一种新型的传感器连接总线监测系统的开发

摘 要

　　我国是水利大国，大坝数量众多，由于地质灾害频发和大坝使用时间的增长， 大坝存在的安全隐患越来越多。因此，大坝安全监测发挥着越来越重要的作用， 国家和相关单位也十分关注大坝的安全问题。

　　目前使用比较多的是使用传感器作 为大坝的监测手段，传感器的组网方式主要是有线组网和无线组网，目前这两种 组网方式都存在一定的弊端，所以开发一种新型的传感器连接总线，能弥补有线 和无线连接方式的缺陷具有非常重要的意义。 在目前的传感器组网方式中，有线连接方式存在接线多，密封容易失效的问 题；无线的连接方式存在供电失效和无线信号传输不稳定的问题。

　　本次研究的目 的就是开发出一种新型的传输总线，解决上述组网方式存在的问题。 本研究系统由通讯主机和若干个信号采集单元构成，以固定式测斜传感器为 实例，也可以应用于其他传感器。具体的组织方式为，通讯主机引出一条绝缘良 好的导线，每个信号采集单元都带有磁环，导线依次穿过各个信号采集单元的磁 环，则每个信号采集单元都是通过磁环连接到总线，没有直接电气接触，信号采 集单元不设电源，供电和信号都是通过磁路耦合的，现场安装非常方便，不需要 破坏绝缘皮，没有防水不足的安全隐患。

　　本次开发主要内容是信号与供电通路的单线模型计算与实验，电路硬件的研 究设计和单片机程序的开发。具体的工作内容如下：

　　（1）根据设计需求，结合所学知识，设计单线传输系统的宏观架构。分配 出每个部分的具体任务。

　　（2）选择合适磁环，搭建并计算总线电气模型，选择合适的总线驱动频率。

　　（3）根据计算出的电气参数，计算并设计出硬件电路，调整硬件参数，实 现硬件的正常工作。

　　（4）根据总线能量与信号传输的需要，编制单片机软件，实现数据与电源 交换功能。

　　（5）开发数据中继器的软硬件；实现模块化组网和数据分批传送。设计现 场专用手持设定与读数仪。

　　（6）实现整体系统联调，从实际应用中作出修改提升方案。

　　关键词：无源传感器；非接触式；大坝监测；倾角传感器；通讯总线

Abstract

　　China is a large water conservancy country with a large number of dams. Because of the frequent occurrence of geological disasters and the increase of dam service time, there are more and more potential safety hazards in dams. Therefore, dam safety monitoring plays an increasingly important role, and the state and relevant units are paying more and more attention to the safety of dams. At present, more and more sensors are used as the monitoring means of the dam, and the sensor network mainly consists of wired network and wireless network. However, there are some disadvantages in the two networks, so it is of great significance to develop a new sensor connection bus to make up for the defects of wired and.

　　In the current sensor network, the wired connection mode has many wiring, and the sealing is easy to fail; the wireless connection mode has the problems of power failure and wireless signal transmission instability. The purpose of this study is to develop a new type of transmission bus, to solve the problems of the above networking mode

　　This research system is composed of communication host and several signal acquisition units. Taking the fixed inclinometer as an example, it can also be applied to other sensors. The specific organization mode is that the communication host leads out a wire with good insulation, each signal acquisition unit is equipped with a magnetic ring, the wire passes through the magnetic ring of each signal acquisition unit in turn, then each signal acquisition unit is connected to the bus through the magnetic ring, without direct electrical contact, the signal acquisition unit is not equipped with a power supply, the power supply and signal are coupled through the magnetic circuit, and the field is safe. It is very convenient to install, no need to damage the insulation skin, and there is no hidden danger of insufficient waterproof.

　　The main content of this development is the single line model calculation and experiment of signal and power supply path, the research and design of circuit hardware and the development of single chip computer program. The specific work contents are as follows:

　　（1） According to the design requirements, combined with the knowledge learned, design the macro structure of single line transmission system. Assign specific tasks to each part.

　　（2） Select the appropriate magnetic ring, build and calculate the bus electrical model, and select the appropriate bus drive frequency.

　　（3） According to the calculated electrical parameters, calculate and design the hardware circuit, adjust the hardware parameters, and realize the normal operation of the hardware.

