无线通讯技术在固结试验系统中的应用（一）

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。

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。

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，最大限度的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，最高可设置为+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500nA。

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，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。