梁偉偉　印朝輝　王　兵　張鵬程　穆瑞芬

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所　北京　100076)(2.北京航天長征飛行器研究所　北京　100076)

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基于無線自組網(wǎng)的載荷位移雙端測量系統(tǒng)設(shè)計

梁偉偉1印朝輝1王兵1張鵬程1穆瑞芬2

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所北京100076)(2.北京航天長征飛行器研究所北京100076)

針對傳統(tǒng)的有線載荷位移測量系統(tǒng)在操作、運輸、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的不足,基于模塊化設(shè)計思想,采用有效數(shù)據(jù)的識別獲取技術(shù)、無線自組網(wǎng)技術(shù)、無線傳控技術(shù)和具備無線接收、數(shù)據(jù)采集、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢和報表生成功能的開發(fā)程序,最終研制出一種由上下位機組成、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹⒒陔p終端的載荷位移測量系統(tǒng),徹底克服了傳統(tǒng)有線載荷位移測量系統(tǒng)準備繁瑣、多趟搬運、移動距離受限、部件多而重、操作不便等缺點,提高了設(shè)備的便攜性、易操作性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,同時測量精確,準確性高。文章詳細介紹了基于無線自組網(wǎng)的載荷位移雙端測量系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)方法。

位移測量; 無線; 數(shù)據(jù)采集; 便攜

Class NumberTP274.2

1　引言

位移測量應(yīng)用廣泛,在工業(yè)生產(chǎn)過程中,可以檢測各種物件的長厚度,還是測量力、扭矩、速度、加速度、流量等參數(shù)的基礎(chǔ)。在工程建設(shè)領(lǐng)域,不斷用于路基路面、建筑地基和特種裝備地基質(zhì)量的無損檢測[1]。

近年來,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,公路建設(shè)和房地產(chǎn)開發(fā)發(fā)展迅猛,其規(guī)模和數(shù)量達到建國以來的最高水平。伴隨著大量的公路和建筑施工,公路質(zhì)量和建筑地基基礎(chǔ)質(zhì)量檢測的工作量巨大。公路建設(shè)中,傳統(tǒng)的貝克曼梁檢測[2]耗時耗力、使用成本高,后來普遍采用一種適用于工程位移檢測的有線載荷位移測量系統(tǒng),既可檢測路面承載力,又可以檢測建筑地基基礎(chǔ)質(zhì)量,相對于貝克曼梁檢測省時省力、使用成本低,但是準備工作繁瑣、使用中設(shè)備移動不方便、可靠性不高。具體表現(xiàn)為使用前需要拉開數(shù)據(jù)線通過航插連接上和下位機,準備工作繁瑣。在使用過程中,按照工程質(zhì)量檢驗的要求,需要在路基路面或建筑地基上不斷地更換新點測量。由于上位機(由控制盒和筆記本電腦組成)和下位機的體積和重量不允許單人一趟搬走,所以至少需要單人搬運兩趟或兩個人協(xié)同搬運一趟才能把上位機和下位機搬到下一個點測量,費時費力;同時搬運過程中還要考慮傳輸線的長度限制問題,有時候過度拉扯數(shù)據(jù)線和航插會造成測量的數(shù)據(jù)不準確,數(shù)據(jù)的傳輸嚴格受制于長度有限的數(shù)據(jù)線。另外,由于控制盒和筆記本的疊加高度小,用戶需要蹲著操作筆記本電腦處理下位機送來的數(shù)據(jù),使用極不方便。

鑒于以上使用、運輸、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的不足,基于模塊化設(shè)計思想,本文設(shè)計出一種由上下位機組成、基于無線自組網(wǎng)的雙終端載荷位移測量系統(tǒng),使用前直接打開儀器電源和終端,自動組網(wǎng)連接,采集的數(shù)據(jù)通過無線方式直接進入到終端,經(jīng)過程序的數(shù)據(jù)處理,呈現(xiàn)給用戶最終的載荷位移數(shù)據(jù)和曲線,徹底克服了上一代有線載荷位移測量系統(tǒng)準備繁瑣、多趟移動、移動距離受限、部件多而重、操作不便等缺點,提高了設(shè)備的便攜性、易操作性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。用戶可以根據(jù)實際工程環(huán)境需要或使用習(xí)慣,單獨選購筆記本電腦或更便攜靈活的Android手持設(shè)備或兩者都選,作為接收處理數(shù)據(jù)的終端。