　　（4） According to the need of bus energy and signal transmission, the software of single chip microcomputer is compiled to realize the function of data and power exchange.

　　（5） Develop the software and hardware of data repeater, realize modular networking and data batch transmission. Design the special hand-held setting and reading instrument.

　　（6） Realize the overall system joint commissioning, and make the modification and improvement scheme from the actual application.

　　Key words: passive sensor; contactless; dam monitoring; inclination sensor; communication bus

目录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　人类修建大坝已经具有三千多年的历史，大坝建造水平的提高是人类技术进 步的标志，大坝在人类改造自然方面具有代表意义。我国是水利大国，目前我国 已建和在建的大坝的数量超过 10 万，大坝数量居世界首位[1-3].这些大坝在推动 国民经济发展，提高国民生活水平方面发挥着重要的作用。大坝可以蓄洪，避免 或者降低自然灾害给国民经济和生命安全带来巨大的危害；大坝可以积蓄水资源， 利用这些水资源可以为国民生活提供淡水，为农田灌溉提供水源，降低干旱对农 业生产带来的影响；此外，大坝在发电、渔业以及旅游业等方面也发挥着重要的 作用。随着科学技术的进步和水资源开发的深入，修建大坝的地址条件越来越复 杂，大坝的高度在不断的增长、规模也在不断提高，代表性的有三峡、小浪底和 二滩等大坝[4-8].

　　大坝作为大型的水利工程，在造福人类的同时，也因为很多因素的影响，存 在很多的安全风险。影响大坝安全的因素有很多，主要来自以下方面：一是水文 地质情况超出设计使用的条件范围，导致大坝的安全运行受到影响；二是施工质 量达不到设计要求，从而导致大坝的寿命与设计寿命不符；三是随着时间的推移， 水利工程材料老化导致的大坝出现安全风险；四是大坝的运行管理存在不足导致 的大坝安全隐患[9]. 大坝存在的这些安全隐患一旦发生事故，不仅会丧失大坝的工程效益[10],还 会直接威胁大坝下游国民的生命财产安全，必须引起足够的重视。在水库大坝的 历史上就出现过很多因为大坝安全隐患没有及时处理酿成严重事故的事情[11-14]. 例如，1864 年在英国发生过裂缝垮坝事件；1889 年在美国发生过漫顶垮坝事件； 1959 年在西班牙发生过沉陷垮坝事件；1960 年在巴西发生过洪水冲垮大坝事件。 这些事件都带来了很大的人员伤亡以及巨大的经济损失。 为了避免出现重大的安全事故，通过监测的方法尽早发现问题并及时的采取 安全补救措施是目前使用最多的方法。大坝的自动化安全监测是目前应对大坝安 全事故最有效的措施之一。世界各国对大坝自动化监测都很重视，并大力发展大 坝自动化监测技术。

　　大坝安全监测的发展从开始到现在已经经历了两个阶段了[15-20].最开始的大 坝监测可以追溯到 20 世纪初，最开始的大坝监测主要以原型观测为主，那时候 人工在大坝监测中还发挥着重要的作用。但是这种观测法在当时也发挥了重要的 作用。后来随着建造大坝技术的发展，钢筋混凝土结构开始大量的在大坝建造中使用，所以大坝的监测方面变得更加的广泛。温度的变化、压力的变化以及应力 应变的问题都被引入到大坝的监测内容。随之而来的，大坝监测技术也要发展才 能适应新的大坝建造技术[21].因此，各种监测仪器开始被应用到大坝的安全监测 中。其中，有代表性的有卡尔逊仪器和钢弦式仪器。在这个发展的过程中，大坝 的监测技术也在不断的完善。 从 20 世纪 60 年代开始至今应该算是大坝监测的第二个阶段。大坝的监测开 始涉及到安全的层面，范围也覆盖了坝体和坝基两个部分。

