基于NB-IoT的静载检测仪系统设计*

徐 熊， 尹海博， 张 宇， 李 鸣

(南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031)

0 引 言

随着世界人口的不断增加，随之而来的住房数量也正在增加，建筑行业正处于鼎盛时期，建房前对桩基和地基的检测十分重要，是一栋房子稳定的基础[1，2]。传统的静载测试方法是以人工操作为主，相应的测试工具是用手压千斤顶、机械百分表等，操作过程较为简单，但是操作工程存在许多隐患，例如手动加载劳动强度大、测试人员长时间处于荷载底下、容易疲劳、影响读数的准确性等[3]。

当前的静载检测仪能够实现静载试验的自动化进行，相比以前的人工操作，降低了操作人员的危险性，提高了测量精度，但同时也还存在相关的问题，一是存在检测数据的弄虚作假行为，为了蒙混过关，不惜将数据造假给质检局，从而获得建筑的允许[4]；二是数据采集终端与基站之间的距离较近，当前静载检测仪的采集端与接收端的距离不超过千米，难以满足远距离测量的场合。三是网络通信模块存在信号差，在实际检测点位置偏远，网络信号差的的地方导致数据上传不稳定，甚至中断。使用BC26模块进行静载检测仪设计，利用其广覆盖的特点，有效解决了数据上传稳定性、可靠性的问题。使用窄带物联网(narrow-band Internet of Things，NB-IoT)通信技术，实现数据远程上传，并且将数据直接传输给质检中心，无法进行数据造假[5～8]。

1 系统总体方案

基于NB-IoT的静载检测仪系统总体框架如图1所示，主要由数据采集终端、数据接收基站、用户端三部分组成。其中，数据采集终端包括STM32主控模块设计、位移和压力传感器模块设计、模/数(A/D)转换模块设计、AS69—T20无线通信发送模块设计、电动油泵控制模块；数据接收基站包括STM32主控模块设计、NB-IoT网络通信模块设计、全球导航卫星系统(GNSS)定位模块设计、AS69—T20无线通信接收模块设计、WiFi模块设计、SD卡模块设计；用户端为上位机，通过电脑或者移动手机的WiFi接收来自基站的数据，编写专门的上位机软件，用于工程参数下发、数据显示、图表显示。数据采集终端采集静载荷实验的位移、压力数据，通过AS69—T20与数据接收基站进行数据通信，数据接收基站通过NB-IoT网络通信技术将数据发送至质检中心的数据服务管理平台，将其保存，并且通过ATGM336H定位模块进行实验检测点的定位，通过WiFi模块与上位机之间实现数据传输。

图1 总体框图

2 系统硬件电路设计

2.1 数据采集终端电路设计

数据采集终端的电路设计包括主控芯片STM32最小系统设计、传感器电路设计、A/D转换电路设计、AS69—T20无线通信电路设计等，数据采集终端采用的主控芯片型号为STM32F103RET6，是一种高性能32位的单片机。主控模块的电路设计分为时钟电路、电源电路、复位电路、下载电路四部分。时钟电路是单片机运行的不可缺少的电路，由晶振、电容、电阻组成。电源电路用于提供单片机正常工作的电源电压，由六个去耦电容组成。复位电路是单片机运行过程中起复位功能的电路，由电容、开关、电阻组成，低电平为复位有效电平。下载电路是用于给单片机烧录程序用的，采用SWD模式。

如图2所示为A/D转换电路设计，A/D转换芯片型号为AD7606，它是16位、8通道的同步采样模数数据采集芯片，内置模拟输入箱位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器、数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及串行并行接口。采用5 V的单电源供电，其中，V1～V8为八个数据采集端口，STM32通过SPI通信协议来与AD7606芯片的进行数据通信。

图2 AD转换电路

传感器电路设计包括压力传感器电路设计和位移传感器电路设计，压力传感处理电路将传感器毫伏(mV)信号转换成标准电压、电流信号输出，直接被A/D转换芯片采集，从而获取压力数据。位移传感器采用LSM高精度微型自恢复式位移电阻尺，工作温度为-30～+85 ℃，采用5 V电源供电，分别率可达1 μm。

