一種自動智能基坑測斜方法

一種自動智能基坑測斜方法
【專利摘要】本發明涉及一種自動智能基坑測斜方法，通過智能系統實現，智能系統包括自動升降控制單元、測斜傳感單元和遠近程無線通信單元，本發明包括激活系統，測斜傳感單元預備，測斜傳感單元采樣數據，測斜傳感單元反程測量預備，測斜傳感單元反程采樣數據，測斜傳感單元處理、傳送數據，遠近程無線通信單元接收、處理、采樣、傳送數據，互聯網終端設備接收、分析、顯示和存儲數據等步驟。本發明自動智能基坑測斜方法采用全新的自動化測斜方法，擺脫了傳統測斜儀對人工的依賴性，實現了全天候自動化測量，不但能夠減少人為因素引起的測量誤差，而且能夠節省工程時間和成本。
【專利說明】
一種自動智能基坑測斜方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種基坑測斜方法，特別涉及一種全自動智能基坑測斜方法，屬于基坑測斜領域。
【背景技術】
[0002]基坑工程是一個古老而具有時代特點的綜合性的巖土工程課題，放坡開挖和簡易木粧圍護可以追溯到遠古時代。現代城市中深基坑工程常處于密集的既有建筑物、道路橋梁，又有地下管線、地鐵隧道或人防工程的近旁，雖屬臨時性工程，但其技術復雜性卻遠甚于永久性的基礎結構或上部結構。在基坑工程實踐中，工程的實際工作狀態與設計工況往往存在一定的差異，基坑設計還不能全面而準確地反映工程的各種變化，所以在理論分析指導下有計劃地進行現場工程檢測就顯得十分必要，因為稍有不慎，不僅將危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構筑物、道路橋梁和各種地下設施，基坑事故一般都會造成嚴重的社會影響，輕則造成巨大的經濟損失，重則造成施工人員嚴重傷亡。
[0003]在基坑工程中，施工期間往往伴隨著許多問題的發生，究其原因，信息化施工的程度不高成為事故頻發的主要原因之一。由于深基坑工程的地質條件復雜多變，設計計算參數不盡合理，圍護結構實際受到的荷載與計算結果存在差異，加之隨著施工的進行，作用在圍護結構上的側向荷載處于動態變化中，圍護結構及基坑周圍的土層隨之發生位移。鑒于巖土體工程性質的復雜多變性及各種計算模型局限性，大多數基坑工程設計與施工過程中實測數據間存在較大差異，現有學科理論和技術手段尚不能達到對之起到有效支持的地步。在工程設計階段要求能夠準確無誤地預測基坑支護結構和周邊土體在施工過程中的變化發展趨勢成為工程的迫切需要，因此在基坑監測中，反映深層土體內部水平位移的監測項目測斜一直是業內人士最為關心的監測項目之一。測斜技術可以監測基坑邊坡坡體深部變形特征、排粧變形后的形狀，計算不同深度土體(粧體)位移，監測是否有土體失穩的預兆及現象，總結坑邊垂直坡面上的位移隨坑邊距離變化的規律，更科學更安全的指導施工。因此，測斜項目在基坑工程的安全監測中舉足輕重。然而，目前國內針對基坑監測的測斜系統大都存在著諸多不足之處，例如傳統測斜儀精度低，測斜精度高的大都造價昂貴，基本依賴進口，對人工依賴性大，無法實現自動化測斜等。

【發明內容】

[0004]本發明自動智能基坑測斜方法公開了新的方案，采用全新的自動化測斜方法，擺脫了傳統測斜儀對人工的依賴性，解決了現有基坑測斜裝置無法自動測斜的問題。
[0005]本發明自動智能基坑測斜方法通過智能系統實現，智能系統包括自動升降控制單元、測斜傳感單元和遠近程無線通信單元，包括步驟:⑴激活系統，自動升降控制單元同步系統各單元的時鐘，自動升降控制單元通過紅外通信喚醒測斜傳感單元，自動升降控制單元通過UART喚醒遠近程無線通信單元，自動升降控制單元等待遠近程無線通信單元通過近距離無線通信將工作參數測斜深度發送至測斜傳感單元;⑵測斜傳感單元根據收到的工作參數設定工作模式，測斜傳感單元采樣并存儲一次傾斜角度數據，測斜傳感單元進入等待狀態;(3)自動升降控制單元開啟動力步進電機，動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管下放測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個下放固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據;⑷自動升降控制單元和測斜傳感單元根據定時器的中斷次數判斷測斜傳感單元到達設定的測斜深度，自動升降控制單元改變動力步進電機的旋轉方向，測斜傳感單元采樣溫度數據，測斜傳感單元啟動內部轉向小步進電機，內部轉向小步進電機使MEMS雙軸角度傳感器旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器等待反程測量;(5)自動升降控制單元控制動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管提升測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個提