基于STM32的岩土工程无线采集系统

２０１０正　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２０１０　Ｎｏ．５　第５期　基于ＳＴＭ３２的岩土工程无线采集系统　刘明贵，于謇，梁昊　４３００７１）　（中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉摘要：为满足当今岩土工程监测的需求，设计了一种基于新一代ＳＴＭ３２处理器的岩土工程无线采集系统。介绍了基　于子节点、汇聚节点和上位机三层结构的无线传输系统方案，设计了节点、传感器、无线传输模块的硬件电路，给出了各类　节点和上位机的控制、通讯等软件流程。实际测试表明，该系统具有操作简便，实时性强，高精度和低功耗等特点，可广泛　用于当今岩土工程的监测。　关键词：ＳＴＭ３２；无线网络；ｚｉｇｂｅｅ；采集系统　中图分类号：ＴＰ２７４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１８４１（２０１０）０５—００９５—０３　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ＬＩＵ　Ｍｉｎｇ－ｇｎｉ，ＹＵ　Ｊｉａｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｈａｏ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　ｎｄ　Ｓｏｉａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅ—　ｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｃａｌｌｅｄ　ＳＴＭ３２．Ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｂ—ｎｏｄｅｓ，ｔｈｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｎｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ，ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｇｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｎｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｃｏｎｎｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ’Ｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｒｉｇｏｒｏｕｓ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ｅａｓｙ　ｆｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｚｉｇｂｅｅ；ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　０引言　具体工作流程如下：初始化后，检测１６个子节点的完好性　岩土工程监测的特点有：大面积安置传感器，稳定性和实　时性要求高，数据传输量大。传统的监测手段虽然很多，但已　无法满足现代化岩土工程监测的全面性、准确性和实时性需　求。因此，无线化、自动化、集成化、智能化是今后岩土工程监　测的发展趋势…。为了保证岩土工程监测的全面性，需要广泛　并反馈信息，然后进入数据采集阶段。数字容栅式位移传感器　将位移变化量通过ＲＳ一４８５接口输出到子节点ＭＣＵ，子节点　ＭＣＵ在得到数据后，通过ＳＰＩ总线控制无线模块发送。采集数　据盒作为汇聚节点，在得到所有已连接的子节点数据后，由汇　聚节点ＭＣＵ控制，通过ＲＳ一４８５接口将子节点信息传输给上　位机。上位机显示传感器数值并打印结果。　的布置传感器节点，针对大规模数据量传输的需求，必须要求　微控制器具有极高的处理性能；同时又为了保证监测系统的实　时性，针对多点分布式数据采集和动态监测，各节点通讯必须　依赖无线传输　Ｊ。