　　从 60 年代以后随着 科学技术的发展，大坝的监测仪器朝着电子化、数字化、遥测化和智能化发展[22]. 设备的变得更加节能，体积变得更加的小巧。 从世界范围内来看，我国的大坝安全监测起步较晚[23-26].但是我国因为出现 过大坝安全事故，相关的部门给与了高度的重视，在资金和科技人员的投入也比 较大，总的来讲，最近半个世纪，我国的大坝安全监测技术发展迅速，水平也在 不断提高。大坝监测仪器按照工作原理分类，最基本的有电容式、振弦式以及电 阻式。在 20 世纪末期，出现了 GPS、图像和光纤等监测方法。近年来，随着嵌 入式技术和通信技术的发展，大坝的监测仪器开始组网运行，并且分布式监测技 术应用的越来越广泛。目前这种分布式监测提供解决了集中式监测系统存在的很 多不足，比如模拟信号远距离传输造成的失真和测量不准确；单个器件或者设备 失效容易引起整个监测系统的失效；多种的监测信号可以共存，接口更加的充分。

　　1.2 大坝安全监测的发展现状

　　大坝的安全监测内容涉及到的内容越来越广泛，运用的技术也越来越先进。 目前，大坝安全监测主要包括位移监测、变形监测、裂缝监测、温度监测、以及 渗压和渗流监测。传统的监测方法以人工监测为主，需要大量的人力资源才能完 成大坝的安全监测工作。在已建和在建的大坝中，逐渐采用传感器来替代人工， 通过传感器组网运行的方式，降低人工去现场的次数和时间。传感器监测网络的 布置也实现了大坝监测的自动化。在目前的大坝安全监测改造过程中，传感器的 种类基本固定，组网的方式主要是信号传递方式和组网架构的不同，以及服务器 和上位机处理程序的不同。从宏观的角度来分析，目前的组网方式可以分为有线 和无线两种方式，这两种方式各有利弊，都有自己适合的工作范围，也都存在各 自的不足之处。

　　（1）有引线接线方式

　　有引线的连接方式是比较传统的布线方式，在最开始的布线阶段和修建时间 比较长的大坝安全监测改造中，有引线连接方式是实用比较多的一种方式。目前， 从信号传输的角度来看，比较常用且适合大坝监测的总线方式有 RS485、CAN总线以及以太网这[27-30]三种方式。 RS485 总线是把原来的单根信号线变成两根，使用差分信号传输方法来增加 抗干扰的能力，并增加信号的传输距离。在较低的速率下，RS485 总线的传输距 离可以超过 1000m.在没有中继节点的情况下，最大通讯距离可以达到 1200m, 如果使用中继节点，一条 RS485 总线可以容纳 8 个中继节点，理论传输距离可 以增加到 10.8km.但是为了保障传输的可靠性，很少在 RS485 总线中使用中继 节点。RS485 总线的另外一个限制就是总线驱动芯片的驱动能力，一般驱动芯片 可以承受的最大节点个数为 32. CAN 总线的电气性能部分和 RS485 的类似，但是 CAN 总线的内部协议更 加的复杂。CAN 总线具有比 RS485 总线更高的性能和可靠性。CAN 总线网络中 的各个节点可以根据总线访问优先权采用无损的逐位仲裁方式向总线发送数据。

　　在 CAN 通讯协议中废除了地址编码，使用新型的通讯数据编码方式，在这样的 运行方式下让不同的节点收到相同的通讯数据。这些措施可以增加 CAN 总线各 个节点之间的通讯实时性，以此形成的冗余结构可以让总线具有更高的可靠性和 灵活性。以太网是目前最普遍的一种计算机网络[31],它具有很高的传输速率，通过加 中继节点的方法，在很远的距离上实现高速可靠的信号传输。在工业实际中，主 要用以太网来实现视频等高速的信号传输。在这三种有线通讯方式中，以太网的 通讯是最复杂的，但是也是最强大的一种通讯方式。以太网的接入方式一般是通 过网线实现信号传递，一条网线内部有 4 对 8 根信号线组成，在水晶头部分还要 遵守严格的线序，在传感器大量并联运行的时候，需要大量的网线来组网，网线 占用的空间就会很大。 以上提到的这三种有线通讯方式虽然有着各自的优点，但是都存在一个共性 的问题。在大坝监测的现场，环境一般比较恶劣，潮湿浸水都是需要面对的问题。