2.2 数据接收基站电路设计

数据接收基站电路设计包括主控芯片STM32电路设计、WiFi模块电路设计、SD卡模块电路设计、AS69—T20无线通信电路设计、ATGM336H定位模块电路设计、NB-IoT通信电路设计等。主控芯片STM32的电路设计与数据采集终端的基本相同。AS69—T20无线通信电路设计如图3所示，这是一种2.4 GHz的工业级无线数传模块，以NRF24L01P作为主芯片，传输距离高达2100 m，具有四种工作状态，分别为全双工、半双工、休眠和保留，通过MD0和MD1的电平状态来控制工作状态，RXD和TXD引脚与STM32单片机的USART-TX和USART-RX相连接，数据传输通过串口通信完成。

图3 AS69-T20无线通信电路

NB-IoT通信电路设计如图4所示，以BC26为主要芯片，BC26是高性能、低功耗、多频段的NB-IoT无线通信模块，芯片支持中国移动OneNET、中国电信EasyIoT、华为OceanConnect等云平台。此部分的电路设计包括复位电路和调试电路，复位电路与RST引脚连接，DTX和DRX与调试端口连接，RXD和TXD与单片机的串口连接，通过串口通信实现数据传输。

图4 NB-IoT通信电路设计

3 系统软件设计

3.1 数据采集终端软件设计

数据采集终端的主程序流程图如图5所示。系统上电后首先进入系统初始化，包括AD芯片的初始化、串口波特率设置、延时函数初始化、定时/计数器工作模式设置、系统中断设置等；初始化完毕后开始采集位移和压力数值，采集到的信号为模拟信号，通过A/D转换成数字信号，STM32才能够加以处理；处理完毕等待数据接收基站下发数据上传指令，接收到指令后由AS69—T20模块将数据发送给数据接收基站，如果发送失败，则会进入重新发送的子程序。以上就是整个数据采集终端的主程序运行过程。

图5 数据采集端主流程图

3.2 数据接收基站软件设计

数据接收基站的主程序流程图如图6所示，系统初始化包括延时函数、设置NVIC中断分组、串口波特率设置、按键等初始化设置。初始化完毕之后进入循环，循环的第一步是向终端发送数据读取的指令，此时终端在接收到指令之后开始向基站发送采集的数据，基站接收终端上传的数据，并向上位机的App软件发送该数据，且将数据保存到SD卡中，一旦接收到上位机下发的控制指令时，执行其指令，否则直接进入数据上传至远程服务器的子程序，此循环为无限循环，工作期间一直进行。

图6 数据接收基站主流程图

4 测试结果

搭建好静载检测系统的硬件后，对其进行软件调试，为了进一步检测系统的可靠性，需对其进行测试，单桩竖向抗压静载试验的示意图如图7所示，在配重块的下方布置静载检测仪的数据采集终端，将数据接收基站放在1 km以外的位置，通过用户端的App进行数据显示和参数下发的实验。

图7 单桩竖向抗压静载试验示意

在布置完设备后，将电脑连入对应WiFi，打开App，设置工程名称，相应工程参数，即可开始采集静载试验的数据，其App采集数据的界面如图8所示。随着加载等级由0增加到3，载荷值和油压值也随之增加，同时位移数据发生了变化，第一级时稳定在35.8左右，第二级稳定在35.2左右。根据国家不同的检测要求，在工程参数下发界面，可以选择检测标准和检测方法，另外可以设置工程的名字、加载极限值、加载总级数、千斤顶标定系数等。经过实验证明，系统能够在1 km开外的长距离进行数据的收发，并且数据具有较高的可靠性，该系统设计符合使用需求。

图8 App数据采集界面

5 结 论

在静载试验过程中，当试验场地处于偏远地带，数据传输不可靠，实验过程中容易出现数据造假的现象，且当前的静载试验设备的数据传输距离不超过1 km，试验地带容易出现安全隐患。针对以上问题，提出了基于NB-IoT的静载检测仪系统设计，采用NB-IoT通信技术，利用其广覆盖特点，解决了实际检测点位置偏远，移动信号差，数据上传中断甚至无法上传的难题，提高了数据传输的可靠性，工程建立后检测人员便可离开现场，避免了人工检测带来的安全问题，并且将数据直接传输给质检中心，无法进行数据造假。