一種基于單總線技術的深基坑承壓水監控系統設計

蔡彬彬 范君 劉云昊

摘要：單總線網絡具有成本低、連接便捷、穩定可靠的特點，廣泛應用于多點傳感應用的場合。本文提出了一種基于單總線技術的深基坑承壓水監控系統解決方案，將無線GPRS引入單總線網絡，克服了純單總線擴展性差，靈活性不足的問題。該方案具有組網靈活的特點，可實時監測基坑井點管內水位，減小基坑的總涌水量，可為基坑施工安全提供技術保證，具有較好的應用開發前景。

關鍵詞：單總線;深基坑;GPRS

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0013-03

當前，大型基坑在開挖過程中，對基坑周邊承壓地下水的監控是基坑工程安全施工的關鍵，相關研究表明：基坑工程施工引發的事故大多與地下水的未及時處理或對其處理不當有關。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降水法。由于井點降水法穩定性及降水效果好，適用于多種形狀的深基坑，可有效縮短工期，故應用更為廣泛。考慮到經濟性原因及受限于技術的使用，基坑降水經常使用水泵24小時連續排水的超降方法，這種模式缺乏對地下水位的精確掌控，容易出現“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，自動控制技術逐步應用到基坑降排水施工中，采用實時監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生。此外，利用監控過程中采集的大量實時數據，構建基坑大數據應用系統，對基坑圍護變形進行預測，進一步保障了基坑施工安全。

本文基于單總線技術，開發一套可用于基坑降排水的自動控制系統，可實時監測基坑內水位的變化，控制井點管內水泵的啟停，由于單總線技術成熟，協議簡單，可擴展性強，因而本方案可根據基坑的規模靈活進行配置。能有效減少用工成本、節約用電，降低基坑現場巡視人員的工作強度、保障人身安全，提高工程的經濟效益和環保效益。

1系統總體架構

如圖1所示，是基于單總線架構的基坑降排水控制系統組成，該架構由單總線控制單元、基坑監控模塊主控單元，GPRS通信單元及應用服務程序及客戶端構成。設某工地基坑有N個基坑井點管，利用水位傳感器監測井點管內水位，DS2450是Dallas半導體符合單總線協議的A/D轉換器，接收水位傳感器采集數據通過單總線傳送給主控單元;DS2405是符合單總線協議的可編址開關，接繼電器，用來對井內潛水泵進行啟停控制。當井點管內水位達設定的上限高度時，主控單元通過單總線發送命令，通過DS2405閉合繼電器，開啟潛水泵抽水;同步啟動計時功能，當計時器持續超過設定時間后，主控制器開啟聲光報警。當井點管內水位降至下限高度時，主控系統發送命令，開啟繼電器，停止潛水泵抽水，防止“過度抽水”，破壞基坑圍護安全。單總線器件數量2倍于基坑井點管數量，基坑監控模塊主控單元采用$TM32系列單片機，實現單總線ROM動態搜索算法，用于在線檢測DS2450及DS2405的工作狀態;通信單元采用中興GPRS模塊MG2639_V3，實時將采集的水位數據以無線方式發送到上位應用服務器，服務器程序由采集機、數據分析程序、web瀏覽服務程序構成，接受下位機發送的水位數據，進行實時顯示、報警、統計分析及預測。相關人員可通過個人PC或手機客戶端瀏覽相關信息。

2基坑控制模塊硬件設計

2.1主控制單元設計

如圖2所示為下位機主控制單元電路原理圖，微控制器采用STM32系列單片機，該系列芯片使用基于ARMRCortex^TM-M3 32位的精簡指令集（RISC）核，工作頻率為72MHz。存儲單元選用串行EEPOM24C02，單片機與24C02采用12C二線制協議進行數據交換，主要用于存放單總線器件內部唯一的64位的ROM序列號（即ROMID號）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服務器之間的數據交互。同時，該芯片還內置獨立的GPS定位功能，可支持多基坑工地的集總管理。

電源供電分為兩個部分：采用MIC29302電源轉換芯片，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，采用一塊輕薄可充電鋰電池作為備用電源，容量設計3000-4000Mah，支持休眠模式。

2.2單總線控制模塊設計

與SPI、I²C等串行總線不同，單總線僅采用單根通信線，可同時傳輸時鐘信號及數據信號，而且數據是雙向通信的，因此只需要一個STC單片機一個普通的I/O口即可。如果直接在STC單片機的I/O口上掛接單總線從設備（D$2450和DS2405），則可直接驅動的單總線器件個數有限，傳輸距離在200m以內，為增強單總線驅動能力，可在總線之間增加一片74HC245，以提高帶負載能力（如圖3所示）。單總線的數據傳輸速率一般為16.3Kbit/s，最大可達142 Kbiffs，經過擴展后可達lkm范圍，可完全滿足一般建筑基坑的應用。

3系統軟件設計

3.1主控制軟件設計

如圖4所示是基坑監控模塊主控制程序流程圖，上電復位、初始化后，主控制器首先運行ROM搜索程序，每個單總線器件都有一個唯一的64位的ROM序列號，以確保掛接在單總線上能被唯一識別。ROM序列號動態搜索可在線識別單總線從器件，實現“即插即用”功能，ROM序列號使用二叉樹算法實現。

在基坑監控中，ROM序列號搜索雖然可實現單總線器件動態加載，但要對應到具體的地理位置則比較困難，雖可用64位ROM序列號直接上傳到上位機的方式，但總線效率較低，系統開銷大。當單總線器件損壞更換時，服務程序須重新修改，非常不便。在這里，通過向單總線器件的EEPROM，寫入輔助編號的方法解決該問題，搜索到某器件ROM序列號時，可同步將該輔助編號一起寫入存儲單元。將編號上傳服務器端，將編號與基坑井點管編號進行對應。

完成單總線從設備自檢后，控制器根據ROM序列號順序實時采集井點管內水位數據，通過GPRS將數據匯總到服務器程序。當井點管內水位達警戒上限時，控制器向單總線輸出DO信號，使繼電器閉合，啟動潛水泵抽水;當井點管內水位持續超過警戒上限且超過設定的時延后，控制器啟動聲、光報警;當井點管內水位降到警戒下限時，使繼電器斷開，潛水泵停轉，防止“無水空抽”，損壞潛水泵電機。

3.2服務器程序設計

上位機服務器程序由采集機接口、數據服務程序及web服務程序構成。具體的工作流程如下圖5所示：

首先由采集機接口通過GPRS方式接收下位機控制器發送的實時水位數據及報警狀態信息并上傳后臺數據庫，形成基坑井點管水位歷史狀態數據。

數據服務程序從數據庫中獲取水位數據，一方面利用圖形界面系統進行實時顯示，生產基坑水位實時曲線;另一方面，對歷史水位數據結合周邊地質參數進行分析和數據挖掘，對基坑圍護結構安全進行預測、預警。

Web服務程序滿足PC端和移動端對井點管內水位、報警信息及基坑圍護結構安全信息進行查閱，當水位數據異常時，可實時推送異常信息到移動客戶端，對基坑井點管內水位進行安全報警。

4總結

本文提出了一種基于單總線技術的深基坑承壓水監控系統解決方案，采用單總線動態ROM搜索解決基坑內單總線設備在線加載問題，利用輔助編碼解決將ROMID上傳導致的降效問題，通過增強單總線驅動能力擴大單總線在基坑工地的應用范圍。通過有線與無線GPRS結合的方式，克服了純單總線擴展性差，靈活性不足的問題。該方案組網靈活，可實時監測基坑內水位，減小基坑的總涌水量，具有較好的應用開發前景。