并且，各监测子节点需长时间置于野外工　作，必须满足低功耗需求。ＳＴＭ３２是新一代Ｃｏｔｅｘ—Ｍ３体系结　构的３２位单片机。文中围绕这款高性能、低功耗的单片机设　计了一个无线采集系统。　１　系统组成与设计原理　基于ＳＴＭ３２的岩土工程无线采集系统方案设计如图１所　示，该方案采用ＳＴＭ３２作为控制系统的核心。　岩土工程监测系统的布点分散且广泛，整个系统由１６个　图１　岩土工程无线采集系统结构框架　子节点、１个汇聚节点和上位机组成。子节点的核心控制单元　是ＳＴＭ３２，负责接受传感器数据并控制无线模块发送。汇聚节　２系统的硬件设计　２．１　ＭＣＵ模块　点是由基于ＳＴＭ３２的数据盒控制的。数据盒通过无线模块，收　集到全部子节点的传感器数据并存储，然后通过串口将数据上　传给上位机。　ＳＴＭ３２提供３种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，用户　可根据自己的需求合理的优化耗电和性能要求。　ＳＴＭ３２Ｆ１０３是ＳＴＭ３２系列的增强型芯片，工作频率为７２　ＭＨｚ，工作性能为１．２５ＤＭＩＰＳ／ＭＨｚ．片上集成了Ｆｌａｓｈ最多可达　５１２　ＫＢ，ＳＲＡＭ最多可达６４ＫＢ的高速存储器和通过ＡＰＢ总线　连接的丰富和增强的外设以及多达８０个的Ｉ／Ｏ接口。并且拥　基金项目：武汉市重大创新活动专项基金（武人［２００８］８４号）　收稿日期：２００９—１１—０３收修改稿日期；２００９—１２—１０　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｍａｖ．２０１０　有２个１２Ｃ接口，３个ＳＰ！接口和５个ＵＳＡＲＴ接口。片上还带　有２个１２位ＡＤＣ、１个ｌ２位的双通道ＤＡＣ、１１个１６位计时器，　频模块发送所需的数据。　另外，微控制器除了基本的外围电路外，还专门设计了一　个更改子节点网络号的按键电路，它用于在子节点出现故障或　临时加入时更正或修改子节点的网络号。　汇聚节点电路由无线射频模块电路和微控制器外围电路　组成，如图４。上位机通过ＲＳ一４８５总线与汇聚节点相连，并且　用ＲＳ一４８５总线把命令传输给汇聚节点，汇聚节点的微控制器　在解析命令后通过ＳＰＩ总线控制ＣＣ２４２０无线射频模块发送命　支持ＣＡＮ接口、ＵＳＢ２．０接口和ＳＤＩＯ接口。ＳＴＭ３２Ｆ１０３嵌入　了一个嵌套矢量中断控制器，可以处理４３个可屏蔽中断通道，　提供１６个中断优先级　Ｊ。　２．２无线模块　无线射频模块使用的是ＣＣ２４２０，它是一款符合ＩＥＥＥ８０２．　１５．４规范的２．４　ＧＨｚ射频芯片。工作频带范围是２．４Ｏ０～　２．４８３５　ＧＨｚ，接收灵敏度高达一９９　ｄＢｍ，抗邻频道干扰能力强，　电流消耗仅为：ＲＸ模式时１９．７　ｍＡ；ＴＸ模式时１７．４　ｍＡ．　ＣＣ２４２０有集成的压控振荡器，仅需１６　ＭＨｚ晶体振荡器等少量　的外围电路便能开始工作　Ｊ。　令。在ＣＣ２４２０无线模块得到回复后将信息再由ＳＰＩ总线传输　给微控制器，并最终通过ＲＳ～４８５总线反馈给上位机。　无线射频模块的功能是以射频模式接收和发送数据。射　频模块通过ＳＰＩ总线与处理器ＳＴＭ３２通信，ＳＴＭ３２处于ＳＰＩ主　模式下；射频模块处于子模式下，由处理器ＳＴＭ３２控制进行有　效的收发。　２．３传感器模块　一　设计中采用数字容栅式位移传感器ＭＳ５０，其分辨率为　０．０１　ｒａｉｎ，精度为±０．０３　ｍｉｌｌ，转换结果可直接液晶显示或通过　ＲＳ一４８５接口输出。该传感器自带液晶读数显示屏，可方便观　察是否在工作以及采集量是否正确。　采集到的数据经过ＭＡＸ４８５转换后，输出ＤＡＴＡ和ＣＬＫ两　个信号，供处理器ＳＴＭ３２读取。如图２所示。　ｌ　ＶＣＣＩ　ＧＮＤ　图４汇聚节点电路　３系统的软件设计　３．１子节点软件设计　子节点不停的采集并更新接收到的数据，以保证位移量的　实时有效性。发送位移量以串口中断的方式实现，即：汇聚节　垦Ｑ　点向子节点发送读取命令，子节点进入串口中断，将储存好的　位移数据传输给汇聚节点，流程图如图５。　饕　ＤＩ　ＭＡＸ４８５　Ｕ２　—　ｌ　Ｂ莨豆　ｌ　Ａ　ＤＥ　ＧＮＤ　ＤＩ　图５子节点串口中断流程　图２采集量分信号输入微控制器　子节点开始工作后会记录预先写入的网络标号，然后检测　标志位，看是否需要更改网络标号，如果不需要更改则进入读　取传感器采集数据阶段。