CN105804127B - 自动智能基坑测斜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动智能基坑测斜系统，包括自动升降控制单元、测斜传感单元、远近程无线通信单元和供电单元，自动升降控制单元包括动力电机和自动升降控制装置，测斜传感单元包括测斜控制电路、测斜传感器装置和ZigBee单片机，远近程无线通信单元包括近程通信ZigBee单片机和远程通信DTU模块，供电单元包括地面供电单元和测斜传感供电单元。本发明自动智能基坑测斜系统采用全新的自动化测斜系统，摆脱了传统测斜仪对人工的依赖性，实现了全天候自动化测量，不但能够减少人为因素引起的测量误差，而且能够节省工程时间和成本。

Description

自动智能基坑测斜系统

技术领域

本发明涉及一种基坑测斜系统，特别涉及一种全自动智能基坑测斜系统，属于基坑测斜领域。

背景技术

基坑工程是一个古老而具有时代特点的综合性的岩土工程课题，放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。现代城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁，又有地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构。在基坑工程实践中，工程的实际工作状态与设计工况往往存在一定的差异，基坑设计还不能全面而准确地反映工程的各种变化，所以在理论分析指导下有计划地进行现场工程检测就显得十分必要，因为稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，基坑事故一般都会造成严重的社会影响，轻则造成巨大的经济损失，重则造成施工人员严重伤亡。

在基坑工程中，施工期间往往伴随着许多问题的发生，究其原因，信息化施工的程度不高成为事故频发的主要原因之一。由于深基坑工程的地质条件复杂多变，设计计算参数不尽合理，围护结构实际受到的荷载与计算结果存在差异，加之随着施工的进行，作用在围护结构上的侧向荷载处于动态变化中，围护结构及基坑周围的土层随之发生位移。鉴于岩土体工程性质的复杂多变性及各种计算模型局限性，大多数基坑工程设计与施工过程中实测数据间存在较大差异，现有学科理论和技术手段尚不能达到对之起到有效支持的地步。在工程设计阶段要求能够准确无误地预测基坑支护结构和周边土体在施工过程中的变化发展趋势成为工程的迫切需要，因此在基坑监测中，反映深层土体内部水平位移的监测项目测斜一直是业内人士最为关心的监测项目之一。测斜技术可以监测基坑边坡坡体深部变形特征、排桩变形后的形状，计算不同深度土体(桩体)位移，监测是否有土体失稳的预兆及现象，总结坑边垂直坡面上的位移随坑边距离变化的规律，更科学更安全的指导施工。因此，测斜项目在基坑工程的安全监测中举足轻重。然而，目前国内针对基坑监测的测斜系统大都存在着诸多不足之处，例如传统测斜仪精度低，测斜精度高的大都造价昂贵，基本依赖进口，对人工依赖性大，无法实现自动化测斜等。

发明内容

本发明自动智能基坑测斜系统公开了新的方案，采用全新的自动化测斜系统，摆脱了传统测斜仪对人工的依赖性，解决了现有基坑测斜装置无法自动测斜的问题。

本发明自动智能基坑测斜系统包括自动升降控制单元、测斜传感单元、远近程无线通信单元和供电单元，自动升降控制单元包括动力电机和自动升降控制装置，测斜传感单元包括测斜控制电路、测斜传感器装置和ZigBee单片机，远近程无线通信单元包括近程通信ZigBee单片机和远程通信DTU模块，供电单元包括地面供电单元和测斜传感供电单元，地面供电单元给自动升降控制单元和远近程无线通信单元提供电源，测斜传感供电单元给测斜传感单元提供电源，自动升降控制单元拖动测斜传感器装置的探头沿土体测斜通道做升降运动采样土层参数，测斜传感单元将采样得到的土层参数传送给远近程无线通信单元，远近程无线通信单元将收到的信息通过互联网传送给终端设备。

本发明自动智能基坑测斜系统采用全新的自动化测斜系统，摆脱了传统测斜仪对人工的依赖性，实现了全天候自动化测量，不但能够减少人为因素引起的测量误差，而且能够节省工程时间和成本。