升固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據;(6)測斜傳感單元采樣霍爾傳感器得到的信號和設定的測斜傳感單元初始位置信號一致，測斜傳感單元回到初始位置，自動升降控制單元停止動力步進電機，動力步進電機進入等待狀態，測斜傳感單元根據得到的各傾斜角度信息計算得到各傾斜角度對應深度的土層水平位移數據，測斜傳感單元采樣電池電量數據，測斜傳感單元將位移數據、溫度數據和電池電量數據通過近距離無線通信傳送給遠近程無線通信單元;⑵遠近程無線通信單元收到位移數據、溫度數據和電池電量數據，遠近程無線通信單元采樣自動升降控制單元和遠近程無線通信單元共用的電池組電壓和溫度數據，遠近程無線通信單元將位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據打包通過遠程無線通信上傳至互聯網；(8)接入互聯網的終端設備將收到的位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據進行分析、顯示和存儲，遠近程無線通信單元進入等待狀態，系統進入睡眠狀態，完成一次基坑測斜過程。
[0006]本發明自動智能基坑測斜方法采用全新的自動化測斜方法，擺脫了傳統測斜儀對人工的依賴性，實現了全天候自動化測量，不但能夠減少人為因素引起的測量誤差，而且能夠節省工程時間和成本。
【附圖說明】
[0007]圖1是基坑測斜原理示意圖。
[0008]圖2是本發明自動智能基坑測斜方法原理示意圖。
[0009]圖3是自動升降控制單元工作原理示意圖。
[0010]圖4是測斜傳感單元工作原理示意圖。
[0011 ]圖5是遠近程無線通信單元工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0012]以下結合附圖，對本發明作進一步說明。
[0013]如圖1所示，現有的目前基坑測斜工作的原理圖。在需要監測土(巖)深層水平位移的場合，目前廣泛采用的測斜方式是鉆孔式測斜，即在被測土體中預先垂直埋設一根總長度不小于監測深度的專用測斜管。當埋設有測斜管的被測土體發生水平位移變化時，測斜管將發生相應的偏離垂直方向的扭曲變形，將一個內部裝有測斜傳感器的探頭，下到鉆孔中的測斜管內往返移動，分段測出導管軸線相對于鉛垂線的傾斜角度，通過測斜儀逐段測量傾斜角度，根據分段長度和傾斜角度可以計算出不同土體深度對應的土體水平位移值，這個過程就是目前基坑工程中的測斜。圖1示出了探頭在側斜管內移動分段長度L測得傾斜角度Θ對應的土體水平位移的計算方法，即△ I=LsinQ1，根據這個公式，把這些遞增的水平偏差累積起來，從測孔底部始繪成曲線，結果就是初次觀測與后來的任一次觀測之間的水平偏移變化曲線，代表此觀測期間土體發生的變形，即水平位移。因此，在探頭的整個行程中測得的土體總水平位移是Sn= ELsinQ1。為了消除探頭產生的機械偏差，測斜儀要進行正反程兩次測量，取平均數來抵消單次測量產生的偏差。
[0014]工程測斜中的測量深度是指測斜管在土體中的埋深，因為測斜管要穿出土體地面，因此埋深略短于測斜管長度。測斜管是一種塑料(或鋁型材)制成的專用空心圓管，在其內壁上沿圓周方向每隔90度開有通長導槽，因此在測斜管內壁上有四條與測斜管軸線平行并相隔90度的導槽。測斜儀是一種由直徑大約為40毫米、長度為500毫米以上的不銹鋼金屬防水管件，并在該管件內置有對傾斜角度敏感的傳感器及由相關電子電路、密封連接接口構成的測量儀器，密封連接接口的作用是導出測量數據，并與人工牽拉的每隔500毫米做了標記的電纜線連接，測斜儀的金屬不銹鋼管件外殼上設有二對相距500毫米的導輪，每對導輪關于金屬不銹鋼管件的軸線對稱，并分別被安置在呈圓管狀的不銹鋼管件的兩側。當測斜儀導入測斜管的導槽時，需要將二對導輪嵌入測斜管內壁互為180度的二條導槽中。完成對一個測斜監測點的監測通常是按照從測斜管的上部(穿出地面端)開始，將測斜儀放置入測斜管中，測斜儀的導輪被嵌入測斜管的導槽中，在重力作用下將測斜儀向測斜管下端以每隔500毫米的間隔下放，分段測出測斜管軸線相對于鉛垂線的傾斜角度，記錄測量數據并根據分段長度和傾斜角度計算每段對應的土體水平位移值，直到測斜管的底部。正程測量結束后，須將測斜儀從測斜管中拉出，將測斜儀沿測斜管軸線旋轉180度后重新置入原先使用過的二條互為180度的導槽中(即鏡面翻轉)，將測斜儀下放到測斜管底部，仍然以500毫米為間隔向上提拉測斜儀，記錄并計算測量數據，直到測斜儀回到測斜管上部的起始位置，全程測量結束。將正程和逆程測量數據作絕對算術平均后獲得的值(某監測點、某埋深值)與最初測量值比較的差值，通過折算，得到對應段(深度)土體絕對累計位移值。測斜儀由上至下，鏡面翻轉后由下至上的二次正、逆程測量，其目的在于通過兩次相差180度的測量，抵消機械裝配等客觀因素所產生的誤差，根據《巖土工程監測規范》規定，最初測量值必須是重復四次的正程及逆程測量所得的絕對算術平均測值。
