低功耗無線振弦式測量模塊的研制與應用

華 濤，李桂平，藍 彥，吳 波

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106）

低功耗無線振弦式測量模塊的研制與應用

華 濤，李桂平，藍 彥，吳 波

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106）

振弦式傳感器及測量模塊廣泛應用于水電工程、巖土工程等工程的安全自動監測系統中，本文針對振弦式測量模塊的電源功耗、通信組網方式、激振及測量等方面進行了研究，設計出一種基于ZigBee無線通信技術的低功耗、高精度、多通道的振弦式測量模塊，并在甘肅劉家峽水電站成功構建了基于該模塊的無線滲壓測量系統，目前成功運行近兩年，取得了良好的應用效果。

振弦式；測量模塊；低功耗；無線；ZigBee 滲壓測量系統

0 引言

近年來，隨著國民經濟的高速發展，工程建設領域也取得了巨大的成就。伴隨著眾多的工程投入運行和新建工程的開展，安全生產問題日益獲得大眾的關注，工程領域的安全監測技術研究也在日益深入。

振弦式傳感器作為一種頻率性傳感器，其輸出的頻率信號具有工作穩定可靠、抗干擾能力強、采集接口簡單等特點，適合自動化數據采集系統，因此，廣泛應用于工程中的壓力、應力、滲壓、沉降、拉力等關系到工程結構安全的相關物理量測量。振弦式測量模塊主要用于采集振弦式傳感器輸出的頻率信號，實現測量、數據處理、數據通信，存儲顯示以及相關聯的控制等功能，與振弦式傳感器、計算機數據采集管理信息系統共同組成了振弦式傳感測量系統，是振弦式傳感測量系統的核心組成。

在工程應用中，現有的振弦式測量模塊一般采用220V交流電源、蓄電池或者太陽能電池組供電，與上位機數據采集系統的通信一般采用RS485總線或以太網等有線方式，因此需要鋪設電源及通信電纜。在一些特殊環境的工程應用中，例如高邊坡、施工期復雜作業面、無市電供應區域的安全監測中，鋪設電纜存在困難，對工程建設的成本、進度均造成影響，限制了現有振弦式測量模塊的應用。

針對上述工程應用中的實際問題，本文對振弦式測量模塊的電源管理、通信方式、激振電路、信號處理采集電路進行了研究和優化，研制出基于ZigBee技術的低功耗無線振弦式測量模塊，該模塊具有功耗低、測量精度高、安裝方便靈活、系統創建及維護成本低、易于組網的特點，并成功應用于甘肅劉家峽水電站的滲壓測量系統。

1 模塊設計方案

模塊的總體設計功能為集數據采集、無線傳輸一體化的測量裝置，設計須滿足功耗低、無線組網方便、安裝靈活便捷的要求。因此，本文從電源系統、無線通信方式、電路組成器件、軟件程序設計及模塊外觀結構上進行全面的考慮和比選。

首先在電源設計上，選用了市面上容易購買的4節五號堿性干電池用作系統供電電源，方便工程應用中用戶替換電池，相比太陽能電池板配合蓄電池的組合而言，購買成本低，現場安裝方便，后期防盜防破壞的維護成本低。

電源的選擇，就決定了模塊的總體低功耗要求，因此，對無線通信方式的選擇必須滿足低功耗的原則。工程安全監測領域常用的無線通信方式有數傳電臺、GPRS、WLAN（WIFI）、ZigBee等，其數傳電臺和WALN（WIFI）因功耗較高，不適合電池組供電的情況首先予以排除。GPRS無線通信技術的顯著特點為在移動基站覆蓋的范圍內，點與點的通信幾乎不受通信距離的限制，適合野外觀測需要；但其因為需要依賴移動運營商提供服務，GPRS通信過程的流量需付費，GPRS服務器的固定IP也需要付費試用，長期使用成本較高，且通信質量受制于移動運營商的服務質量。相比GPRS通信技術， ZigBee技術作為一種短距離、低功耗、低數據速率、低成本、自組織的無線網絡通信技術[1]，其通信距離在數百米，能夠在電池支持下穩定工作，形成的無線局域網工作于免費的ISM頻段，運行中無須付費，且網絡質量用戶可控。其通信速率較低，但滿足工程監測的需要。ZigBee模塊工作在20～250 kbps的較低速率，針對不通的工作頻段，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，可以滿足低速率傳輸數據的應用需求。此外，ZigBee網絡容量大，組網便捷，擴展性好。ZigBee的上述特點，決定了其在工程安全監測領域的適用性，本設計選擇ZigBee技術作為無線通信方案。