附图说明

图1是基坑测斜原理示意图。

图2是测斜传感器装置的探头在土层测斜通道内横截面剖面示意图。

图3是本发明自动智能基坑测斜系统原理示意图。

图4是红外测距装置实施例之一结构示意图。

图5是红外测距装置实施例之二结构示意图。

其中，121是红外信号通孔，122是红外发射管，123是红外接收管，124是测距主动轮，211是传感器探头，212是测斜管。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，现有的目前基坑测斜工作的原理图。在需要监测土(岩)深层水平位移的场合，目前广泛采用的测斜方式是钻孔式测斜，即在被测土体中预先垂直埋设一根总长度不小于监测深度的专用测斜管。当埋设有测斜管的被测土体发生水平位移变化时，测斜管将发生相应的偏离垂直方向的扭曲变形，将一个内部装有测斜传感器的探头，下到钻孔中的测斜管内往返移动，分段测出导管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，通过测斜仪逐段测量倾斜角度，根据分段长度和倾斜角度可以计算出不同土体深度对应的土体水平位移值，这个过程就是目前基坑工程中的测斜。图1示出了探头在侧斜管内移动分段长度L测得倾斜角度θ对应的土体水平位移的计算方法，即Δi＝Lsinθ_i，根据这个公式，把这些递增的水平偏差累积起来，从测孔底部始绘成曲线，结果就是初次观测与后来的任一次观测之间的水平偏移变化曲线，代表此观测期间土体发生的变形，即水平位移。因此，在探头的整个行程中测得的土体总水平位移是S_n＝∑Lsinθ_i。为了消除探头产生的机械偏差，测斜仪要进行正反程两次测量，取平均数来抵消单次测量产生的偏差。

工程测斜中的测量深度是指测斜管在土体中的埋深，因为测斜管要穿出土体地面，因此埋深略短于测斜管长度。测斜管是一种塑料(或铝型材)制成的专用空心圆管，在其内壁上沿圆周方向每隔90度开有通长导槽，因此在测斜管内壁上有四条与测斜管轴线平行并相隔90度的导槽。测斜仪是一种由直径大约为40毫米、长度为500毫米以上的不锈钢金属防水管件，并在该管件内置有对倾斜角度敏感的传感器及由相关电子电路、密封连接接口构成的测量仪器，密封连接接口的作用是导出测量数据，并与人工牵拉的每隔500毫米做了标记的电缆线连接，测斜仪的金属不锈钢管件外壳上设有二对相距500毫米的导轮，每对导轮关于金属不锈钢管件的轴线对称，并分别被安置在呈圆管状的不锈钢管件的两侧。当测斜仪导入测斜管的导槽时，需要将二对导轮嵌入测斜管内壁互为180度的二条导槽中。完成对一个测斜监测点的监测通常是按照从测斜管的上部(穿出地面端)开始，将测斜仪放置入测斜管中，测斜仪的导轮被嵌入测斜管的导槽中，在重力作用下将测斜仪向测斜管下端以每隔500毫米的间隔下放，分段测出测斜管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，记录测量数据并根据分段长度和倾斜角度计算每段对应的土体水平位移值，直到测斜管的底部。正程测量结束后，须将测斜仪从测斜管中拉出，将测斜仪沿测斜管轴线旋转180度后重新置入原先使用过的二条互为180度的导槽中(即镜面翻转)，将测斜仪下放到测斜管底部，仍然以500毫米为间隔向上提拉测斜仪，记录并计算测量数据，直到测斜仪回到测斜管上部的起始位置，全程测量结束。将正程和逆程测量数据作绝对算术平均后获得的值(某监测点、某埋深值)与最初测量值比较的差值，通过折算，得到对应段(深度)土体绝对累计位移值。测斜仪由上至下，镜面翻转后由下至上的二次正、逆程测量，其目的在于通过两次相差180度的测量，抵消机械装配等客观因素所产生的误差，根据《岩土工程监测规范》规定，最初测量值必须是重复四次的正程及逆程测量所得的绝对算术平均测值。

目前，采用在测斜管中上拉或下放测斜仪的方式实施工程测斜的过程均为人工操作，工程测斜场合中的测斜管埋深、监测点通常在十几(米，个)到上百(米，个)不等，因此，以人工实施监测很难满足每个监测点2(次/天)～4(次/天)测回的规范要求，也无法保证每次提拉或下放均为等间隔(500mm)的精确性。因此，在某些特殊应用场合，例如大面积滑坡监测，测斜项目实际很难实施。现有的自动测量方法是通过以多支测斜仪在测斜管中沿轴线首尾对接填满的方式实施的，虽然可以取代人工对测斜仪的拉升、下放操作，但一根N米长的测斜管需要置入2N个测斜仪，费用昂贵，且无法实现正程和逆程的测回操作，监测过程中产生的累积误差较大。

