一種基于單總線技術(shù)的深基坑承壓水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡彬彬 范君 劉云昊

摘要：?jiǎn)慰偩€網(wǎng)絡(luò)具有成本低、連接便捷、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多點(diǎn)傳感應(yīng)用的場(chǎng)合。本文提出了一種基于單總線技術(shù)的深基坑承壓水監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，將無線GPRS引入單總線網(wǎng)絡(luò)，克服了純單總線擴(kuò)展性差，靈活性不足的問題。該方案具有組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑井點(diǎn)管內(nèi)水位，減小基坑的總涌水量，可為基坑施工安全提供技術(shù)保證，具有較好的應(yīng)用開發(fā)前景。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)慰偩€;深基坑;GPRS

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0013-03

當(dāng)前，大型基坑在開挖過程中，對(duì)基坑周邊承壓地下水的監(jiān)控是基坑工程安全施工的關(guān)鍵，相關(guān)研究表明：基坑工程施工引發(fā)的事故大多與地下水的未及時(shí)處理或?qū)ζ涮幚聿划?dāng)有關(guān)。因此，為保障基坑施工安全，有效治理基坑開挖涌出的地下水是關(guān)鍵，目前在工程中，通常采用有堵截地下水法和降低地下水位法嘲。其中，降低地下水位法有明溝排水法和井點(diǎn)降水法。由于井點(diǎn)降水法穩(wěn)定性及降水效果好，適用于多種形狀的深基坑，可有效縮短工期，故應(yīng)用更為廣泛?？紤]到經(jīng)濟(jì)性原因及受限于技術(shù)的使用，基坑降水經(jīng)常使用水泵24小時(shí)連續(xù)排水的超降方法，這種模式缺乏對(duì)地下水位的精確掌控，容易出現(xiàn)“無水空抽”或“過度抽水”，損壞水泵且極易造成安全事故。

近年來，自動(dòng)控制技術(shù)逐步應(yīng)用到基坑降排水施工中，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控手段為基坑施工提供安全保障，從而有效防范或減少基坑工程事故的發(fā)生。此外，利用監(jiān)控過程中采集的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基坑大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)基坑圍護(hù)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一步保障了基坑施工安全。

本文基于單總線技術(shù)，開發(fā)一套可用于基坑降排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)水位的變化，控制井點(diǎn)管內(nèi)水泵的啟停，由于單總線技術(shù)成熟，協(xié)議簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，因而本方案可根據(jù)基坑的規(guī)模靈活進(jìn)行配置。能有效減少用工成本、節(jié)約用電，降低基坑現(xiàn)場(chǎng)巡視人員的工作強(qiáng)度、保障人身安全，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1所示，是基于單總線架構(gòu)的基坑降排水控制系統(tǒng)組成，該架構(gòu)由單總線控制單元、基坑監(jiān)控模塊主控單元，GPRS通信單元及應(yīng)用服務(wù)程序及客戶端構(gòu)成。設(shè)某工地基坑有N個(gè)基坑井點(diǎn)管，利用水位傳感器監(jiān)測(cè)井點(diǎn)管內(nèi)水位，DS2450是Dallas半導(dǎo)體符合單總線協(xié)議的A/D轉(zhuǎn)換器，接收水位傳感器采集數(shù)據(jù)通過單總線傳送給主控單元;DS2405是符合單總線協(xié)議的可編址開關(guān)，接繼電器，用來對(duì)井內(nèi)潛水泵進(jìn)行啟?？刂啤．?dāng)井點(diǎn)管內(nèi)水位達(dá)設(shè)定的上限高度時(shí)，主控單元通過單總線發(fā)送命令，通過DS2405閉合繼電器，開啟潛水泵抽水;同步啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能，當(dāng)計(jì)時(shí)器持續(xù)超過設(shè)定時(shí)間后，主控制器開啟聲光報(bào)警。當(dāng)井點(diǎn)管內(nèi)水位降至下限高度時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送命令，開啟繼電器，停止?jié)撍贸樗?，防止“過度抽水”，破壞基坑圍護(hù)安全。單總線器件數(shù)量2倍于基坑井點(diǎn)管數(shù)量，基坑監(jiān)控模塊主控單元采用$TM32系列單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)單總線ROM動(dòng)態(tài)搜索算法，用于在線檢測(cè)DS2450及DS2405的工作狀態(tài);通信單元采用中興GPRS模塊MG2639_V3，實(shí)時(shí)將采集的水位數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到上位應(yīng)用服務(wù)器，服務(wù)器程序由采集機(jī)、數(shù)據(jù)分析程序、web瀏覽服務(wù)程序構(gòu)成，接受下位機(jī)發(fā)送的水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)測(cè)。相關(guān)人員可通過個(gè)人PC或手機(jī)客戶端瀏覽相關(guān)信息。

2基坑控制模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制單元設(shè)計(jì)

如圖2所示為下位機(jī)主控制單元電路原理圖，微控制器采用STM32系列單片機(jī)，該系列芯片使用基于ARMRCortex^TM-M3 32位的精簡(jiǎn)指令集（RISC）核，工作頻率為72MHz。存儲(chǔ)單元選用串行EEPOM24C02，單片機(jī)與24C02采用12C二線制協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要用于存放單總線器件內(nèi)部唯一的64位的ROM序列號(hào)（即ROMID號(hào)）及附加的輔助編碼。

