輕軌深基坑參數(shù)智能采集與傳輸模塊設(shè)計(jì)＊

顏丙葵，肖金球，傅林

（1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南京211100；2.蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院）

引 言

重大土木工程如大壩、鐵路、橋梁、醫(yī)院、學(xué)校、高層建筑，特別是輕軌地鐵等的建設(shè)，在其施工過(guò)程及使用期間，都有可能受到各種人為和自然因素影響而產(chǎn)生安全問(wèn)題。由于這些工程規(guī)模大，多數(shù)屬于公共設(shè)施，一旦出現(xiàn)事故，不僅會(huì)給國(guó)家造成重大損失，甚至直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，如何實(shí)現(xiàn)深基坑的信息化施工和智能監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)了一種輕軌深基坑參數(shù)智能采集與傳輸模塊，使用了目前流行的高性能、低成本STM32F107微處理器來(lái)完成傳感器采集數(shù)據(jù)的控制，使用SI4432無(wú)線收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的通信及數(shù)據(jù)收集，并使用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，為深基坑施工的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及后期管理提供了一定的參考。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片采用意法半導(dǎo)體推出的高性能微處理器STM32F107。通過(guò)由全站儀、測(cè)斜儀、頻率計(jì)和水位計(jì)等傳感器組成的傳感器組采集到的輕軌深基坑數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制處理后將數(shù)據(jù)信息傳送給主控芯片。每一個(gè)系統(tǒng)模塊經(jīng)由高性能無(wú)線收發(fā)模塊Si4432和其他模塊進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。通過(guò)Si4432自帶的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）確定附近節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，然后通過(guò)路由算法確定最終要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，附近其他節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給此節(jié)點(diǎn)。通過(guò)上位機(jī)控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送頻率，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS模塊定時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器組數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器組模塊主要用于輕軌深基坑參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，主要采用全站儀、測(cè)斜儀、頻率計(jì)和水位計(jì)等傳感器測(cè)量輕軌深基坑參數(shù)。全站儀即全站型電子速測(cè)儀（Electronic Total Station），取代原始的經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)量位移數(shù)據(jù)。數(shù)字測(cè)斜儀用來(lái)監(jiān)測(cè)土體的沉降數(shù)據(jù)。實(shí)際工程中的應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、土壓力計(jì)和空隙水壓力計(jì)常采用鋼弦式，通過(guò)頻率計(jì)采集傳感器頻率，根據(jù)事先設(shè)定的關(guān)系式確定相應(yīng)的物理量值。水位計(jì)則用來(lái)監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)外的水位是否水平。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)放大、濾波、A／D轉(zhuǎn)換等調(diào)制后，送與STM32F107主控芯片用于后續(xù)的通信和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)取?/p>

2.2 Si4432無(wú)線收發(fā)模塊

Si4432無(wú)線收發(fā)模塊［3］為本設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。Si4432芯片是由Silicon公司推出的一款低功耗、高集成無(wú)線芯片，最大輸出功率可以達(dá)到＋20dBm，具有高靈敏度、高集成度、極佳的頻道選擇性、簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方案采用Si4432無(wú)線收發(fā)器取代傳統(tǒng)的GPRS直接遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的模式，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的預(yù)收集，有效地降低整個(gè)模塊的功耗，并減輕上位機(jī)的負(fù)擔(dān)，尤其當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊數(shù)量龐大時(shí)優(yōu)點(diǎn)尤為顯著。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的Si4432采用當(dāng)前先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）技術(shù)進(jìn)行通信，與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳特性可以很好地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^(guò)Si4432之間的相互通信，自動(dòng)搜索信號(hào)強(qiáng)度最好的節(jié)點(diǎn)，其他各個(gè)節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送給此節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)單元暫時(shí)存儲(chǔ)。上位機(jī)通過(guò)指令控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸頻率，定時(shí)把匯聚節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送出去。

Si4432模塊與STM32F107的接口電路如圖2所示。STM32F107主控芯片和Si4432無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線接口連接，SPI接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸并且自帶CRC校驗(yàn)，可有效地控制數(shù)據(jù)誤碼率。STM32F107通過(guò)初始化對(duì)Si4432進(jìn)行配置，控制數(shù)據(jù)收發(fā)等。當(dāng)收發(fā)緩存FIFO有溢出、有效數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、上電復(fù)位等情況發(fā)生時(shí)，Si4432產(chǎn)生中斷信號(hào)通過(guò)nIRQ引腳返回給STM32F107微處理器。當(dāng)相互通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)很多時(shí)，其數(shù)據(jù)量會(huì)很大，所以采用一個(gè)外部的E2PROM來(lái)專(zhuān)門(mén)存放通信數(shù)據(jù)。