由于固定式测斜价格昂贵，而活动式测斜人工依赖性太大，所以现有的测斜系统都存在较大的缺陷。本方案基于上述测斜原理和现有测斜系统的框架，从工程实用角度改进其不足之处，提出了一种全新的自动智能基坑测斜系统，如图3所示，自动智能基坑测斜系统包括自动升降控制单元、测斜传感单元、远近程无线通信单元和供电单元，自动升降控制单元包括动力电机和自动升降控制装置，测斜传感单元包括测斜控制电路、测斜传感器装置和ZigBee单片机，远近程无线通信单元包括近程通信ZigBee单片机和远程通信DTU模块，供电单元包括地面供电单元和测斜传感供电单元，地面供电单元给自动升降控制单元和远近程无线通信单元提供电源，测斜传感供电单元给测斜传感单元提供电源，具体是地面供电单元包括5个形成串联的锂电池组，形成串联的锂电池组的容量、端电压和最低放电电压是37.5AH、4.2V和3V，测斜传感供电单元包括4个形成并联的锂电池,形成并联的锂电池的最高电压和最低放电电压是4.2V和3V。自动升降控制单元拖动测斜传感器装置的探头沿土体测斜通道做升降运动采样土层参数，测斜传感单元将采样得到的土层参数传送给远近程无线通信单元，远近程无线通信单元将收到的信息通过互联网传送给终端设备。

本方案的自动升降控制装置包括自动升降控制电路，自动升降控制电路包括STC12C5630AD微处理器、动力电机驱动模块、时钟电路、红外测距电路、红外复位电路、起始位置复位电路和电压采集模块，STC12C5630AD微处理器根据时钟电路发送来的信号通过动力电机驱动模块控制动力电机运行，红外测距电路将监测得到的测斜传感器装置探头的行进距离参数传送给STC12C5630AD微处理器，STC12C5630AD微处理器通过红外复位电路复位同步测斜传感单元，起始位置复位电路将采集得到的测斜传感器装置探头到达起始位置的复位信号传送给STC12C5630AD微处理器，电压采集模块将采样得到的地面供电电压参数传送给STC12C5630AD微处理器，STC12C5630AD微处理器将收到的参数经处理后传送给远近程无线通信单元的近程通信ZigBee单片机，近程通信ZigBee单片机将收到的参数信息通过远程通信DTU模块上传到互联网终端设备。

为了准确掌握测斜传感器装置探头在测斜通道内行进的距离，本方案还引入了一种测量电缆带动探头行进距离的装置，具体是自动升降控制装置还包括红外测距装置，红外测距装置包括测距圆盘、红外发射管、红外接收管和信号电缆，测距圆盘的圆周边缘部上沿周向设有等圆心角规则排列的一组红外信号通孔，红外发射管设在红外信号通孔的一端，红外接收管设在红外信号通孔的另一端，信号电缆与测距圆盘形成沿测距圆盘周向的摩擦拖动连接，动力电机带动信号电缆拖动测距圆盘旋转，红外发射管发射的红外信号通过上述一组红外信号通孔中旋转轮换的红外信号通孔被红外接收管接收产生间断的感光信号，根据接收到的感光信号的个数得到测距圆盘的自转角度，根据上述自转角度得到动力电机拖动信号电缆行进的距离。为了实现上述技术内容，本方案公开了以下具体实施例。

