劉昌明，時 朵，黃躍文，劉亞翔，張 乾

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081；3.長江科學院工程安全與災害防治研究所，湖北武漢 430010)

0 引言

由于對大壩、邊坡、基坑等內部縱深處變形監(jiān)測的不到位，容易引發(fā)潰壩、滑坡、基坑坍塌等事故，為減少事故的發(fā)生，對其進行內部縱深處變形安全監(jiān)測十分必要。李心一[1]提出研制多點固定測斜儀；任桂香[2]等采用固定式電子堤防測斜儀實現(xiàn)對大壩的變形監(jiān)測；程遠超[3]等設計了高精度測斜儀。但以上方法存在共性問題，即測斜儀之間采用的均為RS-485或RS-232總線串接方式,此種數(shù)據(jù)連接方式具有可靠性低，應用不靈活，通信誤碼率高等問題[4]；并且監(jiān)測結果也只能在PC端查看，未設置移動端的監(jiān)測方式，降低了監(jiān)測的靈活性與實時性。為解決上述問題，本文研究開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于CAN總線的通訊方式，并以此為基礎設計了固定測斜儀，對大壩、邊坡、基坑等進行內部縱深處變形監(jiān)測，CAN總線增設了防雷功能，使其在雷雨天氣具備更強的抗干擾能力；設計了數(shù)據(jù)采集單元，對數(shù)據(jù)進行采集、存儲和遠程通訊，并增加了藍牙通訊模塊，實現(xiàn)移動監(jiān)測；搭建了監(jiān)測結果的顯示界面，使監(jiān)測結果查看更方便、直觀[5-6]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設計

基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由固定測斜儀、數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)控服務器構成。本系統(tǒng)將一定數(shù)量的固定測斜儀根據(jù)工程需要組成不定長度的鏈式結構安裝到監(jiān)測對象中，監(jiān)測內部縱深處變形，再通過CAN總線的通訊方式將固定測斜儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集單元，進而通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)上傳至監(jiān)控服務器，PC端、移動端可隨時通過發(fā)送指令實時查看監(jiān)測結果。實現(xiàn)對大壩、邊坡、基坑等內部縱深處變形的自動化遠程監(jiān)測，及時的對事故的發(fā)生采取補救措施和預防。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體示意圖

其中固定式測斜儀由高精度傾角傳感器、24位A/D轉換芯片、STM32F103微處理器組成。傾角傳感器采集內部縱深處變形數(shù)據(jù)并將其轉換為模擬的電壓值，通過24位A/D轉換芯片把模擬信號轉換成數(shù)字信號，STM32F103微處理器對數(shù)字信號進行濾波和計算，最終由CAN通訊接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集單元。

數(shù)據(jù)采集單元的硬件選用STM32F407VET6作為主控模塊微控制器，CAN總線接口ADM3051芯片以及以太網W5500芯片控制器作為網絡接口模塊，藍牙模塊選用TICC2540芯片的HM-11，存儲模塊則用W25Q128JV芯片。由CAN總線串行作為固定測斜儀部分的傳感器接入點，獲取傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)并存儲，通過以太網或者無線的方式上傳至監(jiān)控服務器；移動端可通過藍牙連接實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)查看。

監(jiān)控服務器實現(xiàn)將實時上傳的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、處理、可視化等功能。

2 固定測斜儀的電路設計

固定測斜儀電路設計分為電源模塊、測量模塊、主控模塊和通訊模塊。電源模塊為其他模塊供電；測量模塊則通過傳感器獲取實時數(shù)據(jù)，經主控模塊處理，由通信模塊將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)采集單元，如圖2所示。

圖2 固定測斜儀整體框圖

2.1 電源模塊

電源是保障系統(tǒng)平穩(wěn)運行的基礎，由于整體電路中涉及到模擬電路采樣，并且整體工作電流不大，為避免高頻開關信號對模擬信號采集的干擾，未使用DC-DC電路進行電壓轉換，電源采用三級降壓設計，支持外部供電電壓為12～26 V，配合自恢復保險絲，鉭電容等，保證電源質量穩(wěn)定。第1級電路降壓至9 V，第2級電路降壓至5 V，為傳感器芯片和基準電壓芯片供電，第3級電路降壓至3.3 V為微控制器、24位A/D轉換芯片和CAN總線通訊芯片等供電。電源模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