[0015]目前，采用在測斜管中上拉或下放測斜儀的方式實施工程測斜的過程均為人工操作，工程測斜場合中的測斜管埋深、監測點通常在十幾(米，個)到上百(米，個)不等，因此，以人工實施監測很難滿足每個監測點2(次/天)?4(次/天)測回的規范要求，也無法保證每次提拉或下放均為等間隔(500mm)的精確性。因此，在某些特殊應用場合，例如大面積滑坡監測，測斜項目實際很難實施。現有的自動測量方法是通過以多支測斜儀在測斜管中沿軸線首尾對接填滿的方式實施的，雖然可以取代人工對測斜儀的拉升、下放操作，但一根N米長的測斜管需要置入2N個測斜儀，費用昂貴，且無法實現正程和逆程的測回操作，監測過程中產生的累積誤差較大。
[0016]由于固定式測斜價格昂貴，而活動式測斜人工依賴性太大，所以現有的測斜系統都存在較大的缺陷。本方案基于上述測斜原理和現有測斜系統的框架，從工程實用角度改進其不足之處，提出了一種全新的自動智能基坑測斜方法，通過智能系統實現，如圖2所示，智能系統包括自動升降控制單元、測斜傳感單元和遠近程無線通信單元，其中自動升降控制單元由剎車式步進電機、步進電機驅動器，微處理器及其外圍輔助模塊組成，測斜傳感單元由MEMS雙軸角度傳感器、小型步進電機及其驅動電路和近距離無線通信ZigBee單片機及其外圍輔助模塊組成，遠近程無線通信單元由近距離無線通信ZigBee單片機和DTU組成，供電單元由鋰電池組和相關電源變換電路組成。
[0017]MEMS(Microelectromechanical Systems)微機電系統，是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作范圍在微米范圍內。MEMS集成了微型傳感器、執行器、信號處理、控制電路、接口電路、通信電路。因此，MEMS是一個微型化、智能化、多功能、高度集成的微型機電系統。利用MEMS技術制造的雙軸角度傳感器(微型傳感器)不僅具有體積小、低功耗、低成本、易集成等優點，還可以利用微觀尺度下的敏感機制實現超高靈敏度。
[0018]ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。ZigBee通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zi gBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它具有簡單、使用方便、工作可靠、價格低的特點。每個ZigBee網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。
[0019]基于以上技術特點，本方案的自動智能基坑測斜方法包括以下步驟。
[0020]⑴激活系統，自動升降控制單元同步系統各單元的時鐘，自動升降控制單元通過紅外通信喚醒測斜傳感單元，自動升降控制單元通過UART喚醒遠近程無線通信單元，自動升降控制單元等待遠近程無線通信單元通過近距離無線通信將工作參數測斜深度發送至測斜傳感單元。
[0021]⑵測斜傳感單元根據收到的工作參數設定工作模式，測斜傳感單元采樣并存儲一次傾斜角度數據，測斜傳感單元進入等待狀態。
[0022]⑶自動升降控制單元開啟動力步進電機，動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管下放測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個下放固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據。
[0023]⑷自動升降控制單元和測斜傳感單元根據定時器的中斷次數判斷測斜傳感單元到達設定的測斜深度，自動升降控制單元改變動力步進電機的旋轉方向，測斜傳感單元采樣溫度數據，測斜傳感單元啟動內部轉向小步進電機，內部轉向小步進電機使MEMS雙軸角度傳感器旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器等待反程測量。
[0024](5)自動升降控制單元控制動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管提升測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個提升固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據。
[0025](6)測斜傳感單元采樣霍爾傳感器得到的信號和設定的測斜傳感單元初始位置信號一致，測斜傳感單元回到初始位置，自動升降控制單元停止動力步進電機，動力步進電機進入等待狀態，測斜傳感單元根據得到的各傾斜角度信息計算得到各傾斜角度對應深度的土層水平位移數據，測斜傳感單元采樣電池電量數據，測斜傳感單元將位移數據、溫度數據和電池電量數據通過近距離無線通信傳送給遠近程無線通信單元。