实施例一

为了减少外部因素对测量产生的不利影响，本方案的测距圆盘封装在外部壳体内，红外发射管和红外接收管固定在外部壳体内壁的相应位置上，信号电缆绕设在测距圆盘边缘端面上形成接触摩擦连接，测斜传感单元在自身重力作用下带动电缆拖动测距圆盘旋转。其中，测距圆盘的圆盘面边缘部上沿周向设有等圆心角规则排列的一组红外信号通孔，红外信号通孔沿测距圆盘的中轴线方向贯穿测距圆盘的盘体，红外发射管设在圆盘面一侧的红外信号通孔的一端，红外接收管设在圆盘面另一侧的红外信号通孔的另一端。随着测距圆盘不断旋转，红外发射管射出的红外光依次穿过上述一组红外信号通孔在红外接收管中产生间断离散的感光信号，每个感光信号表示测距圆盘转过了一个设定的圆心角，据此推算出测距圆盘沿其周向转过的长度，即测斜传感单元在测斜管道内行进的长度。但是，电缆与测距圆盘的直接接触传动必然会产生诸如振动、磨损等不利于形成传感信号的问题，为了解决这个问题，提高测量的准确性，本方案采用轮系的方案来改善装置的稳定性，如图4所示，本方案红外测距装置的一种具体实现方式，即红外测距装置还包括测距主动轮，测距主动轮与测距圆盘通过传动轴形成传动连接，信号电缆与测距主动轮形成沿测距主动轮周向的接触摩擦拖动连接，信号电缆拖动测距主动轮带动测距圆盘旋转。采用增设测距主动轮的方案，只需要在后续数据处理时考虑主动轮与测距圆盘的盘径比例即可。

实施例二

如图5所示，本方案红外测距装置的另一种具体实现方式。为了减少外部因素对测量产生的不利影响，本方案的测距圆盘封装在外部壳体内，红外发射管和红外接收管固定在外部壳体内壁的相应位置上，其中，基坑测斜用红外测距装置还包括测距主动轮，测距主动轮与测距圆盘通过传动轴形成传动连接，测距圆盘的盘体边缘端面上沿周向设有等圆心角规则排列的一组红外信号通孔，红外信号通孔沿测距圆盘的径向贯穿测距圆盘的盘体，红外发射管设在红外信号通孔的一端，红外接收管设在红外信号通孔的另一端，信号电缆与测距主动轮形成沿测距主动轮周向的接触摩擦拖动连接，信号电缆拖动测距主动轮带动测距圆盘旋转。随着测距圆盘不断旋转，红外发射管射出的红外光依次穿过上述一组红外信号通孔在红外接收管中产生间断离散的感光信号，每个感光信号表示测距圆盘转过了一个设定的圆心角，据此推算出测距圆盘沿其周向转过的长度，即测斜传感单元在测斜管道内行进的长度。采用测距主动轮的方案，只需要在后续数据处理时考虑主动轮与测距圆盘的盘径比例即可。

本方案在测试过程中从单片机读取到的脉冲数十分混乱，有时一个微孔会计数为十几个脉冲，通过分析认为是电机在运行过程中产生了轻微颤抖，红外接收管在刚接收到红外光和红外光消失时，接收到的是颤抖的红外信号，从而产生抖动信号，误形成多个脉冲，为了解决这个问题，本方案在单片机的采样端口加入了延时电容，即在红外测距电路的信号采集模块的采样端口处增设延时电容，延时电容屏蔽红外接收管发送来的异常高频信号。抖动信号为高频信号，通过在采样端口加电容，端口电平改变时，电容的充电和放电需要一定的时间，电容电压不能突变，所以抖动信号就被消除了，经测试加完电容之后，脉冲计数正常。本方案红外发射管可以采用74HC14驱动红外发射管LMP1，本方案红外接收管可以采用比较器提取信号。

本方案的测斜传感器装置包括传感器探头和测斜管，测斜管的轴向内壁上设有沿径向对称布置的一对滑动导槽，传感器探头外侧设有与上述一对滑动导槽配合的导轮部件，传感器探头通过导轮部件与滑动导槽的滑动配合实现在测斜管内的往复运动。传感器探头包括探头壳体，探头壳体内设有MEMS双轴角度传感器和传感器转向电机，传感器转向电机能够带动MEMS双轴角度传感器进行180°翻转。本方案的测斜控制电路包括红外接收电路、传感器转向电机驱动模块、温度采集模块和电压采集模块，红外接收电路通过接收红外复位电路的复位信号同步自动升降控制单元，测斜控制电路通过传感器转向电机驱动模块控制传感器转向电机翻转，温度采集模块将采样得到的温度参数传送给ZigBee单片机，电压采集模块将采样得到的测斜传感供电电压参数传送给ZigBee单片机，ZigBee单片机将收到的参数经处理后传送给远近程无线通信单元的近程通信ZigBee单片机，近程通信ZigBee单片机将收到的参数信息通过远程通信DTU模块上传到互联网终端设备。为了保证探头在测斜通道内克服各种阻力顺利滑动，本方案的探头壳体是圆筒状壳体，上述圆筒状壳体内设有配重块，配重块使得传感器探头在测斜管内顺利滑动。