2.2 測量模塊

測量模塊主要由兩個單軸傾角傳感器SCA103T-D04和24位A/D轉換芯片構成。傾角傳感器量程達±15°，具有溫度自補償功能，同時有SPI數(shù)字和模擬信號雙輸出模式，數(shù)字輸出分辨率可達0.009°。傾角傳感器工作原理是內置三層平行硅片，當傳感器發(fā)生偏轉，致使中間層硅片偏離原始位置，改變了極板間的間距從而引起電容變化，使電容兩端的輸出電壓改變，最終通過計算將電壓變化量轉化為角度偏移量，實現(xiàn)角度測量。

為測得電容兩端電壓變化量，設計了電壓測量電路，如圖4所示，由高精度電壓基準芯片和24位A/D芯片構成。電壓基準芯片選用高精度低溫漂的ADR45系列電壓基準芯片，根據(jù)測量電壓范圍需要選擇4 V基準電壓。24位A/D芯片選用ADS1247，該芯片能夠提供四路單端模擬信號輸入和兩路差分模擬信號輸入，使用兩路差分采樣方式獲取傳感器輸出的模擬電壓信號。該芯片的采樣速度快，穩(wěn)定性好，能夠很好的滿足使用需要。

圖4 測量模塊電路原理圖

測量模塊在監(jiān)測數(shù)據(jù)時，通過主控模塊的微控制器向ADS1247的SPI端口發(fā)送RDATA命令字，將返回的電壓值進行反余弦計算得到變形角度值，為消除隨機噪聲給讀數(shù)帶來的干擾，預測出準確數(shù)值，將角度值送入卡爾曼濾波器進行濾波處理。

考慮到卡爾曼濾波器在連續(xù)系統(tǒng)中的理想效果，以及對數(shù)據(jù)采集單元下發(fā)的讀數(shù)指令做出快速響應，整個讀取數(shù)據(jù)的過程重復不間斷運行，保證濾波器的輸出值實時且準確。

2.3 主控模塊

主控模塊選用STM32F103CBT6微控制器，如圖5所示，運用RC振蕩器作為內部時鐘信號，無需外部提供晶振，運行頻率為8 MHz，并啟用內部看門狗模塊保障程序正常運行。因STM32F103系列單片機具備內部FLASH自編程功能可以在程序運行時對內部未使用的FLASH單元進行自編程，將運行參數(shù)，校準參數(shù)，靜態(tài)信息等寫入FLASH中進行保存，免除了擴展外部FLASH或EEPROM。

圖5 主控模塊原理圖

2.4 通訊模塊

通訊模塊原理圖如圖6所示，采用CAN總線接口電路，使用TJA1050T芯片作為接口轉換芯片，并附加保險絲和TVS管對CAN通訊接口進行保護。

圖6 通訊模塊原理圖

在通訊采用CAN總線的情況下，為提高通訊效率，固定測斜儀與數(shù)據(jù)采集單元之間的通信協(xié)議采用modbus總線協(xié)議，modbus總線協(xié)議具有幀格式簡單、緊湊、用戶使用簡單的優(yōu)點。特別是固定測斜儀與數(shù)據(jù)采集單元之間使用CAN總線通信，CAN總線的每個通信幀字節(jié)數(shù)限制在6字節(jié)以內，而modbus協(xié)議的緊湊特點能夠適應這個限制，最大化的提高通信效率。

3 數(shù)據(jù)采集單元設計

數(shù)據(jù)采集單元是整個系統(tǒng)中的重要部分，直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。良好的設計能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量。

數(shù)據(jù)采集單元的主控制器選用STM32F407VET6微處理器，采用LQFP的封裝方式，可靠性高，封裝體積小，工作頻率高達168 MHz。具備較好的性能和各種外設資源，包括CAN、RTC、I2S、I2C、SPI、USB、UART、USART等。自帶512KB Flash閃存。

設置實時時鐘RTC，其具有獨立的BCD定時/計數(shù)器。自帶一個時鐘日歷、兩個可編程的鬧鐘中斷和一個有中斷能力的周期性可編程的喚醒標志。

外部存儲器使用128 M位空間大小的W25Q128JV串行閃存。W25Q128JV有4 096個可擦除扇區(qū)和256個可擦除塊。W25Q128JV提供標準串行外設接口SPI。支持自身的SPI時鐘頻率高達133 MHz。