2　系統(tǒng)介紹和原理

該系統(tǒng)是一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸方式的載荷位移雙端測量系統(tǒng),其基本工作原理[3]是:先把承載板放在平整的測試場地上,通過加載系統(tǒng)人工提升重錘至固定高度,然后由釋放機構(gòu)釋放,自由下落的重錘沖擊承載系統(tǒng),對地面產(chǎn)生一沖力,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會采集到路面位移形變和載荷的變化數(shù)據(jù)并送到無線傳控系統(tǒng),其中,位移傳感器感應(yīng)地面承受沖力后產(chǎn)生的位移變化,測力傳感器感應(yīng)沖擊荷載的變化。無線傳控系統(tǒng)將采集的位移和載荷數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議以無線數(shù)據(jù)的形式向無線接收機構(gòu)傳輸。筆記本電腦或Android手持設(shè)備及其運行的測量軟件獲取無線接收機構(gòu)收到的位移和載荷數(shù)據(jù),經(jīng)過測量程序的數(shù)據(jù)處理,得到載荷和位移的準確值,且可以進一步計算出測試場地的動態(tài)彈性模量,同時也可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)對路面狀況進行進一步的分析評估,具體工作流程和原理如圖1所示。

圖1　無線自組網(wǎng)載荷位移測量系統(tǒng)工作原理圖

3　系統(tǒng)實現(xiàn)

基于無線自組網(wǎng)的載荷位移雙端測量系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、承載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、雙終端系統(tǒng)等組成,其中加載系統(tǒng)、承載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)于一體,稱為下位機,適于露天野外作業(yè);雙終端系統(tǒng)被稱為上位機,由筆記本電腦或Android手持設(shè)備及其上各自的測量軟件組成,適于在野外工程環(huán)境中便攜操控。

3.1加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)用于產(chǎn)生重錘對測量點的沖擊,主要由重錘、滑桿、鎖定桿和橡膠墊等四部分組成。重錘為圓柱形,上有可供手指扣緊的凹槽,方便手動提升。重錘被提升至最高處時,可被鎖定桿鎖定在滑桿的高處,操作者可預(yù)留出足夠的時間做其它準備或測量工作,需要釋放時,可隨時扳動鎖定桿釋放重錘。重錘沿滑桿垂直下落后,通過橡膠墊將沖擊力繼續(xù)下傳,完成其對承載裝置的加載。其中鎖定桿處于滑桿的高度位置可調(diào),這樣就可以將重錘控制在不同的高度,以獲得不同的沖擊力。

3.2承載系統(tǒng)

承載系統(tǒng)用于接受重錘沖擊并將該沖擊傳遞到地面產(chǎn)生位移變形。其結(jié)構(gòu)主要由承載板、通過螺釘固定在承載板上的承載筒、轉(zhuǎn)接板和固定在轉(zhuǎn)接板上的緩沖墊組成,同時力傳感器和位移傳感器被安裝在承載系統(tǒng)內(nèi);緩沖墊由三個橡膠柱組成;承載筒和轉(zhuǎn)接板之間放置力傳感器。位移傳感器安裝在承載板上通過彈簧與承載板形成柔性連接,探針通過承載板中心的圓孔穿出與地面接觸,測量地面在沖擊載荷下的瞬間變形量即位移。

3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集重錘沖擊產(chǎn)生的載荷和地面變形產(chǎn)生位移的數(shù)據(jù)。主要由承載筒內(nèi)的載荷傳感器、位移傳感器和承載筒外側(cè)壁的自研數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。用戶釋放重錘沖擊緩沖墊并將其傳遞到地面產(chǎn)生位移變形時,載荷傳感器感應(yīng)重錘產(chǎn)生的沖擊力,位移傳感器憑借其獨特的外置結(jié)構(gòu)準確地感應(yīng)地面的位移變形,兩種傳感器將沖擊力和位移形變轉(zhuǎn)換為模擬電信號,模擬電信號被數(shù)據(jù)采集卡采集,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,同時采用特定的算法判斷和截取載荷和位移的有效數(shù)字信號段,為下一步的無線數(shù)據(jù)傳送減少不必要的數(shù)據(jù)量。