MEMS(Microelectromechanical Systems)微机电系统，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。MEMS集成了微型传感器、执行器、信号处理、控制电路、接口电路、通信电路。因此，MEMS是一个微型化、智能化、多功能、高度集成的微型机电系统。利用MEMS技术制造的双轴角度传感器(微型传感器)不仅具有体积小、低功耗、低成本、易集成等优点，还可以利用微观尺度下的敏感机制实现超高灵敏度。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。ZigBee通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

基于以上技术特点，本方案的自动智能基坑测斜系统测斜时包括以下步骤。

⑴激活系统，自动升降控制单元同步系统各单元的时钟，自动升降控制单元通过红外通信唤醒测斜传感单元，自动升降控制单元通过UART唤醒远近程无线通信单元，自动升降控制单元等待远近程无线通信单元通过近距离无线通信将工作参数测斜深度发送至测斜传感单元。

⑵测斜传感单元根据收到的工作参数设定工作模式，测斜传感单元采样并存储一次倾斜角度数据，测斜传感单元进入等待状态。

⑶自动升降控制单元开启动力步进电机，动力步进电机在若干个固定时间段内沿侧斜管下放测斜传感单元若干个固定距离，测斜传感单元在每个下放固定距离的终点定时采样并存储倾斜角度数据。

⑷自动升降控制单元和测斜传感单元根据定时器的中断次数判断测斜传感单元到达设定的测斜深度，自动升降控制单元改变动力步进电机的旋转方向，测斜传感单元采样温度数据，测斜传感单元启动内部转向小步进电机，内部转向小步进电机使MEMS双轴角度传感器旋转180度，MEMS双轴角度传感器等待反程测量。

⑸自动升降控制单元控制动力步进电机在若干个固定时间段内沿侧斜管提升测斜传感单元若干个固定距离，测斜传感单元在每个提升固定距离的终点定时采样并存储倾斜角度数据。

⑹测斜传感单元采样霍尔传感器得到的信号和设定的测斜传感单元初始位置信号一致，测斜传感单元回到初始位置，自动升降控制单元停止动力步进电机，动力步进电机进入等待状态，测斜传感单元根据得到的各倾斜角度信息计算得到各倾斜角度对应深度的土层水平位移数据，测斜传感单元采样电池电量数据，测斜传感单元将位移数据、温度数据和电池电量数据通过近距离无线通信传送给远近程无线通信单元。

⑺远近程无线通信单元收到位移数据、温度数据和电池电量数据，远近程无线通信单元采样自动升降控制单元和远近程无线通信单元共用的电池组电压和温度数据，远近程无线通信单元将位移数据、温度数据、电池电量数据、电池组电压和温度数据打包通过远程无线通信上传至互联网。

⑻接入互联网的终端设备将收到的位移数据、温度数据、电池电量数据、电池组电压和温度数据进行分析、显示和存储，远近程无线通信单元进入等待状态，系统进入睡眠状态，完成一次基坑测斜过程。

本方案在步骤⑶和⑸中，优选固定距离的长度是500毫米，测斜传感单元在每个下放或提升500毫米距离的终点等待5秒。由于要对侧斜传感单元实现0.5m的精确提升和下放，所以选用了将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

本方案的测斜仪采用圆筒状不锈钢作为外壳，内部装有电池以及测斜传感器电路，总重量在2.5kg左右，当测斜仪浸没在水中，由于测斜仪内部是空心结构，测斜仪会受到一定的向上的浮力，以及当测斜管扭曲变形之后，测斜仪在测斜管内部滑动时会受到较大的摩擦阻力，为保证测斜仪能在测斜管内顺利的上下滑动，本方案在测斜传感单元上增设1公斤～2公斤的配重，配重帮助测斜传感单元在侧斜管内部克服阻力滑动。所以，测斜仪总重量就在3.5公斤～4.5公斤，再考虑一定的裕量，因此选用了步进电机，经实际测试满足使用要求。