　　这种有线组网方式，在现场会存在大量的接头， 这些接头在为了保障牢靠和使 用寿命，会浪费很多的时间和劳动力。但即使采取了一定的保护措施，在现场还 是会出现接头漏水和损坏的情况，影响信号采集的过程。一旦出现故障，更换起 来也是比较麻烦。另外一个方面是复杂的接线会占用大量的空间，比如固定式测 斜仪，在一定深度的测斜管内部需要埋设大量的固定式测斜仪。这些固定式测斜 仪都需要通过引线连接到信号采集单元，但是测斜管的粗细是固定的，除了放置 测斜单元的部分，再加入大量的导线连接起来就比较困难[32-35].而且某一单元损 坏的时候更换也需要浪费大量的时间和劳动。

　　（2）无线传输方式

　　因为现场布线困难，并伴随着技术的进步，无线的信号传输方式应用越来越广泛。无线传输方式不需要实体的电气导线来传递信号，信号是通过空间电磁 波传输的，这样就避免了复杂的接线。目前，比较常用的信号传输方式有 WiFi、 LORA、ZigBee、NB-IOT 以及蓝牙[36]等信号传输方式。 WiFi 简单的来说就是无线上网，一般在手机和平板电脑等移动设备联网方 面使用较多。WiFi 的传输速率比较快，可以达到 54Mbps,但是信号传输质量和 安全性有待提高。ZigBee 是一种短距离低速率的无线上网协议，底层采用 IEEE802.15.4 标准规范的媒体访问层和物理层[37].这种通讯协议支持大量的上网 节点，支持多种网络拓扑结构，快速可靠安全。ZigBee 网络在接入几千个通讯 单元的情况下可以稳定工作。Zigbee[38]适合在小范围内，大信息容量的情况下组 网使用。Zigbee 为了降低数据传输过程中产生的信号碰撞，协议本身提供了高效 的信号碰撞避免机制。NB-IOT 即窄带物联网通讯技术，最开始由华为集团推进 研发。NB-IOT 具有四个有点，分别是覆盖广、连接支撑能力强、低功耗以及低 成本。

　　最后的 LORA 和 NB-IOT 类似，也是一种低功耗广域网通讯技术。LORA 和 NB-IOT 最大的不同就是 NB-IOT 部署在运营商频段，NB-IOT 的运行需要运 营商提供支持。而 LORA 是通过自身射频的方式进行信号传输和组网运行 无线通讯方式最大的优点是解决了布线复杂的问题，在现场可以避免密密麻 麻的接线。但是无线信号传输也存在两个弊端，一方面在某些复杂的情况下，信 号传输质量和稳定性得不到保障，严重的时候会出现信号无法传输。比如，固定 式测斜仪测斜管的深度一般在几十米，如果在测斜管底部通过无线发射信号[39], 在测斜管出口位置无法接收到信号采集单元发送的信号。另外一个就是供电的问 题 ,为了避免接线，就不能采用有线电源供电，此时一般采用锂电池供电。采 用锂电池供电的情况下，为了增加信号传输距离，会采用增大发射功率的办法， 发射功率增大的同时会增加电池电量的消耗，缩短维护检修的周期。但是为了低 功耗，信号传输距离又很难保障。另外，对于埋设在大坝内部的传感器或者通讯 节点，更换电池是不可以的，这些都是无线信号传输所面临的问题[40-45].

　　1.3 研究内容

　　针对以上提到的背景和面临的问题，综合各方面的资料，如果能结合有线信 号传输和无线信号传输的优点，在实际的大坝监测中会具有很好的效果。对于降 低经济成本，提高安装调试效率具有重要的意义。本文的主要研究内容如下：

　　（1）设计一种新型的通讯总线，总线由两根电线组成一个回路。若干的信号采 集单元和通讯主机挂接在总线上。总线可以为信号采集单元供电，并且可以传输 通讯信号。总线和信号采集单元之间是非接触式连接的，这样方便现场接线。总 线穿过信号采集单元的磁环即可以实现供电和通讯，无须破坏总线的绝缘皮，避免现场的复杂接线，提高总线的使用寿命。

　　（2）实现信号采集的标准化，制作信号采集单元[46].信号采集单元的作用是采 集传感器或者其他数字化传感器芯片的信号，并和新型总线通讯。信号采集单元 具有死机自复位功能，可以从新型总线获取电能和信号的功能。而且，信号采集 单元和总线之间实现非接触式连接。信号采集单元的作用相当于信号转换模块， 在现有的传感器或者信号采集设备上接入信号采集单元即可以通过新型总线实 现组网运行。信号采集单元既可以接收信号也可以发出信号。

