ISM频段2.4GHz，与蓝牙、ZigBee等技术相比在功耗、速率、通讯距离上有明显优势。作为单芯片模块，其内部集成高频发射/接收模块，可设置为+1dBm的发射功率，支持500kbps的数据传输速率，支持多种调制模式(OOK、GFSK、2-FSK和MSK)，提供对同步字检测、地址校验、灵活的数据包长度以及自动CRC处理的支持，支持RSSI(接收信号强度指示)和LQI(链路质量指示)，通过4线SPI接口与MCU连接，同时提供2个可设定功能的通用数字输出引脚，独立的64字节RXFIFO和TX FIFO，工作电压范围：1.8V～3.6V，待机模式下电流仅为400nA。

　　传统位移计由数据采集器进行供电，电源线和通讯线一起连接在位移计上，采用无线数据传输技术后，每个位移计不再需要连接通讯线，若不改变供电方式，电源线还是无法取消。因此在无线芯片功耗极低的技术基础上，我们改用电池供电，彻底取消连线，只是增加后盖厚度后将无线芯片、MCU和电池集中整合在百分表后盖，使得无线百分表成为完全独立的产品，易安装易更换，便携易用。在每秒发送一次数据的条件下，单颗电池供电可使用三年。由于没有连线拉拽，试验过程中位移计完全稳定，只反映土样变形，所测数据真实可靠。在传输上各位移计完全独立，互相没有干扰。在电脑端只需一个无线收发器就可以接收所有位移计的数据，与目前常规仪器每八个位移计需要一个数据采集器相比，整个系统大大简化。

　　由于目前常规有线系统所有数据采集器都连接在同一根数据总线上，主机对采集器的访问只能采用主从式，即主机轮询各个采集器，相应采集器依次应答。随着固结仪数量的增加，数据采集器也相应增加，轮询时间就会变长，可能影响数据实时性。改为无线通讯后，所有位移计改为主动发送模式，电脑端收发器平时只接收位移计和气压控制器发送的数据，只有在需要给控制器发送命令改变参数时才短时进入发送模式。这样数据采样周期只取决于位移计端的发送周期，可以保证数据实时性。

　　百分表分辨率是0.01mm，经过改造使用高精度采集部件，所得数据分辨率可提高一个数量级至0.001mm。对于含水率低整体压缩变形较小的硬土，提高分辨率可显著改善变形随时间变化采样精度和曲线显示圆滑度，更有利于求得准确的固结系数。经改进后的无线百分表实物如图2所示。接收端无线收发器实物如图3所示。

图2无线百分表实物图

Fig. 2 Wireless dial indicator

图3 无线收发器实物图

Fig.3Wireless transceiver

　　技术指标：

　　量程：0-10mm；

　　精度：0.2%FS；

　　分辨率：0.001mm

　　无线发送周期：1Hz（每秒1次）；

　　传输距离：50m（视距）

　　传输速率：250kbps；

　　频率波段：2.4GHz-2.483GHz；

　　待机电流：<6uA；

　　发射功率: >1dbm；

　　电源：DC3.6V电池供电

　　技术特点：

　　（1）整合度高：在现有通用成量百分表基础上，将供电、数据采集、无线传输整合为一体，保留原百分表指针读数，不改变原有百分表结构功能的条件下略微增加厚度即实现自动数据采集传输的所有功能，整合度极高，可代替现行常规试验系统中的采集器、电源线、通讯线等，无需连线，便于原位测试。

　　（2）功耗极低：由于采用极低功耗无线收发芯片和数据采集芯片，使得整个系统功耗极低，单颗电池使用寿命三年以上。

　　精度高：采用专用采集芯片，14位AD采集（分辨率16384码），对于量程12mm以内的百分表分辨率可达0.001mm。

　　（3）传输速率高，系统容量大：无线传输速率达250kbps，在稳定可靠的基础上相较于传统串口通讯9.6kbps有极大提升， 一个接收器可同时接收250以上通道数据（满足每秒数据更新1次）。