[0026]⑵遠近程無線通信單元收到位移數據、溫度數據和電池電量數據，遠近程無線通信單元采樣自動升降控制單元和遠近程無線通信單元共用的電池組電壓和溫度數據，遠近程無線通信單元將位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據打包通過遠程無線通信上傳至互聯網。
[0027](8)接入互聯網的終端設備將收到的位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據進行分析、顯示和存儲，遠近程無線通信單元進入等待狀態，系統進入睡眠狀態，完成一次基坑測斜過程。
[0028]本方案在步驟⑶和(5)中，優選固定距離的長度是500毫米，測斜傳感單元在每個下放或提升500毫米距離的終點等待5秒。由于要對側斜傳感單元實現0.5m的精確提升和下放，所以選用了將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。
[0029]本方案的測斜儀采用圓筒狀不銹鋼作為外殼，內部裝有電池以及測斜傳感器電路，總重量在2.5kg左右，當測斜儀浸沒在水中，由于測斜儀內部是空心結構，測斜儀會受到一定的向上的浮力，以及當測斜管扭曲變形之后，測斜儀在測斜管內部滑動時會受到較大的摩擦阻力，為保證測斜儀能在測斜管內順利的上下滑動，本方案在測斜傳感單元上增設I公斤?2公斤的配重，配重幫助測斜傳感單元在側斜管內部克服阻力滑動。所以，測斜儀總重量就在3.5公斤?4.5公斤，再考慮一定的裕量，因此選用了步進電機，經實際測試滿足使用要求。
[0030]系統工作需要測斜時間間隔和測斜深度兩個參數，測斜時間間隔是指兩次測斜過程之間的時間間隔，在此間隔時間內整個系統進入休眠狀態，以降低系統功耗，延長電池使用時間。當到達間隔時間后系統被激活，開始一次測斜過程，測斜過程完成以后，如果系統沒有收到更改工作模式的指令后將再次進入休眠，如此周而復始的工作下去，如果收到新的工作模式指令，將按照新的指令工作下去，并存儲該工作指令。測斜深度是指測斜傳感單元下放的最長距離，代表了測斜系統所測試的土體深度。系統的工作參數可通過遠近程無線通信單元和自動升降控制單元自帶的人機交互界面設定和更改。系統測斜過程如下:當系統被激活以后，首先由自動升降控制單元同步整個系統各個單元的時鐘，具體實現方法是，通過紅外通信喚醒測斜傳感單元，通過UART喚醒遠近程無線通信單元，自動升降控制單元等待一個固定時長，目的是等待遠近程無線通信單元通過近距離無線通信將工作參數測斜深度發送至測斜傳感單元，測斜傳感單元根據該參數設定自己的工作模式同時采樣一次角度數據并存儲，等待時間到達后，自動升降控制單元開始控制動力步進電機，開始以一個固定時間長度下放測斜傳感單元一個固定距離，測斜傳感單元開始定時采樣角度數據并且存儲，自動升降控制單元和測斜傳感單元通過定時器的中斷次數，判斷測斜傳感單元是否到達設定的測斜深度，當到達設定的深度后自動升降控制單元改變動力步進電機的旋轉方向，開始提升測斜傳感單元，測斜傳感單元采樣溫度，并啟動內部轉向小步進電機，使MEMS雙軸角度傳感器旋轉180度，實現反程測量，然后自動升降控制單元同樣控制動力步進電機，開始以一個固定時間長度提升測斜傳感單元一個固定距離，測斜傳感單元開始定時采樣角度數據并且存儲，當測斜傳感單元快到達起始位置時，采樣霍爾傳感器信號，當該信號和設定的測斜傳感單元起始位置信號一致時，停止動力步進電機，進入等待狀態，測斜傳感單元將采樣到的所有角度信號經過計算，得到不同深度對應的位移數據，同時采樣電池電量數據，將位移數據、溫度數據和電池電量數據通過近距離無線傳送給遠近程無線通信單元，遠近程無線通信單元收到數據后，采樣自動升降控制單元和遠近程無線通信單元共用的電池組電壓和溫度，將所有數據打包通過遠程無線上傳至互聯網，最后由接入互聯網的計算機接收該數據，進行分析、顯示和存儲。遠近程無線通信單元等待一段時間，如果未收到新的工作指令，系統就進入睡眠，直到下次采樣時間到達，至此，完成一次測斜過程。
[0031]為了實現對動力電機的控制，使其完成對測斜儀的提升和下放，以及每0.5m停頓5s的功能，系統選用了SH-8611A步進電機驅動器。為了使電機可靠工作，同時從成本考慮，選用了 STC12C5620AD系列單片機作為電機控制的微處理器。本方案的STC12C5630AD主要完成以下功能:復位測斜儀內部的ZIGBEE單片機、動力步進電機運行控制、控制通信單片機CC2530、DS1302時間讀取，其工作的程序流程圖如圖3所示。