　　（3）设计制作通讯主机，通讯主机控制总线的供电和信号查询。通讯主机是最 基本的通讯控制单元，对于固定式测斜仪来讲，每个测斜管都需要一个通讯主机。 通讯主机负责控制总线的开启和信号采集，最后把采集到的信号按照一定的传输 协议发送到信号中继器。为了避免信号传输不稳定可能造成的数据丢失，通讯主 机需要开发出本地存储功能。

　　（4）开发数据中继器，通过 LORA 组网采集若干通讯主机数据，将采集到的数 据按协议打包，通过 GPRS 网络传输到服务器。降低硬件成本和维护成本，提高 系统可靠性。 （5）开发手持终端设备，方便现场人员设定查询信号采集单元地址、测试信号 采集单元功能；查询设定通讯主机通讯地址，测试通讯功能；查询设定数据中继 器工程地址。

　　第2章系统架构的比较
　　2.1系统架构的原则
　　2.2信号采集层的架构选择
　　2.3信号传输层的架枸选择
　　2.4本章小结

　　第3章传输建模与实验验证
　　3.1 釅环实验
　　3.2实验模型的建立
　　3.3驱动频率选择
　　3.4实验验
　　3.5本章小结

　　第4章系统的硬件实现
　　4.1通讯主机的电路设计
　　4.2信号采集单元的设计
　　4.3数据中继器的设计
　　4.4手持设备的设计
　　4.5本章小结

　　第5章系统的软件设计
　　5.1通讯主机的程序设计
　　5.2信号采集单元的程序设计
　　5.3手持设备的程序设计
　　5.4数据中维器的程序设计 .
　　5.5通讯协议
　　5.6本章小结

　　第6章系统调试及现场实
　　6.1硬件的调试和出现的问题及解决办法
　　6.2软硬件联合调试出现的问题及解决办法
　　6.3现场试验
　　6.4实验结果分析
　　6.5本章小结

总结

　　我国是水利大国，我国在建的和已经建成的大坝数量众多。随着大坝安全隐 患的增多，做好大坝的安全监测工作，防患于未然变得越来越重要。本设计以大 坝监测中的固定式测斜仪为例，开发了无源传感器和基于磁路耦合的新型通讯总 线，提高了大坝水平位移监测的可靠性，降低了监测的成本和现场的施工难度。 该通讯总线通过连接不同的传感器单元也可以用于大坝其他参数的监测，对于大 坝安全监测的升级具有非常重要的意义。 结合大量的参考文献和资料，本文主要做了以下方面的工作：

　　（1）总结了大坝安全监测的发展现状，传感器的组网方式主要是有线连接和无 线连接两种方式，有线连接主要是接线复杂，引线众多，现场接线防水要求较高， 很容易出现短路故障；无线连接方式有时会存在信号连接中断以及电池供电不足 的问题。根据这个现状，结合所学的知识提出了通过磁路实现供电和信号耦合的 解决思路。提出通讯主机驱动一条带绝缘皮的总线，每个信号采集单元在不破坏 绝缘皮的情况系，通过磁环实现供电和信号耦合的具体解决办法。

　　（2）根据提出的思路，结合目前比较使用的技术以及理论的分析设计了整个传 感器组网的架构。通过比较，最终在信号采集层采用了通讯主机带多个信号采集 单元的组网方式；通过 LORA 实现数据的中继，避免大量的使用 GPRS 模块， 最终在数据上传到服务器的阶段选择了 GPRS 方式进行组网。

　　（3）对信号采集单元和通讯主机之间的供电和通讯进行了仔细的研究和设计。 首先挑选了几种容易购买性能又比较好的磁环，通过做实验选择初级电感量比较 大，尺寸也比较合适的磁环，作为本次设计中正式使用的磁环。最终选择的磁环 种类为纳米钴基非晶磁环。然后对整个总线构建了模型，通过理论计算寻找驱动 频率的最佳范围。最后根据计算的参数搭建硬件平台进行试验，通过实验，确定 出最佳的驱动频率为 1KHz.