圖1 低功耗無線振弦式測量模塊總體結構示意圖

模塊的總體功耗低，還要求在模塊電路的組成元器件選擇和電源管理方案上必須考慮低功耗，在模塊的軟件程序設計上，也需考慮低功耗的實現方案，具體實現方案下文詳細介紹。

根據上述的功能設計，結合現場應用環境的要求，低功耗無線振弦式測量模塊的總體結構示意圖如圖1所示。

圖1中，低功耗無線振弦式測量模塊主要由主控電路板、電池組、SMA接口通用天線、保護罩、安裝底板以及外接端子芯線組成。其中，主控電路板實現數據采集、無線通信等功能，四節5號普通堿性干電池組成的電池組為系統提供工作電源，SMA接口通用天線選擇增益為2.5dbi的全向天線。整個裝置被封裝在保護罩內部，保護罩經密封防水設計，不影響SMA接口通用天線的增益，外部通過密封接插件將測量芯線引出。現場安裝時，將安裝底板固定于待測結構體的附件上，用戶只需根據外接芯線的顏色按照說明書與振弦式傳感器連接即可，安裝方便快捷。因此，本儀器能夠較好的適應特殊環境的工程應用要求。

圖2 低功耗無線振弦式測量模塊電路示意圖

2 模塊電路設計

低功耗無線振弦式測量模塊的系統電路主要由微控制器、電池組、電源電路、電池電壓監測電路、ZigBee通信電路、時鐘電路、存儲電路、測量電源電路、測量電路組成，見圖2。

圖2中，微控制器選用SiLabs公司的C8051F120混合信號 ISP FLASH微控制器，該控制器具有5 個定時器，1個PCA，1個捕獲器/比較器，8通道12位 A/D ，1個內部參考電壓源，2路12位D/A，實時時鐘RTC，片上資源豐富，還具備SPI、SMBus、I2C、2路UARTS等多種外設接口。該控制器功耗低，典型工作電流低至15μA （VDD=3.0V，CLK=32kHz），停機模式下功耗低至0.4μA，比較適合低功耗應用。

電池組由四節普通五號1.5V堿性干電池組成，為整個系統提供工作電源。電池電壓測量電路可實時監測電池組的電壓，并將電壓值發送至監測主機，以便用戶及時更換電池組，避免模塊因電池電壓不足導致測量不正常。ZigBee通信電路在微控制器的控制下，可進入休眠狀態或被喚醒。時鐘電路為低功耗無線振弦式測量模塊供系統工作的實時時鐘，微控制器根據監測主機的命令，對時鐘電路進行相關設置，并接收時鐘電路提供的定時測量、定時自報的控制信號。存儲電路用于存儲測點設置等信息，還可在定時自報測量數據失敗或定時測量的情況下存儲測量數據，微控制器再根據監測主機發出的取數據命令將存儲的測量數據再次發送至監測主機。

數據采集電路工作于定時自報狀態，由時鐘電路控制采集周期，定時喚醒處于低頻休閑狀態的微處理器。微處理器通過采用多路開關選通待測傳感器，依次將方波掃頻激振信號切換至6個傳感器線圈對應的場效應管上，對傳感器進行激振。在激振結束后，微處理器關閉激振信號，采用另一個多路開關將對應的傳感器線圈頻率信號接至信號放大調理電路。微控制器通過內部比較器和定時器測量放大調理后的頻率信號，得到傳感器的頻率數值。

傳感器溫度電阻測量電路采用3.3V對傳感器溫度電阻和標準精密電阻串聯供電，微處理器通過內部的12位AD采樣傳感器溫度電阻和標準精密電阻的電壓值，以獲得傳感器溫度電阻和標準精密電阻的比值，從而計算得到傳感器溫度電阻值。

在系統電路研制中，主要是考慮系統整體功耗要極低，以適應普通堿性干電池供電的要求。因此，在設計中，一方面從硬件設計上，盡可能地采用低功耗器件，在運行中考慮電源的分區分時管理方案，例如在通信過程中，關閉所有測量電路的電源供應；在測量過程中，控制ZigBee通信電路進入低功耗模式等措施；另一方面，在軟件程序設計上，采用了多重低功耗設計方案，使各部分電路在微控制器的控制下，能夠進入休眠狀態，且能夠及時從休眠狀態喚醒，從而有效降低系統功耗。本儀器在非工作狀態時，整體功耗為70uA左右，完全適用于電池組供電。