數(shù)據(jù)采集卡中的有效數(shù)據(jù)的識別獲取方案如下:數(shù)據(jù)采集卡一直采集載荷和位移傳感器送過來的數(shù)據(jù),當送過來的數(shù)據(jù)大于某閾值后,參見圖2所示的示意圖,數(shù)據(jù)采集卡會截取其中的256個連續(xù)數(shù)據(jù),比較判斷出其中的最大值H點,再依次取最大值H點的前三個點A、B、C和后三個點的數(shù)據(jù)值I、J、K和最大值H點比較,如果最大值H點仍然最大,則此數(shù)據(jù)段為識別獲取的有效數(shù)據(jù)段,并被送完無線發(fā)射機構(gòu),否則此數(shù)據(jù)段無效。

圖2　識別獲取有效數(shù)據(jù)的算法示意圖

有效數(shù)據(jù)的識別獲取技術(shù)通過判斷和處理原始數(shù)據(jù)截取出最有效的數(shù)據(jù),直接減輕了無線發(fā)射機構(gòu)的發(fā)射數(shù)據(jù)量,同時也降低了筆記本電腦或Android手持設(shè)備中測量軟件的復(fù)雜度,降低了其待處理的數(shù)據(jù)量。

3.4無線傳控系統(tǒng)

無線傳控系統(tǒng)用于將數(shù)據(jù)采集卡送過來的有效載荷和位移數(shù)字信號段數(shù)據(jù)以無線的形式發(fā)送至雙終端系統(tǒng),同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。但是,無線傳控系統(tǒng)存在的前提是必須有穩(wěn)定可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

由于市面上Android手持設(shè)備普遍不支持點對點的Ad-Hoc[4]連接,雙終端系統(tǒng)的設(shè)計須兼顧Android手持設(shè)備和筆記本電腦的無線連接,因此采用了雙終端系統(tǒng)支持的無線自組網(wǎng)技術(shù),具體技術(shù)方案如下:通過無線AP建立起一個無線網(wǎng)絡(luò)[5],無線發(fā)射機構(gòu)和雙終端系統(tǒng)連接該無線AP成星型拓撲網(wǎng)絡(luò),其中無線AP提供無線接入的功能,該網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.11b標準的無線局域網(wǎng),所提供的WiFi無線鏈路安全穩(wěn)定,如果發(fā)生斷線,在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后可自動重新連接,網(wǎng)絡(luò)間的各個設(shè)備可以相互訪問。其中,雙終端系統(tǒng)中的Android手持設(shè)備或筆記本電腦作為服務(wù)器,無線電路模塊作為客戶端。

無線自組網(wǎng)技術(shù)克服了Android手持設(shè)備普遍不支持點對點的Ad-Hoc連接的缺點,通過無線AP建立起穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò),為無線傳控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)打下了良好的基礎(chǔ)。

無線傳控系統(tǒng)主要由自研的無線發(fā)射機構(gòu)、無線AP和無線接收機構(gòu)組成。

無線AP體積小,工作時放入使用者的口袋,隨著下位機移動逐點測量,其提供無線接入的功能,可以按照設(shè)置好的參數(shù)自動與無線發(fā)射機構(gòu)、無線接收機構(gòu)組成星型拓撲網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.11b標準的無線局域網(wǎng),所提供的WiFi無線鏈路安全穩(wěn)定,如果發(fā)生斷線,在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后可自動重新連接。網(wǎng)絡(luò)間的各個設(shè)備可以相互訪問。

無線發(fā)射模塊安裝在承載筒外側(cè)的金屬小箱內(nèi),此金屬小箱體積小、重量輕。無線收發(fā)模塊通過UART串口與數(shù)據(jù)采集卡連接,獲得進行無線發(fā)射的數(shù)據(jù)源,其天線通過螺絲接口安置于金屬箱體的外面,不使用儀器時可拆卸單獨存放,防止折斷天線。無線發(fā)射機構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)了射頻驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)安全和TCP/IP協(xié)議棧,可以將下位機送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無線信號,通過與無線接收機構(gòu)的對話建立起通訊鏈路,將其發(fā)送到上位機的無線接收機構(gòu)中,并進一步交由上位機中Android手持設(shè)備上運行的測量軟件處理。