在读取位移量时，须关闭串口中断，　以防此时接到读取命令进行中断处理，而丢失数据量。软件流　程图如图６。　２．４总体硬件电路　总体电路由１６个子节点电路和一个汇聚节点电路组成。　子节点电路包括：传感器模块电路、微控制器外围电路和无线　射频模块电路，如图３所示。其中ＭＳ５０传感模块通过插槽Ｊ１　与２个ＭＡＸ４８５相连，并由ＭＡＸ４８５将位移数据整合成２路信　号ＤＡＴＡ和ＣＬＫ，然后再通过Ｉ／Ｏ口传输给微控制器。　当需要更改网络ＩＤ时，长按更改键进入修改模式，然后使　用更改键修改网络ＩＤ，修改好后存储退出。更改按键流程图如　图７。　３．２汇聚节点软件设计　汇聚节点与上位机之间的通信也是通过串口中断来完成，　如图８。　在接到上位机命令后，汇聚节点解析命令。首先进行侦测　阶段，即：确定子节点的个数和初始值。然后将储存的所有子　节点数据传送给上位机。　侦测阶段的意义相当于初始化连接，并确定１６个子节点　通信通道中哪些子节点连人了监测系统，是否需要增加或减少　图３子节点电路　子节点个数。　微控制器通过ＳＰＩ总线与无线射频模块ＣＣ２４２０相连，以　微控制器为主模式，无线射频模块为从模式的方式控制无线射　汇聚节点的工作流程是：初始化后，通过判断标志位ｆｌａｇ＿２　的值来决定是进入侦测阶段还是读取阶段。进入侦测阶段，汇　第５期　刘明贵等：基于ＳＴＭ３２的岩土工程无线采集系统　————［　复位初始化　读取网络ＩＤ并储存　判断标志位ｆｌａｇ＿ｌ值　更改网络ＩＤ　Ｉ　Ｉ给ＳＥＬ信号驱动传感器　储存新ｍ　ｌ　Ｉ检测ＣＬＫ信号标志位　ｊ位置０ｌ　ｌ出现标志位，串口中断关闭　退出　ｌ　ｌ采集位移信号　处理数据并更新保存　打开串口中断　图６子节点软件控制流程　外部中断／低电平　ｌ　打开计时器　ｉ　高电平结束中断／关闭计时器　—　Ｎ　—　：：：：＝＝　ＩＹ　ｌ标志位ｎａｇ一１置１　ｌ　广　ｉ　］　圈７长按键中断流程　图８汇聚节点串口中断流程　聚节点向第一个子节点发送读取命令。如果没有得到回复，则　延时７０ｍｓ再发送一次读取命令，反复３次后仍没有回复，则认　定通信失败或该通道没有子节点，通道工作指示灯不亮，转向　下一个子节点；如果得到回复，则记录下子节点的初始数据，并　且子节点个数计数器加一，通道工作指示灯亮。完成后向下一　个节点发送确认信号，直到１６个节点全部询问到。　汇集节点在完成侦测工作后，开始读取阶段：首先读取汇　聚节点在侦测阶段确认的子节点个数和网络标号，按照网络标　号开始逐个读取位移量。同样，没有得到回复时，反复３次延　时７０　ｍｓ再次发送读取命令，若还没有回复则工作指示灯熄灭，　转向下一个子节点；如果得到回复，则更新原先存储在汇聚节　点的该子节点信息并保存，计数器加一，完成后向下一个节点　发送读取信息，直到之前侦测得到所有节点全部询问到，整个　控制流程如图９。　图９　Ｉ－聚节点软件控制流程　４结束语　系统充分利用新一代３２位微控制器ＳＴＭ３２的高效性和低　功耗性，并配合ｚｉｇｂｅｅ技术为岩土工程位移量的采集工作服　务。不仅满足了大面积的数据量收集和实时性需求，同时又能　保证低功耗运行，省去了在野外频繁更换电池的麻烦。　经实际测试，汇聚节点与子节点的无线传输距离可达　５０　ｍ，位移传感器数据采集正常，并且能在预设的监控软件中　实时显示，与传感器的液晶读数一致。测试表明系统具有低功　耗、实时性强、扩展方便等特点，具有广泛的市场应用前景。　参考文献：　［１］　郦能惠．土石坝安全监测分析评价预报系统．北京：中国水利水　电出版社，２００３．　［２］Ｒｅｉｎｈｏｌｄ　Ｌｕｄｗｉｇ，Ｐａｖｅｌ　Ｂｒｅｔｃｈｋｏ．射频电路设计一理论与应用．王　子宇译．北京：电子工业出版社，２００２．　［３］　王永虹，徐炜，郝立平．ＳＴＭ３２系列ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３微控制器原　理与实践．北京：北京航空航天大学出版社，２００８．　［４］　赵晨，何渡，王睿．基于射频ＣＣ２４２０实现的ＺｉｇＢｅｅ通信设计．微　计算机信息，２００７，２３（１）：２６ｏ—２６１．　作者简介：刘明贵（１９５７一），研究员，博士生导师，博士，主要从事岩土　工程智能化检测方法与技术的研究。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕｃａｓｙｕ＠１６３．ｃｏｍ。