具體可以歸納為以下步驟，即自動升降控制單元采用STC12C5630AD微處理器，單片機的控制方法包括步驟:⑴激活系統，單片機端口初始化，定時器初始化，中斷初始化，串口通信初始化，AD采樣初始化，系統采樣并存儲霍爾位置傳感器信號作為初始位置信號;⑵單片機等待接收測斜深度參數和采樣間隔時間參數;⑶單片機接收到完整的測斜深度參數和采樣間隔時間參數，單片機向測斜傳感單元的CC2530微處理器發送紅外復位信號，單片機通過I/O端口喚醒遠近程無線通信單元的CC2530微處理器;⑷單片機接收到通信CC2530的確認信號，單片機記錄收到確認信號的時間并開始定時，單片機在收到確認信號時間后I秒時啟動動力步進電機，動力步進電機下放測斜傳感單元;(5)動力步進電機下放測斜傳感單元經過若干個500毫米的距離，單片機在測斜傳感單元到達每個500毫米距離終點時停止動力步進電機，動力步進電機等待5秒，單片機檢測到測斜傳感單元下放至設定的測斜深度，單片機改變動力步進電機的轉向，動力步進電機等待10秒;(6)單片機喚醒動力步進電機，動力步進電機提升測斜傳感單元經過若干個500毫米的距離，單片機在測斜傳感單元到達每個500毫米距離終點時停止動力步進電機，動力步進電機等待5秒，單片機檢測到測斜傳感單元提升至初始位置，單片機根據霍爾位置傳感器采樣信號與初始位置信號一致的信號停止動力步進電機，動力步進電機進入等待狀態。在上述步驟中，如果單片機在運行過程中接收到新的工作參數，則單片機根據收到的新工作參數修改工作參數寄存器內的數據，系統根據新工作參數變更運行狀態。在單片機接收到通信CC2530的確認信號后，單片機根據采樣間隔時間設定休眠時間，在休眠時間內單片機關閉閑置的功能模塊，單片機根據收到的休眠結束信號開始下次測斜過程。
[0032]當單片機上電之后，首先進行初始化設置，包括單片機的端口初始化，定時器初始化，中斷初始化，串口通信初始化，AD采樣初始化，同時采樣霍爾位置傳感器信號并存儲，作為以后的起始位置信號。然后查看工作參數變量(工作參數包括測斜深度和采樣間隔時間)，如果沒有工作參數或工作參數不完整，則單片機一直處于等待模式，直到通過串口通信獲得工作參數。得到工作參數后，單片機向測斜傳感單元CC2530發送紅外復位信號，通過I/O端口喚醒通信CC2530，當收到通信CC2530的確認信號后(如果沒收到就繼續發送復位信號)，記錄此刻的時間，同時開始定時，Is后啟動動力步進電機，下放測斜傳感單元，同時開始測距，到達500mm后，停止電機，等待5s后，啟動動力步進電機，下放測斜傳感單元500mm，停止電機，等待5s，按照這個工作方式循環，在每次停止電機時都判斷下放距離是否達到測斜深度，如果到達測斜深度后，立刻改變電機的轉向，延時10s，則下次啟動電機時，電機反轉，開始提升測斜傳感單元，每提升500mm，停頓5s，并判斷是否到達起始位置附近，如果下次提升500mm就能回到起始位置，則下次提升電機時，開啟霍爾位置傳感器，不斷采樣該信號，并和存儲的起始位置信號比較，當采樣信號達到起始位置信號后，停止動力步進電機，進入等待狀態。如果串口收到新的工作參數，則修改工作參數寄存器，當收到通信CC2530的通信完成信號后，按照工作參數采樣間隔時間，設定休眠時間，關閉不用的電源和內部功能，單片機進入休眠狀態，單片機定時采樣DS1302的時間，判斷休眠是否結束，如果休眠結束，則開始下次的測斜過程。
[0033]本方案的測斜傳感單元ZIGBEE單片機CC2530主要完成以下功能:定時功能、AD采樣角度電壓、轉向電機控制、無線通信、溫度采集、電池電壓信號采集，其工作的程序流程圖如圖4所示。具體可以歸納為以下步驟，即測斜傳感單元采用ZIGBEE單片機CC2530微處理器，單片機的控制方法包括步驟:⑴測斜傳感單元的CC2530復位，單片機定時器初始化，無線通信初始化，AD采樣初始化，I/O端口初始化;⑵單片機通過無線通信接收到測斜深度工作參數，單片機回復收到工作參數的確認信號，單片機開啟定時器，單片機進行若干次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機完成每次AD采樣并存儲傾斜角度數據后等待5秒;⑶單片機根據收到的測斜傳感單元到達設定測斜深度的信號控制內部轉向小步進電機旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器等待反程測量，單片機進行一次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機采樣一次溫度數據;⑷單片機開始反程測量，單片機進行若干次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機完成每次AD采樣并存儲傾斜角度數據后等待5秒;(5)單片機根據收到的測斜傳感單元到達初始位置的信號控制內部轉向小步進電機反向旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器回復初始位置，單片機根據存儲的傾斜角度數據計算得到各測斜深度的土層水平位移數據，單片機采集電池端電壓，單片機將位移數據、電壓數據、溫度數據打包發送至通信CC2530。在上述步驟⑵中，如果單片機在3秒內沒有收到通信CC2530發送的測斜深度工作參數，則單片機進入休眠狀態，外部指令通過紅外復位信號或者上電復位信號喚醒單片機。在上述步驟(5)中，單片機根據確認接收數據的回復信號關閉閑置的功能模塊，單片機進入休眠狀態，外部指令通過紅外復位信號或者上電復位信號喚醒單片機。