　　（4）根据计算了实验验证得出的参数，设计硬件电路，最终设计出了通讯主机 硬件平台、信号采集单元硬件平台、便携手持机硬件平台以及数据中继器硬件平 台。

　　（5）结合设计的硬件平台，编写了单片机程序。实现了各个硬件平台预想的功 能。（6）分别对硬件平台和单片机程序进行了调试，并将软硬件在实验室进行了联 合调试，

　　但是因为时间的原因，本次的设计还是存在一些不足，在以后的升级和设计 中，还有很多的工作需要做。

　　主要包括以下方面：

　　（1）本次开发中只进行了固定式测斜仪的改造，提高了大坝水平位移监测的可 靠性。后续可以继续加装其他类型传感器，实现大坝多种参数的采集和上传。提高大坝的整体监测水平。

　　（2）目前的电路结构还是比较复杂，根据经验，越复杂的电路出现问题可能性 就越大，为了提高电路的稳定性和使用寿命，降低设备的维护难度，在以后的升 级中要想办法降低电路的复杂程度，尽最大的可能优化电路。 （3）目前的总线使用的是用导线形成一个闭合回路，在以后的开发中，研究一 下是否可以不用导线形成回路的结构，考虑像大地这样的导体作为回路的一部分， 这样可以进一步精简电路并且方便布线。

　　（4）目前设备中使用的单片机主要是国产的 51 内核的单片机，这种单片机的正 常工作功耗在 1mA 左右，出于低功耗的考虑，在以后的研究考虑换用低功耗的 单片机。比如 STM32L 系列或者 MSP430L 系列。

　　（5）现在做出来的固定式测斜仪还是基本的数据采集和上传，在上位机部分并 未编写更新型的软件，在以后的开发中，可以在上位机软件方面做一些改进。比 如加入数据分析和预测功能，让固定式测斜仪整个系统更加的智能。

　　（6）在本次的设计中，很多地方使用的是现成的模块，虽然可以实现快速的功 能验证和开发，但是很多的风险不容易控制。以后可以考虑自己设计模块并实现 功能的整合。比如，自己用 STM32 系列单片机实现优盘存储功能，和通讯主机 的主单片机整合在一起，可以达到简化电路，节省成本，增加可靠性的目的。

　　（7）目前使用的是使用导线形成一个闭合电流回路，但是在大坝监测中，节省 资源、降低安装难度具有非常重要的意义。以后可以考虑使用单条线路穿过磁环， 在末端接地的办法。利用大地的导电性，减少一半的导线使用，并且可以快速安 装。

致谢

　　研究生的学习生活就要告一段落了，回忆研究生的学习时光还是有很多值得 回忆的点点滴滴。在此，向给与我关心、帮助、理解、指导以及鼓励的老师、同 学、家人以及朋友致以最诚挚的感谢！ 研究生的学习生活让我成长很多。

　　首先要感谢我的导师丁光彬教授在论文选 题、实验过程指导和毕业论文撰写修改的过程中给与的悉心指导和大力支持。丁 老师治学严谨，在实验和论文撰写方面认真、求精，从不放过实验过程中出现的 细小问题。这种求真务实的思想将对我以后的学习工作具有非常重要的意义。在 研究生学习期间，丁老师经常帮我拓展视野，分享最新的业内信息，给了我极大 的帮助和支持，在论文即将完成之际，再次向丁老师致以最衷心的感谢！

　　在课题的研究过程中，李临生老师在模拟电路和单片机软件编写方面也给与 了我很大的帮助，教会了我实用的编程思想。同时，感谢李国维老师、石祥钟老 师、刘建国老师、王利英老师、高艳丰老师、王继选老师在研究生阶段给与的指 导和帮助。

　　向我的同学宋晓星、黄世俊、李俊鹏表示感谢。在一起学习相处的时光里， 你们分享给我了很多的信息，也带给我很多的快乐，这些都是研究生阶段的美好 回忆！感谢家人一直以来对我的支持和付出，正是因为你们的无私奉献才使我能安 心地完成我的研究生学业。

　　最后，衷心的感谢为本文审查、评阅的专家教授，感谢你们的辛劳付出。因 为作者水平有限，文中难免出现错误，恳请大家批评指正。

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