3 模塊參數功能

低功耗無線振弦式測量模塊作為一款集數據采集和無線傳輸一體化的裝置，其測量精度和測量范圍等技術指標全部滿足行業標準的要求，并具備一般有線智能采集模塊的功能，如實時時鐘管理、參數及數據掉電保護，選測、單測、即刻測量及定時測量、定時自報、實時監測等功能。此外，低功耗無線振弦式模塊還可以監測自身的電池電壓數值，實時預警，以便用戶實時判斷當前電池的使用情況，及時對電池進行更換。

低功耗無線振弦式測量模塊的詳細技術參數如下：

（1）工作溫度：-40～+70℃；

（2）環境濕度：＜95%；

（3）供電電源：4節普通5號堿性干電池；

（4）工作功耗：守候電流＜0.1mA，工作電流＜400mA；

（5）工作時間： 1年；

（6）無線通信技術：ZigBee技術；

（7）無線通信距離： 500m；

（8）傳感器通道數：頻率6個，溫度1個；

（9）傳感器激振電壓：3.3VDC；

（10）傳感器激振方式：方波掃頻；

（11）測量范圍：頻率400～6000Hz，溫度-20～80℃；

（12）分辨率： 頻率0.1Hz，溫度0.1℃；

（13）基本誤差：頻率≤0.2Hz+1LSD，溫度≤0.5℃+1LSD；

（14）溫度附加誤差：頻率≤0.1Hz，溫度≤0.2℃。

4 模塊工程應用

4.1 工程背景

劉家峽水電站，位于甘肅省永靖縣境內的黃河干流，1958年開工興建，1974年建成，為我國自行設計施工建造的首座百萬千瓦級水電站。劉家峽水電站總裝機容量122.5萬kW，設計年平均發電量為57億kW·h，是以發電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、供水、養殖等綜合利用效益的大型水利樞紐。

劉家峽水電站大壩安全監測自動化系統主要用于變形監測、滲流監測以及環境監測，自動化系統改造工作于2002年8月通過驗收，正式投入運行。系統正常運行期間，業主根據工程安全監測的需要，對系統軟硬件進行了持續完善和升級[2]。2012年，業主啟動了新增1個滲壓觀測點、升級3個滲壓觀測點的試點改造工作。

4.2 無線滲壓系統總體設計

根據改造工作的要求，其中新增的一個測點位于大壩右岸邊坡上，距離大壩最近的具有電源及通信電纜的觀測站房約200m，若鋪設電源及通信電纜至觀測站，施工較為困難，成本較高；另外升級改造的三個測點位于大壩下游的廠區里，廠區運行多年，路面已經全部硬化，若施工鋪設電源及通信電纜施工環境不允許。本次改造涉及的四個測點都在廠區視通范圍之內，且離安全監測自動化信息系統機房距離不超過500m。

圖3 劉家峽水電站無線滲壓系統示意圖

考慮到上述升級改造工程特點，本文研制的低功耗無線振弦式測量模塊以其性能特征正好能滿足本工程的要求。因此，設計采用四個低功耗無線振弦式測量模塊，配置1個無線通信管理器實現ZigBee無線通信管理，因四個測點均處于廠區500m范圍內，故無需無線中繼，只需形成一個ZigBee無線局域網即可。本文設計的劉家峽水電站無線滲壓系統如圖3所示。

如圖3所示，劉家峽水電站無線滲壓系統采用了四個低功耗無線振弦式測量模塊，其中154號測點的模塊接2通道的振弦式滲壓計，其他三個測點均接1通道的振弦式滲壓計。為了實現對四個模塊的ZigBee通信管理，采用了一個無線通信管理器。無線通信管理器通過RS485總線與監控主機相連，負責轉發監控主機的各種命令，并喚醒相應的休眠測量模塊。圖示無線滲壓監測系統與劉家峽現有的安全監測自動化系統完全兼容，可方便地接入既有信息系統中。

現場安裝中，將無線通信管理器安裝于監控主機所在的樓頂，與四個測量模塊基本做到視通；再將采用圖1結構的測量模塊安裝于滲壓計所在的井口位置，將傳感器引線與模塊的外接引線進行連接即可，不外露任何引線，安裝便捷，安裝后的效果簡潔美觀。安裝完畢后，利用已有的安全監測自動化信息系統設置測量模塊的時鐘以及定時測量周期等操作，即可啟動測量，調試相對簡單。整個升級改造工作實施周期短，成本省，且不影響既有信息系統的正常運行。