GPRS通信模塊采用中興通訊的MG2639_V3，插入SIM卡后工作，可用于控制模塊與上位機(jī)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，該芯片還內(nèi)置獨(dú)立的GPS定位功能，可支持多基坑工地的集總管理。

電源供電分為兩個(gè)部分：采用MIC29302電源轉(zhuǎn)換芯片，為MG2639提供3.9V供電電壓;采用XC62198332MR電源芯片，為主控制器提供3.3V供電電壓。同時(shí)，采用一塊輕薄可充電鋰電池作為備用電源，容量設(shè)計(jì)3000-4000Mah，支持休眠模式。

2.2單總線控制模塊設(shè)計(jì)

與SPI、I²C等串行總線不同，單總線僅采用單根通信線，可同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)，而且數(shù)據(jù)是雙向通信的，因此只需要一個(gè)STC單片機(jī)一個(gè)普通的I/O口即可。如果直接在STC單片機(jī)的I/O口上掛接單總線從設(shè)備（D$2450和DS2405），則可直接驅(qū)動(dòng)的單總線器件個(gè)數(shù)有限，傳輸距離在200m以內(nèi)，為增強(qiáng)單總線驅(qū)動(dòng)能力，可在總線之間增加一片74HC245，以提高帶負(fù)載能力（如圖3所示）。單總線的數(shù)據(jù)傳輸速率一般為16.3Kbit/s，最大可達(dá)142 Kbiffs，經(jīng)過擴(kuò)展后可達(dá)lkm范圍，可完全滿足一般建筑基坑的應(yīng)用。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主控制軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示是基坑監(jiān)控模塊主控制程序流程圖，上電復(fù)位、初始化后，主控制器首先運(yùn)行ROM搜索程序，每個(gè)單總線器件都有一個(gè)唯一的64位的ROM序列號(hào)，以確保掛接在單總線上能被唯一識(shí)別。ROM序列號(hào)動(dòng)態(tài)搜索可在線識(shí)別單總線從器件，實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能，ROM序列號(hào)使用二叉樹算法實(shí)現(xiàn)。

在基坑監(jiān)控中，ROM序列號(hào)搜索雖然可實(shí)現(xiàn)單總線器件動(dòng)態(tài)加載，但要對(duì)應(yīng)到具體的地理位置則比較困難，雖可用64位ROM序列號(hào)直接上傳到上位機(jī)的方式，但總線效率較低，系統(tǒng)開銷大。當(dāng)單總線器件損壞更換時(shí)，服務(wù)程序須重新修改，非常不便。在這里，通過向單總線器件的EEPROM，寫入輔助編號(hào)的方法解決該問題，搜索到某器件ROM序列號(hào)時(shí)，可同步將該輔助編號(hào)一起寫入存儲(chǔ)單元。將編號(hào)上傳服務(wù)器端，將編號(hào)與基坑井點(diǎn)管編號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

完成單總線從設(shè)備自檢后，控制器根據(jù)ROM序列號(hào)順序?qū)崟r(shí)采集井點(diǎn)管內(nèi)水位數(shù)據(jù)，通過GPRS將數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器程序。當(dāng)井點(diǎn)管內(nèi)水位達(dá)警戒上限時(shí)，控制器向單總線輸出DO信號(hào)，使繼電器閉合，啟動(dòng)潛水泵抽水;當(dāng)井點(diǎn)管內(nèi)水位持續(xù)超過警戒上限且超過設(shè)定的時(shí)延后，控制器啟動(dòng)聲、光報(bào)警;當(dāng)井點(diǎn)管內(nèi)水位降到警戒下限時(shí)，使繼電器斷開，潛水泵停轉(zhuǎn)，防止“無水空抽”，損壞潛水泵電機(jī)。

3.2服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)服務(wù)器程序由采集機(jī)接口、數(shù)據(jù)服務(wù)程序及web服務(wù)程序構(gòu)成。具體的工作流程如下圖5所示：

首先由采集機(jī)接口通過GPRS方式接收下位機(jī)控制器發(fā)送的實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)及報(bào)警狀態(tài)信息并上傳后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成基坑井點(diǎn)管水位歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取水位數(shù)據(jù)，一方面利用圖形界面系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，生產(chǎn)基坑水位實(shí)時(shí)曲線;另一方面，對(duì)歷史水位數(shù)據(jù)結(jié)合周邊地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警。

Web服務(wù)程序滿足PC端和移動(dòng)端對(duì)井點(diǎn)管內(nèi)水位、報(bào)警信息及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全信息進(jìn)行查閱，當(dāng)水位數(shù)據(jù)異常時(shí)，可實(shí)時(shí)推送異常信息到移動(dòng)客戶端，對(duì)基坑井點(diǎn)管內(nèi)水位進(jìn)行安全報(bào)警。

4總結(jié)

本文提出了一種基于單總線技術(shù)的深基坑承壓水監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，采用單總線動(dòng)態(tài)ROM搜索解決基坑內(nèi)單總線設(shè)備在線加載問題，利用輔助編碼解決將ROMID上傳導(dǎo)致的降效問題，通過增強(qiáng)單總線驅(qū)動(dòng)能力擴(kuò)大單總線在基坑工地的應(yīng)用范圍。通過有線與無線GPRS結(jié)合的方式，克服了純單總線擴(kuò)展性差，靈活性不足的問題。該方案組網(wǎng)靈活，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)水位，減小基坑的總涌水量，具有較好的應(yīng)用開發(fā)前景。