　　（4）兼容性强：可兼容其他类型传感器、仪器，所有类型仪器的控制、数据采集都可通过无线发送，只需一个接收终端。

　　（5）抗干扰能力强：相比传统有线RS485传输，通讯抗干扰能力强，各通道相互间AD转换完全独立，不存在串扰现象^[3]。

　　3 气压控制器的改进

　　常规气压固结仪的气压控制器也是通过通讯线和电脑主机连接，由主机发送命令至控制器，然后输出相应气压控制各级固结压力。和改造位移计类似，将无线通讯技术加入气压控制器后，可省去与主机端连接线，简化系统。

　　目前常规气压控制器只是执行命令输出气压，而不检测气源气压。若气源异常气压低于输出所需气压，阀门将频繁开关严重影响使用寿命。我们在控制器中加入检测气源气压单元，可实时判断气压是否满足需求，若不满足可向主机发送异常报警同时调低输出气压保护阀门。

　　目前大多数气压固结仪气源普遍采用空压机，市场上常见的传统空压机启停控制都是采用纯机械方式，安全系数低，精度低，无法调节气压范围，特别是低压启动值经常无法满足气压固结仪等试验要求。另外常规气压控制器只是执行命令输出气压，而不检测气源气压。若气源异常气压低于输出所需气压，阀门将频繁开关严重影响使用寿命。因此从安全保护角度和试验实际需求出发，我们在控制器中加入气源气压检测控制单元，对空压机进行数字化控制，可按需求对空压机进行启停控制，保证气源气压高于输出气压，若出现异常气源气压不满足试验需求可向主机发送异常报警同时调低输出气压保护阀门，大大提高设备安全性和实用性。

　　根据试验需求，气压控制器分为中低压和高压两种。针对30cm²标准土样，配合相应容器，中低压控制器可进行0-1600kPa固结试验，高压控制器可进行0-3200kPa固结试验^[4]。

　　改进后的无线固结仪如图4所示。

图4 无线固结仪实物图

Fig.4Wireless oedometer

　　按照2019版标准《土工试验方法》^[5]用改进后的固结试验系统进行多组试验，经验证各项指标均达到设计参数，完全满足试验要求。以下表1为高压固结试验样例结果。

　　表1 高压固结试验结果

　　Table 1 Result of high pressure oedometertest

　　图5为该试样3200kPa固结压力下的固结变形与时间关系曲线。（a为时间平方根曲线，b为时间对数曲线）。分别用两种方法求得固结系数几乎一致，分别为4.05×10-4 cm2/s和4.04×10-4cm2/s。图6为孔隙比与固结压力关系曲线。根据e~lgp曲线自动计算求得该试样先期固结压力Pc为157kPa，压缩指数0.313，回弹指数0.052.

（a）时间平方根曲线

（b）时间对数曲线

图5固结变形与时间关系曲线

Fig.5Variation of deformation with time

（a）e~p曲线

（b）e~lgp曲线

图6孔隙比与固结关系曲线

Fig.6Variation of void ratiowith consolidation preesure

　　4  结论与展望

　　1. 将无线通讯技术引入位移计和气压控制器，通过对百分表位移计和气压控制器的全面改进，固结仪数据采集稳定性、实时性、分辨率都有显著提高，控制系统安全可靠。。

　　2.大幅简化系统，更加易于安装调试，操作简单，使用方便。

　　3.可直接在现有气压固结仪和杠杆固结仪上更新使用，无线百分表可作为位移计独立使用于其它仪器，有广泛应用前景。

　　本文验证了无线通讯技术应用于土工试验仪器的可行性、优越性和可靠性。因此可将此技术应用于其它各种土工仪器，如三轴仪、直剪仪、渗透仪等，可显著提高仪器智能化水平，改善目前土工试验室仪器种类繁多连线复杂的现状。同时还可与其它技术结合，比如在室内试验仪器可利用WIFI ,在室外原位测试中可引入4GLTE通信以及5G通信，将所有试验数据实时通过互联网传送至服务器数据中心，可以远程监控整个试验过程而不只是在试验结束后查看结果。

　　参考文献：

　　[1]袁聚云.土工试验与原理[M].上海.同济大学出版社,2005:78-93.

　　[2]张玲. 现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势[J]. 中国新通信, 2017(18).

　　[3] GB/T 37367-2019岩土工程仪器位移计[S].

　　[4] GB/T 4935.2-2009 土工试验仪器固结仪第2部分：气压式固结仪[S].

　　[5] GB/T 50123-2019 土工试验方法[S].