圖2 SI4432模塊與STM32F107的接口電路

2.3 GPRS模塊設(shè)計(jì)

GPRS模塊采用的SIM908芯片是一款80引腳低功耗 GSM／GPRS 芯 片，可 以 工 作 在 850／900／1800／1900 MHz四個(gè)頻率，采用AT命令控制（GSM07.07，GSM07.05和SIMCom增強(qiáng)型AT指令集），很好地降低了設(shè)計(jì)難度。SIM908和STM32F107主控芯片的連接也非常簡(jiǎn)單，STM32F107可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口UART1和UART2直接和SIM908的GPS、GPRS接口相連。需要注意的是，STM32F107采用的是3.3V電壓，而SIM908使用的則是4.2V驅(qū)動(dòng)電壓，所以存在驅(qū)動(dòng)電平不匹配的問(wèn)題，連接時(shí)需要串聯(lián)一個(gè)合適的電阻。GPRS模塊的部分電路圖如圖3所示。

2.4 電源管理模塊

STM32F107微處理器和SI4432無(wú)線模塊可以采用3.3V電壓進(jìn)行供電，GPRS模塊則采用4.2V。為了滿足各部分供電要求，采用如圖4所示的雙供電系統(tǒng)。正常情況下使用市電供電，當(dāng)市電斷開(kāi)時(shí)則切換到雙節(jié)鋰電池為節(jié)點(diǎn)供電。為了提高電源可靠性，每個(gè)月對(duì)鋰電池自動(dòng)維護(hù)一次，此時(shí)斷開(kāi)電源，使用鋰電池；當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓從4.2V降到3.8V時(shí)，通過(guò)市電對(duì)鋰電池進(jìn)行充電從而完成一次電源模塊的自維護(hù)過(guò)程。

圖3 GPRS模塊部分電路圖

圖4 系統(tǒng)電源模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案的軟件設(shè)計(jì)主要包括主控制器初始化程序、Si4432無(wú)線收發(fā)控制程序、GPRS遠(yuǎn)程收發(fā)控制程序等，采用獨(dú)立子程序模塊化編程供系統(tǒng)主函數(shù)調(diào)用。這樣做可以降低編程的難度并且有利于軟件的維護(hù)。Si4432無(wú)線收發(fā)控制程序負(fù)責(zé)下位機(jī)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，通過(guò)CRC校驗(yàn)可有效地控制數(shù)據(jù)的誤碼率。Si4432主要用于輕軌深基坑參數(shù)的預(yù)收集，Si4432模塊之間采用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，其路由協(xié)議［4］采用WMN專(zhuān)用的可預(yù)測(cè)無(wú)線路由協(xié)議PWRP，此路由協(xié)議具有較小的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)、較好的及時(shí)性、較低的成本和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，很適合本方案這種節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定的網(wǎng)絡(luò)。

GPRS無(wú)線收發(fā)程序負(fù)責(zé)把Si4432無(wú)線模塊收集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。每個(gè)下位機(jī)模塊都帶有GPRS模塊，但一般情況下都處于空閑狀態(tài)，主要的數(shù)據(jù)收集工作由Si4432完成。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)的Si4432信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于其他模塊時(shí)，本節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊才會(huì)被選作遠(yuǎn)程無(wú)線收發(fā)模塊，用于和上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了檢測(cè)本系統(tǒng)的實(shí)際工作性能，對(duì)某在建輕軌深基坑進(jìn)行了實(shí)地的跟蹤測(cè)試，得到了某些傳感器在基坑開(kāi)挖不同深度時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，如表1所列。通過(guò)監(jiān)測(cè)反饋的結(jié)果可以對(duì)設(shè)計(jì)方案和施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的管理。

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用在輕軌地鐵施工中，可實(shí)現(xiàn)基坑的信息化施工，產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)改進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能來(lái)提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性，為基坑工程的信息化施工向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

表1 實(shí)地傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

［1］ST Microelectronics Inc.STM32F107Reference Manual，2009.

［2］Silicon Laboratories Inc.Si4432User’s Manual，2009.

［3］張玲，劉九維，何偉.基于SI4432的高性能無(wú)線收發(fā)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（12）：124－127.

［4］朱昌洪，張紅梅，周達(dá)，等.無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30（10）：72－75.

［5］唐川，陳章.深基坑監(jiān)測(cè)信息分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法［J］.福建電腦，2004（6）：58－59.

［6］郝森，李顯忠，申偉.某輕軌車(chē)站深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析［J］.工程質(zhì)量，2011，29（8）：53－58.