3.5供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要為下位機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無線傳控系統(tǒng)提供工作電源,安裝在承載筒外側(cè)的金屬小箱內(nèi),采用四塊鋰電電池,每塊鋰電池是3.7V、5Ah,連接方式采用兩串兩并,從而達到供電電壓為7.4V,電池容量10Ah的移動電源,通過采用較大容量的電池從而保證系統(tǒng)能夠正常工作一周。另外,屬于上位機的Android手機利用自身的電池供電維持工作。

3.6雙終端系統(tǒng)

圖3　數(shù)據(jù)處理流程

雙終端系統(tǒng)是指運行各自測量軟件的筆記本電腦或Android手持設(shè)備,又稱為上位機?；跓o線自組網(wǎng)的通用性和兼容性,雙終端系統(tǒng)通過無線傳控系統(tǒng)獲取下位機發(fā)送的數(shù)據(jù),在由VB或Java語言開發(fā)的測量軟件的作用下,將其解析成有意義的物理數(shù)據(jù)。針對這些數(shù)據(jù),設(shè)計出同樣的處理算法,主要包括對數(shù)據(jù)進行電壓值與碼制換算、濾波、極值判定等,具體算法處理流程如圖3所示。處理后的數(shù)據(jù)最終以易于理解的曲線和峰值顯示,并被保存到手持設(shè)備或電腦中。下一節(jié)將詳細介紹基于VB或Java語言開發(fā)的測量軟件的設(shè)計。

4　軟件設(shè)計

由于雙終端系統(tǒng)中操作系統(tǒng)不一致,分別基于VB和Java語言設(shè)計出兩種測量軟件,配合下位機實現(xiàn)測量功能。

4.1筆記本電腦上的測量軟件

本軟件是在Windows XP系統(tǒng)下、采用VB2005開發(fā)而成的,界面簡潔,操作簡單。整個軟件主要由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊和報表生成模塊組成。數(shù)據(jù)接收模塊負責筆記本電腦與無線發(fā)射模塊的連接和對話,接收無線數(shù)據(jù),并保存在緩存中。數(shù)據(jù)處理模塊對無線數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理得到被檢測點當此測量的載荷和位移值,具體的處理流程如圖5所示。顯示模塊將載荷和位移的變化數(shù)據(jù)通過兩條圖線顯示給客戶,客戶可以直觀地看到被檢測點在落錘前后的載荷位移變化和最終結(jié)果,程序按照式(1)[6]內(nèi)部處理計算出的彈性模量也顯示在界面上。數(shù)據(jù)保存模塊負責將工程信息、載荷位移變化等數(shù)據(jù)保存到Access數(shù)據(jù)庫[7]中。數(shù)據(jù)查詢模塊可篩選滿足查詢條件的數(shù)據(jù)并返回給DataGridView控件[8]顯示。報表生成模塊將查詢的結(jié)果記錄自動生成報表,圖4為生成的報表實例。其中,如果查詢到多條記錄,則循環(huán)處理每條記錄生成多個Word報表。使用者還可以選擇生成報表的存放位置。

(1)

其中:E為彈性模量;D為承載板直接,取30cm;p為載荷(kN),L為檢測的回彈位移(0.01mm);μ為路基的泊松比,根據(jù)相關(guān)路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定取用。

圖4　生成的報表實例

上述五大模塊被主界面和查詢及報表生成界面有效組織在一起形成整個測量軟件,按照圖4所示的流程圖,依次完成了數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、保存、查詢和報表輸出。

4.2Android手持設(shè)備上的測量軟件

本測量軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā),鑒于手持設(shè)備的屏幕大小和Android系統(tǒng)自身的特點,軟件總體架構(gòu)采用了Android系統(tǒng)中的TabHost[9]標簽切換結(jié)構(gòu),四個不同的獨立的標簽分別對應(yīng)著主界面、工程信息輸入界面、采集保存界面和查詢界面,具體流程圖如圖6所示。主界面負責手持設(shè)備與其它器件的無線連接,確保無線傳輸系統(tǒng)的建立;工程信息界面負責工程檢測時相應(yīng)的工程信息輸入,輸入文本框采用了盡量減少觸摸次數(shù)的優(yōu)化設(shè)計;采集保存界面負責載荷位移數(shù)據(jù)的采集、處理、圖像顯示和保存,如圖7所示,保存將工程信息和原始測量數(shù)據(jù)存為一個文件。查詢界面可以查詢保存過的數(shù)據(jù)文件。各個界面采用的是Activity結(jié)構(gòu)[10]。操作者只要觸摸其中的任何一個標簽即可立即切換到此標簽對應(yīng)的界面。此外,在任何一個界面中都可以按下手持設(shè)備上的硬件按鈕退出程序。