CAN總線的物理層收發(fā)器選用ADM3051。該芯片能夠以高達1 Mbps的數(shù)據(jù)速率運行。且芯片具備熱關斷和限流功能，可預防12 V總線供電系統(tǒng)中總線與地或電源端之間的輸出出現(xiàn)短路情況。

嵌入式以太網控制器W5500芯片是一個硬連接的TCP/IP。提供了與嵌入式系統(tǒng)更簡單的互聯(lián)網連接。使用嵌入式TCP/IP堆棧、10/100以太網MAC和PHY的單芯片，實現(xiàn)互聯(lián)網連接。

藍牙模塊HM-11系列的采用TICC2540芯片，支持AT命令，調制方式為GFSK，工作頻率2.4 GHz傳輸數(shù)據(jù)無字節(jié)限制，傳輸速率可達6Kbps,具有相對傳輸距離遠，超低功耗，體積小等優(yōu)點。

軟件部分每個模塊在單獨的文件內編寫和測試，在主函數(shù)中調用子模塊功能函數(shù)。同時，開啟了看門狗定時器，在程序運行出現(xiàn)意外故障時會產生超時復位，保證了采集功能的連續(xù)正常使用，數(shù)據(jù)采集單元軟件設計如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集單元軟件模塊示意圖

初始化模塊：設置處理器內部和外圍芯片寄存器使得系統(tǒng)能按初始狀態(tài)開始工作，包括設置時鐘寄存器、GPIO寄存器、看門狗寄存器、UART寄存器、CAN寄存器、SPI寄存器等；

定時策略模塊：根據(jù)儲存模塊內的定時采集時間間隔策略，在實時時鐘RTC中設置鬧鐘中斷，在中斷回調函數(shù)中調用固定式測斜儀數(shù)據(jù)讀取指令；

儲存模塊：存儲定時采集時間間隔策略和包含時間標簽的采集數(shù)據(jù)，提供通過時間范圍查詢歷史數(shù)據(jù)的功能；

CAN通訊模塊：通信協(xié)議采用的是CAN總線標準幀協(xié)議進行通訊，允許多個設備連接在同一個網絡上進行通信。由CAN通信模塊向固定式測斜儀發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，對固定式測斜儀的回應進行解析；

協(xié)議解析：解析和打包Modbus協(xié)議幀；

以太網模塊：接收解析PC端下發(fā)的通信指令，打包數(shù)據(jù)向PC端返回通訊指令。

藍牙模塊：包含藍牙初始化程序，串口中斷接受程序。藍牙模塊初始化后進入待機狀態(tài)，然后移動端APP控制程序搜索到可連接藍牙設備，在移動端選擇該藍牙進行配對后，開始數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)移動監(jiān)測。

4 監(jiān)控服務器設計

監(jiān)控服務器主要功能包含數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化以及人機交互等。

監(jiān)控服務器使用B/S架構開發(fā)，打開瀏覽器即可使用，這種架構具有維護方便、分布性廣、開發(fā)相對簡單且共享性較強等優(yōu)點。監(jiān)控服務器數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖

后端使用node.js開發(fā)平臺和sqlite數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集界面如圖9所示，數(shù)據(jù)采集單元由TCP方式連接到服務器的后端程序，主要功能如下：

數(shù)據(jù)存儲：實現(xiàn)ORM功能，抽象出數(shù)據(jù)模型，方便程序調用數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)分析：包括異常值處理、多點采集儀聯(lián)合計算、可視化數(shù)據(jù)預生成等；

設備管理：采集儀設備的在線狀態(tài)記錄和設備配置管理功能。

前端程序使用Vue.js框架開發(fā)，具有易用靈活高效的特點，實現(xiàn)人機交互和數(shù)據(jù)直觀顯示。

圖9 數(shù)據(jù)采集界面示意圖

5 結論

本文基于CAN總線通訊方式設計了一套固定測斜儀，系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集單元以及監(jiān)控服務器，針對大壩、邊坡、基坑等的內部縱深處變形進行監(jiān)測，實現(xiàn)了內部縱深處變形的自動化監(jiān)測，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕€(wěn)定性以及通訊抗干擾能力；同時實現(xiàn)了監(jiān)測結果的移動監(jiān)測，兼具預警預報功能，完善了基體內部縱深處的監(jiān)測手段，能夠及時準確地預測潰壩、滑坡以及基坑坍塌等事故的發(fā)生。