[0034]測斜傳感單元CC2530被復位以后，進行初始化操作，包括定時器初始化，無線通信初始化，AD采樣初始化，I/O端口初始化。然后等待無線接收工作參數，如果3s內沒有收到通信CC2530發送的測斜深度工作參數，則進入休眠狀態，該狀態只能通過紅外復位信號或者上電復位喚醒，這樣能最大的降低單片機功耗，如果收到工作參數測斜深度則返回收到工作參數的確認信號，同時開啟定時器，進行AD采樣角度信號，并存儲角度數據，每次AD采樣角度都包括X軸角度和Y軸角度，等待5s，判斷測斜傳感單元下降深度是否達到測斜深度，如果沒有達到，則采樣角度信號，然后等待5s繼續判斷，重復該循環，直到達到測斜深度。如果達到測斜深度，則控制轉向電機旋轉180度，AD采樣I次角度，并采樣I次溫度數據，接著開始反程測量，然后開始每隔5s采樣一次角度信號，每次AD采樣前判斷測斜傳感單元是否回到起始位置，如果回到起始位置，則將轉向電機反轉180度，恢復原來的位置。然后將存儲的角度數據折算成位移，并采集電池端電壓，將位移數據，電壓數據，溫度數據打包發送至通信CC2530，等待數據確認接收的回復，如果沒有收到回復信號，則每間隔一段時間重新發送一次，如果收到回復信號，則單片機關閉不用的電源，進入PM3模式休眠，最大的降低單片機功耗，單片機一旦進入休眠只能通過紅外復位信號或者上電復位喚醒。
[0035]本方案的測斜外部通信單片機的主要功能是接收DTU的工作參數或者通過人機交互界面接收工作參數，將工作參數發送給其他單片機，實現近距離無線通信接收測斜傳感單元數據，通過無線組網，接受其他自動測斜儀的測斜數據，將收集到的所有測斜儀數據發送給DTU。通信CC2530程序的程序流程圖如圖5所示。具體可以歸納為以下步驟，即遠近程無線通信單元采用CC2530微處理器，單片機的控制方法包括步驟:⑴單片機上電，串口初始化，無線通信端口初始化，定時器初始化;⑵單片機將通過人機界面或者DTU模塊接收到的工作參數發送給自動升降控制單元的STC單片機，單片機進入休眠等待狀態;⑶單片機收到自動升降控制單元STC單片機的中斷喚醒信號，系統開始測斜過程，單片機將工作參數通過無線通信發送到測斜傳感單元的CC2530單片機后等待回復確認信號;⑷單片機將收到的回復確認信號返回給自動升降控制單元的STC單片機，單片機采集地面溫度數據，單片機進入等待接收測斜傳感單元發送無線通信數據的狀態;(5)單片機收到測斜傳感單元發送的無線通信數據后返回確認信號，單片機采樣電池電壓數據，單片機將地面溫度數據、測斜傳感單元發送的無線通信數據、電池電壓數據發送至DTU模塊，DTU模塊將收到的數據上傳到互聯網。
[0036]單片機上電之后，開始初始化工作，包括串口初始化，無線初始化，端口初始化，定時器初始化。通過人機界面或者DTU接收工作參數，如果沒有工作參數則一直處于等待工作參數狀態。如果收到工作參數，則將工作參數發送給STC單片機，然后進入休眠等待狀態，直到收到STC單片機的中斷喚醒信號，開始測斜過程，將工作參數通過無線發送到測斜傳感單元CC2530單片機，然后等待其確認信號，確認收到之后，返回給STC單片機，采集地面溫度數據，開始進入等待狀態，等待接收測斜傳感單元的無線數據，收到該數據之后，返回確認信號。最后采樣電池電壓信號，將所有的數據按照通信協議組成數據幀發送至DTU，由DTU上傳到互聯網。
[0037]本方案所涉及的電器、電路、模塊以及電子元器件，除特別提及外，均可以采用本領域通用的選型或方案，也可以根據不同的具體要求采用特別的選型或方案。
[0038]基坑安全監測工作將設計與施工聯系成為一個交互作用的系統，它將監測獲得的施工信息進行及時的分析，并將分析結果反饋給設計部門，進而對施工方案進行動態的調整和優化。由于基坑工程支護結構的破壞要經歷一個由量變到質變的過程，當險情出現時，通過信息化施工可做出預警并及時采取措施，當安全儲備過大的時候，又可以及時修改設計削減維護結構，節約施工成本。
[0039]本方案結合基坑工程對測斜的實際要求，從現有測斜系統的不足之處出發，應用最新的MEMS雙軸加速度傾角傳感器和無線傳感器網絡的相關技術，提出了一種全新的自動化傾斜測量實現方法。本方案基于測斜的基本原理，根據目前廣泛采用的活動式測斜儀的工作方式和測量方法，結合最新的近距離ZigBee無線通信技術，提出了一種自動化測斜方法，擺脫了傳統測斜方法對人工的依賴性，能夠實現全天候自動化測量，不但能夠減少人為因素引起的測量誤差，而且能夠節省時間和投入成本。本方案根據工程應用要求，提出了操縱測斜儀自動上升和下降的方法，同時能夠實現測斜儀固定間距的上升和下降，選擇了相關器件和儀器，具有很高的實際應用價值。本方案運用最新的MEMS雙軸加速度高精度傾角傳感器SCA100T，大幅度提高角度測量的精度，從而根本上解決傳統測斜方法精度低的問題。