圖5　測量軟件流程圖

圖6　Android測量軟件流程圖

圖7　測量軟件采集保存界面

5　實驗結(jié)果與分析

雙端載荷位移測量系統(tǒng)經(jīng)過校準后,即可投入實際使用。選取一段瀝青路面,打開下位機的電源,單人即可操作某個終端,并提錘落錘測量10個點,所測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　10個測量點的載荷位移數(shù)據(jù)

由表1可知道,雙端測量系統(tǒng)中,無論是筆記本終端還是Android終端,在同一點測量的位移準確性高,兩次數(shù)值偏差不超過2%,而且兩種終端的測量數(shù)值幾乎相等,證明雙端測量系統(tǒng)操作簡單、移動便攜、測量精確、準確性高。

6　結(jié)語

基于無線自組網(wǎng)的載荷位移雙端測量系統(tǒng)實現(xiàn)了對露天環(huán)境的路面和地基的位移測量,測量重復(fù)性高,數(shù)值準確。省去了航插、數(shù)據(jù)線和控制盒等部件,采用靈活便攜的雙終端作為上位機,體積小、操作簡單,測量軟件設(shè)計友好,運行流暢,可快速完成測量數(shù)據(jù)的接收、顯示、保存、查詢和報表輸出。其中,采用雙終端中的Android手持設(shè)備測量時,徹底克服了傳統(tǒng)載荷位移測量系統(tǒng)準備繁瑣、多趟移動、移動距離受限、移動的部件多而重、操作不方便等缺點,使單點測量過程簡單。在換點測量時,可將Android手持設(shè)備和無線AP放于隨身的口袋或包中,單人單趟即可移動下位機到下一個測量點,大大提高了測量的效率,有效保證了用戶輕松順利地完成測量任務(wù)。

投入市場后,已經(jīng)用于瀝青路面、基層、土基等多種類型結(jié)構(gòu)層和建筑地基基礎(chǔ)的位移檢測,為單位創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益,增加了航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量。特別是采用時下流行的Android手持設(shè)備用于工程質(zhì)量檢測行業(yè)中,先進時尚、簡單易用,增強了在行業(yè)內(nèi)的知名度,深獲用戶好評。

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Wireless Network Load Displacement Measurement System Based on Double Terminal
LIANG Weiwei1YIN Zhaohui1WANG Bing1ZHANG Pengcheng1MU Ruifen2
(1. Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing100076)

(2. Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing100076)

For the shortcomings of the traditional cable load and displacement measurement system in operation, transportation, data transmission and data processing system, based on the idea of modular design, technology of valid data identification and obtaining, wireless network technology, wireless transmission and control technology, development program with wireless receiver, data acquisition, image display, data storage, data query and report generation capabilities are used, and a wireless load displacement measuring system based on double terminal composed of the upper and lower machine is unltimately developed, the disadvantages of traditional wired load displacement measurement system such as multi-trip transportation, tedious work, mobile distance limit, many parts of heavy and inconvenient operation are developed ultimately, the equipment portability, operability and data transmission stability are improved, at the same time measurement is precision and has high accuracy. This paper introduces a design and implementation method of wireless network load displacement measurement system based on double terminal.

displacement measurement, wireless, data acquisition, portable

2016年2月8日,

2016年3月28日

中國運載火箭技術(shù)研究院第一〇二所航天應(yīng)用產(chǎn)業(yè)自研項目資助。

梁偉偉,男,碩士,工程師,研究方向:測量控制、圖像壓縮。印朝輝,男,碩士,高級工程師,研究方向:綜合化、智能化計量校準系統(tǒng)研制。王兵,男,碩士,高級工程師,研究方向:計量校準系統(tǒng)研制。張鵬程,男,碩士,工程師,研究方向:測控系統(tǒng)研制。穆瑞芬,女,碩士,工程師,研究方向:電氣系統(tǒng)設(shè)計。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.08.018