顏丙葵，肖金球，傅林

（1.河海大學 計算機與信息學院，南京211100；2.蘇州科技學院 電子與信息工程學院）

引 言

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

本文設計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微處理器來完成傳感器采集數(shù)據(jù)的控制，使用SI4432無線收發(fā)模塊來實現(xiàn)各節(jié)點之間的通信及數(shù)據(jù)收集，并使用GPRS實現(xiàn)遠程通信，為深基坑施工的自動化監(jiān)測及后期管理提供了一定的參考。

1 系統(tǒng)總體結構設計

本系統(tǒng)主控芯片采用意法半導體推出的高性能微處理器STM32F107。通過由全站儀、測斜儀、頻率計和水位計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。每一個系統(tǒng)模塊經(jīng)由高性能無線收發(fā)模塊Si4432和其他模塊進行通信和數(shù)據(jù)交換。通過Si4432自帶的接收信號強度指示（RSSI）確定附近節(jié)點的信號強度，然后通過路由算法確定最終要進行遠距離信號傳輸?shù)墓?jié)點，附近其他節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給此節(jié)點。通過上位機控制節(jié)點的發(fā)送頻率，負責收集數(shù)據(jù)的節(jié)點通過GPRS模塊定時把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

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)的實時數(shù)據(jù)采集，主要采用全站儀、測斜儀、頻率計和水位計等傳感器測量輕軌深基坑參數(shù)。全站儀即全站型電子速測儀（Electronic Total Station），取代原始的經(jīng)緯儀、水準儀來測量位移數(shù)據(jù)。數(shù)字測斜儀用來監(jiān)測土體的沉降數(shù)據(jù)。實際工程中的應力計、應變計、土壓力計和空隙水壓力計常采用鋼弦式，通過頻率計采集傳感器頻率，根據(jù)事先設定的關系式確定相應的物理量值。水位計則用來監(jiān)測基坑內(nèi)外的水位是否水平。測量得到的數(shù)據(jù)通過信號放大、濾波、A／D轉換等調(diào)制后，送與STM32F107主控芯片用于后續(xù)的通信和遠距離傳輸?shù)取?/p>

2.2 Si4432無線收發(fā)模塊

Si4432無線收發(fā)模塊［3］為本設計方案的設計重點。Si4432芯片是由Silicon公司推出的一款低功耗、高集成無線芯片，最大輸出功率可以達到＋20dBm，具有高靈敏度、高集成度、極佳的頻道選擇性、簡單的電路設計、低成本等一系列優(yōu)點。本設計方案采用Si4432無線收發(fā)器取代傳統(tǒng)的GPRS直接遠程傳輸數(shù)據(jù)的模式，可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的預收集，有效地降低整個模塊的功耗，并減輕上位機的負擔，尤其當節(jié)點模塊數(shù)量龐大時優(yōu)點尤為顯著。每個節(jié)點的Si4432采用當前先進的無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）技術進行通信，與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡相比，無線Mesh網(wǎng)絡的多跳特性可以很好地提高網(wǎng)絡的可靠性，從而滿足現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)囊?。通過Si4432之間的相互通信，自動搜索信號強度最好的節(jié)點，其他各個節(jié)點把采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送給此節(jié)點的存儲單元暫時存儲。上位機通過指令控制節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸頻率，定時把匯聚節(jié)點收集的數(shù)據(jù)通過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無線收發(fā)模塊通過標準SPI總線接口連接，SPI接口可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸并且自帶CRC校驗，可有效地控制數(shù)據(jù)誤碼率。STM32F107通過初始化對Si4432進行配置，控制數(shù)據(jù)收發(fā)等。當收發(fā)緩存FIFO有溢出、有效數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、上電復位等情況發(fā)生時，Si4432產(chǎn)生中斷信號通過nIRQ引腳返回給STM32F107微處理器。當相互通信的節(jié)點數(shù)很多時，其數(shù)據(jù)量會很大，所以采用一個外部的E2PROM來專門存放通信數(shù)據(jù)。

圖2 SI4432模塊與STM32F107的接口電路

2.3 GPRS模塊設計

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四個頻率，采用AT命令控制（GSM07.07，GSM07.05和SIMCom增強型AT指令集），很好地降低了設計難度。SIM908和STM32F107主控芯片的連接也非常簡單，STM32F107可以通過標準串口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)動電壓，所以存在驅(qū)動電平不匹配的問題，連接時需要串聯(lián)一個合適的電阻。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無線模塊可以采用3.3V電壓進行供電，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，當市電斷開時則切換到雙節(jié)鋰電池為節(jié)點供電。為了提高電源可靠性，每個月對鋰電池自動維護一次，此時斷開電源，使用鋰電池；當單節(jié)鋰電池電壓從4.2V降到3.8V時，通過市電對鋰電池進行充電從而完成一次電源模塊的自維護過程。

圖3 GPRS模塊部分電路圖

圖4 系統(tǒng)電源模塊電路圖

3 軟件設計

本設計方案的軟件設計主要包括主控制器初始化程序、Si4432無線收發(fā)控制程序、GPRS遠程收發(fā)控制程序等，采用獨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。Si4432無線收發(fā)控制程序負責下位機各個節(jié)點之間的通信，通過CRC校驗可有效地控制數(shù)據(jù)的誤碼率。Si4432主要用于輕軌深基坑參數(shù)的預收集，Si4432模塊之間采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術構建通信網(wǎng)絡，其路由協(xié)議［4］采用WMN專用的可預測無線路由協(xié)議PWRP，此路由協(xié)議具有較小的網(wǎng)絡開銷、較好的及時性、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)點相對固定的網(wǎng)絡。

GPRS無線收發(fā)程序負責把Si4432無線模塊收集到的數(shù)據(jù)遠距離傳輸給上位機進行處理和存儲。每個下位機模塊都帶有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。當本節(jié)點的Si4432信號強度優(yōu)于其他模塊時，本節(jié)點的GPRS模塊才會被選作遠程無線收發(fā)模塊，用于和上位機進行通信。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 實驗數(shù)據(jù)

為了檢測本系統(tǒng)的實際工作性能，對某在建輕軌深基坑進行了實地的跟蹤測試，得到了某些傳感器在基坑開挖不同深度時的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，如表1所列。通過監(jiān)測反饋的結果可以對設計方案和施工方案進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)對基坑動態(tài)風險的管理。

結 語

本系統(tǒng)應用在輕軌地鐵施工中，可實現(xiàn)基坑的信息化施工，產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。通過改進監(jiān)測設備的性能來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性，為基坑工程的信息化施工向自動化和智能化方向發(fā)展奠定了一定的基礎。

表1 實地傳感器測量數(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的高性能無線收發(fā)應用平臺設計［J］.電子技術應用，2010，36（12）：124－127.

［4］朱昌洪，張紅梅，周達，等.無線 Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究［J］.自動化儀表，2009，30（10）：72－75.

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

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