本方案通過數據透明傳輸模塊(DTU)將數據遠程無線發送至運營商的GPRS網絡，通過GPRS網絡上傳至互聯網，在接入互聯網的計算機上接收數據，實現對基坑及其周邊土體環境的24小時遠程智能監控。本方案普遍采用了開關電源變換方式，以實現系統的高效供電，延長電池的使用時間。因此，本方案的自動智能基坑測斜方法具有以下特點:⑴采用一支測斜儀自動實現正程及逆程測量;⑵具有合理的測量深度、測量頻度的適應性，并可通過現場或遠程對工作方式實行設定或修改;⑶在沒有工網(交流電網)支持情況下或較長無人干涉期間，實現能量的自給和補充;⑷實現測量數據、工作模式設定等近、遠程無線交互，實現無電纜化;(5)全部測斜過程無人干涉。基于以上特點，本方案的自動智能基坑測斜方法相比現有的基坑測斜方案具有突出的實質性特點和顯著的進步。
[0040]本方案自動智能基坑測斜方法并不限于【具體實施方式】公開的內容，其包含的操作步驟在不違反技術規范和原理的前提下，為優化操作程序可以進行適當的順序調換和適應性變更，本領域技術人員根據本方案結合公知常識作出的簡單替換方案也屬于本方案的范圍。
【主權項】
1.一種自動智能基坑測斜方法，所述基坑測斜方法通過智能系統實現，所述智能系統包括自動升降控制單元、測斜傳感單元和遠近程無線通信單元，其特征是包括步驟: ⑴激活系統，自動升降控制單元同步系統各單元的時鐘，自動升降控制單元通過紅外通信喚醒測斜傳感單元，自動升降控制單元通過UART喚醒遠近程無線通信單元，自動升降控制單元等待遠近程無線通信單元通過近距離無線通信將工作參數測斜深度發送至測斜傳感單元； ⑵測斜傳感單元根據收到的工作參數設定工作模式，測斜傳感單元采樣并存儲一次傾斜角度數據，測斜傳感單元進入等待狀態； (3)自動升降控制單元開啟動力步進電機，動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管下放測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個下放固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據； ⑷自動升降控制單元和測斜傳感單元根據定時器的中斷次數判斷測斜傳感單元到達設定的測斜深度，自動升降控制單元改變動力步進電機的旋轉方向，測斜傳感單元采樣溫度數據，測斜傳感單元啟動內部轉向小步進電機，內部轉向小步進電機使MEMS雙軸角度傳感器旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器等待反程測量； (5)自動升降控制單元控制動力步進電機在若干個固定時間段內沿側斜管提升測斜傳感單元若干個固定距離，測斜傳感單元在每個提升固定距離的終點定時采樣并存儲傾斜角度數據； (6)測斜傳感單元采樣霍爾傳感器得到的信號和設定的測斜傳感單元初始位置信號一致，測斜傳感單元回到初始位置，自動升降控制單元停止動力步進電機，動力步進電機進入等待狀態，測斜傳感單元根據得到的各傾斜角度信息計算得到各傾斜角度對應深度的土層水平位移數據，測斜傳感單元采樣電池電量數據，測斜傳感單元將位移數據、溫度數據和電池電量數據通過近距離無線通信傳送給遠近程無線通信單元； (7)遠近程無線通信單元收到位移數據、溫度數據和電池電量數據，遠近程無線通信單元采樣自動升降控制單元和遠近程無線通信單元共用的電池組電壓和溫度數據，遠近程無線通信單元將位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據打包通過遠程無線通信上傳至互聯網； (8)接入互聯網的終端設備將收到的位移數據、溫度數據、電池電量數據、電池組電壓和溫度數據進行分析、顯示和存儲，遠近程無線通信單元進入等待狀態，系統進入睡眠狀態，完成一次基坑測斜過程。2.根據權利要求1所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，在步驟⑶和(5)中，所述固定距離的長度是500毫米，測斜傳感單元在每個下放或提升500毫米距離的終點等待5秒。3.根據權利要求1所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，在測斜傳感單元上增設I公斤?2公斤的配重，配重幫助測斜傳感單元在側斜管內部克服阻力滑動。4.