4.3 系統關鍵性能

劉家峽水電站無線滲壓系統于2013年9月下旬安裝調試，2013年10月投入運行，至今（2015年8月）已經工作近2年。運行期間，模塊在重點觀測期間（例如汛期）8h測量一次，非重點觀測期間12h測量一次，迄今模塊測量各項功能正常，達到業主升級改造目標。

相比已成熟應用多年的有線供電通信的振弦式測量模塊，低功耗無線振弦式測量模塊待驗證的關鍵性能為低功耗指標、測量穩定性指標、無線通信穩定性指標。選取其中的154號和494號測點為例，兩個測點電池組電壓監測曲線如圖4所示。

圖4的數據為代表性的兩個測點自2013年10月投運至2014年6月30日的實測數據，持續9個月，共計1400個測次的實測數據。實測數據表明，模塊供電電源的四節普通堿性干電池的電壓從6.40V左右降低到5.64V左右，即單節電池壓降為1.6V降低到1.41V。而5號堿性干電池的電池放電平穩區間為1.4～1.0V之間，即模塊持續正常工作9個月時，電池組電壓仍處于放電區間內，據此可以推斷出：模塊完全可以在4節5號干電池供電下正常工作一年以上。目前，模塊還在現場正常運行，電池未更換過，使用情況印證了上述推斷。因此，模塊的低功耗測量特性，完全能夠適應工程應用的要求。

此外，選擇154號測點中的一只和494號測點的滲壓計頻率測量結果如圖5所示。

圖4 電池組電壓實時監測曲線（494號和154號測點）

由圖5可知，低功耗無線振弦式測量模塊的原始頻率測量結果穩定連續，位于不同位置的觀測點結果呈現出一定的變化規律，與測點的預期變化規律一致，測量穩定性得到工程驗證。此外，結合實測數據分析，歷經9個月共計1400多個測次，模塊測量數據無丟失遺漏情況，無線通信穩定性也得到充分驗證。

5 結束語

本文結合振弦式測量模塊在工程應用中遇到的問題，將ZigBee無線通信技術、低功耗技術應用于振弦式測量模塊的設計中，通過優化總體結構設計，研制出一種功耗低、測量精度高、安裝維護方便、組網便捷的振弦式測量模塊，可實現對6路振弦式傳感器和1路溫度電阻的測量，各項指標均滿足行業應用要求；并結合劉家峽水電站滲壓系統改造的具體要求，本文設計了一套基于低功耗無線振弦式測量模塊的無線滲壓測量系統，迄今投運近2年，工作穩定可靠，系統的低功耗特性和通信測量穩定性得到驗證，為今后低功耗無線振弦式測量模塊及ZigBee無線測量系統的應用樹立了良好的示范效應。

[1]劉子京，裴文江. 基于ZigBee協議的無線傳感器網絡研究.計算機技術與發展，2009，19（5）:192-194.

圖5 模塊滲壓計測量曲線（494號和154D號測點）

[2]高承眾. 劉家峽水電站大壩安全監測的發展歷程與現存主要問題.水電站梯級調度、自動控制技術研討會論文集，2008：143-144.

華 濤（1981—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發和系統集成。E-Mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

李桂平（1981—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發和系統集成。E-Mail：liguiping@sgepri.sgcc.om.cn

藍 彥（1968—），男，大學本科，研究員級高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發和系統集成。E-Mail：lanyan@sgepri.sgcc.om.cn

Development and Application of Low-power Wireless Vibrating-wire Measuring Module

HUA Tao，LI Guiping，LAN Yan，Wu Bo
(State Grid Electricity Power Research Institute/NARI Group Company，Nanjing 211106，China)

Vibrating-wire sensor and measuring module are widely used safety monitoring system of hydropower Engineering and geotechnical engineering. This paper study low-power consumption，wireless communication network，excitation and measurement method of vibrating-wire measuring module，and design a low-power consumption，high precision，multi-channel vibrating-wire measuring module based on ZigBee wireless communication technology.This paper also introduce the successful application of the module in the wireless seepage pressure measurement system of Liujiaxia hydropower station in Gansu Province.The wireless seepage pressure measurement system has been successfully operating for nearly two years，and achieved good application effect.

Vibrating-wire; measuring module; lowpower; wireless; ZigBee; seepage pressure measurement system