根據權利要求2所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，自動升降控制單元采用STC12C5630AD微處理器，單片機的控制方法包括步驟: ⑴激活系統，單片機端口初始化，定時器初始化，中斷初始化，串口通信初始化，AD采樣初始化，系統采樣并存儲霍爾位置傳感器信號作為初始位置信號； ⑵單片機等待接收測斜深度參數和采樣間隔時間參數； (3)單片機接收到完整的測斜深度參數和采樣間隔時間參數，單片機向測斜傳感單元的CC2530微處理器發送紅外復位信號，單片機通過I/O端口喚醒遠近程無線通信單元的CC2530微處理器； ⑷單片機接收到通信CC2530的確認信號，單片機記錄收到確認信號的時間并開始定時，單片機在收到確認信號時間后I秒時啟動動力步進電機，動力步進電機下放測斜傳感單元； (5)動力步進電機下放測斜傳感單元經過若干個500毫米的距離，單片機在測斜傳感單元到達每個500毫米距離終點時停止動力步進電機，動力步進電機等待5秒，單片機檢測到測斜傳感單元下放至設定的測斜深度，單片機改變動力步進電機的轉向，動力步進電機等待1秒； (6)單片機喚醒動力步進電機，動力步進電機提升測斜傳感單元經過若干個500毫米的距離，單片機在測斜傳感單元到達每個500毫米距離終點時停止動力步進電機，動力步進電機等待5秒，單片機檢測到測斜傳感單元提升至初始位置，單片機根據霍爾位置傳感器采樣信號與初始位置信號一致的信號停止動力步進電機，動力步進電機進入等待狀態。5.根據權利要求4所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，單片機在運行過程中接收到新的工作參數，單片機根據收到的新工作參數修改工作參數寄存器內的數據，系統根據新工作參數變更運行狀態。6.根據權利要求4所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，單片機接收到通信CC2530的確認信號，單片機根據采樣間隔時間設定休眠時間，在休眠時間內單片機關閉閑置的功能模塊，單片機根據收到的休眠結束信號開始下次測斜過程。7.根據權利要求2所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，測斜傳感單元采用ZIGBEE單片機CC2530微處理器，單片機的控制方法包括步驟: ⑴測斜傳感單元的CC2530復位，單片機定時器初始化，無線通信初始化，AD采樣初始化，I/O端口初始化； ⑵單片機通過無線通信接收到測斜深度工作參數，單片機回復收到工作參數的確認信號，單片機開啟定時器，單片機進行若干次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機完成每次AD采樣并存儲傾斜角度數據后等待5秒； (3)單片機根據收到的測斜傳感單元到達設定測斜深度的信號控制內部轉向小步進電機旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器等待反程測量，單片機進行一次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機采樣一次溫度數據； ⑷單片機開始反程測量，單片機進行若干次AD采樣并存儲傾斜角度數據，單片機完成每次AD采樣并存儲傾斜角度數據后等待5秒； (5)單片機根據收到的測斜傳感單元到達初始位置的信號控制內部轉向小步進電機反向旋轉180度，MEMS雙軸角度傳感器回復初始位置，單片機根據存儲的傾斜角度數據計算得到各測斜深度的土層水平位移數據，單片機采集電池端電壓，單片機將位移數據、電壓數據、溫度數據打包發送至通信CC2530。8.根據權利要求7所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，在步驟⑵中，單片機在3秒內沒有收到通信CC2530發送的測斜深度工作參數，單片機進入休眠狀態，外部指令通過紅外復位信號或者上電復位信號喚醒單片機。9.根據權利要求7所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，在步驟(5)中，單片機根據確認接收數據的回復信號關閉閑置的功能模塊，單片機進入休眠狀態，外部指令通過紅外復位信號或者上電復位信號喚醒單片機。10.根據權利要求2所述的自動智能基坑測斜方法，其特征在于，遠近程無線通信單元采用CC2530微處理器，單片機的控制方法包括步驟: ⑴單片機上電，串口初始化，無線通信端口初始化，定時器初始化； ⑵單片機將通過人機界面或者DTU模塊接收到的工作參數發送給自動升降控制單元的STC單片機，單片機進入休眠等待狀態； (3)單片機收到自動升降控制單元STC單片機的中斷喚醒信號，系統開始測斜過程，單片機將工作參數通過無線通信發送到測斜傳感單元的CC2530單片機后等待回復確認信號；⑷單片機將收到的回復確認信號返回給自動升降控制單元的STC單片機，單片機采集地面溫度數據，單片機進入等待接收測斜傳感單元發送無線通信數據的狀態； (5)單片機收到測斜傳感單元發送的無線通信數據后返回確認信號，單片機采樣電池電壓數據，單片機將地面溫度數據、測斜傳感單元發送的無線通信數據、電池電壓數據發送至DTU模塊，DTU模塊將收到的數據上傳到互聯網。
【文檔編號】G01C9/00GK105887942SQ201610255375
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】李榮正, 戴國銀, 李慧妍
【申請人】上海工程技術大學