系统工作需要测斜时间间隔和测斜深度两个参数，测斜时间间隔是指两次测斜过程之间的时间间隔，在此间隔时间内整个系统进入休眠状态，以降低系统功耗，延长电池使用时间。当到达间隔时间后系统被激活，开始一次测斜过程，测斜过程完成以后，如果系统没有收到更改工作模式的指令后将再次进入休眠，如此周而复始的工作下去，如果收到新的工作模式指令，将按照新的指令工作下去，并存储该工作指令。测斜深度是指测斜传感单元下放的最长距离，代表了测斜系统所测试的土体深度。系统的工作参数可通过远近程无线通信单元和自动升降控制单元自带的人机交互界面设定和更改。系统测斜过程如下：当系统被激活以后，首先由自动升降控制单元同步整个系统各个单元的时钟，具体实现方法是，通过红外通信唤醒测斜传感单元，通过UART唤醒远近程无线通信单元，自动升降控制单元等待一个固定时长，目的是等待远近程无线通信单元通过近距离无线通信将工作参数测斜深度发送至测斜传感单元，测斜传感单元根据该参数设定自己的工作模式同时采样一次角度数据并存储，等待时间到达后，自动升降控制单元开始控制动力步进电机，开始以一个固定时间长度下放测斜传感单元一个固定距离，测斜传感单元开始定时采样角度数据并且存储，自动升降控制单元和测斜传感单元通过定时器的中断次数，判断测斜传感单元是否到达设定的测斜深度，当到达设定的深度后自动升降控制单元改变动力步进电机的旋转方向，开始提升测斜传感单元，测斜传感单元采样温度，并启动内部转向小步进电机，使MEMS双轴角度传感器旋转180度，实现反程测量，然后自动升降控制单元同样控制动力步进电机，开始以一个固定时间长度提升测斜传感单元一个固定距离，测斜传感单元开始定时采样角度数据并且存储，当测斜传感单元快到达起始位置时，采样霍尔传感器信号，当该信号和设定的测斜传感单元起始位置信号一致时，停止动力步进电机，进入等待状态，测斜传感单元将采样到的所有角度信号经过计算，得到不同深度对应的位移数据，同时采样电池电量数据，将位移数据、温度数据和电池电量数据通过近距离无线传送给远近程无线通信单元，远近程无线通信单元收到数据后，采样自动升降控制单元和远近程无线通信单元共用的电池组电压和温度，将所有数据打包通过远程无线上传至互联网，最后由接入互联网的计算机接收该数据，进行分析、显示和存储。远近程无线通信单元等待一段时间，如果未收到新的工作指令，系统就进入睡眠，直到下次采样时间到达，至此，完成一次测斜过程。

为了实现对动力电机的控制，使其完成对测斜仪的提升和下放，以及每0.5m停顿5s的功能，系统选用了SH-8611A步进电机驱动器。为了使电机可靠工作，同时从成本考虑，选用了STC12C5620AD系列单片机作为电机控制的微处理器。本方案的STC12C5630AD主要完成以下功能：复位测斜仪内部的ZIGBEE单片机、动力步进电机运行控制、控制通信单片机CC2530、DS1302时间读取，具体可以归纳为以下步骤，即自动升降控制单元采用STC12C5630AD微处理器，单片机的控制方法包括步骤：⑴激活系统，单片机端口初始化，定时器初始化，中断初始化，串口通信初始化，AD采样初始化，系统采样并存储霍尔位置传感器信号作为初始位置信号；⑵单片机等待接收测斜深度参数和采样间隔时间参数；⑶单片机接收到完整的测斜深度参数和采样间隔时间参数，单片机向测斜传感单元的CC2530微处理器发送红外复位信号，单片机通过I/O端口唤醒远近程无线通信单元的CC2530微处理器；⑷单片机接收到通信CC2530的确认信号，单片机记录收到确认信号的时间并开始定时，单片机在收到确认信号时间后1秒时启动动力步进电机，动力步进电机下放测斜传感单元；⑸动力步进电机下放测斜传感单元经过若干个500毫米的距离，单片机在测斜传感单元到达每个500毫米距离终点时停止动力步进电机，动力步进电机等待5秒，单片机检测到测斜传感单元下放至设定的测斜深度，单片机改变动力步进电机的转向，动力步进电机等待10秒；⑹单片机唤醒动力步进电机，动力步进电机提升测斜传感单元经过若干个500毫米的距离，单片机在测斜传感单元到达每个500毫米距离终点时停止动力步进电机，动力步进电机等待5秒，单片机检测到测斜传感单元提升至初始位置，单片机根据霍尔位置传感器采样信号与初始位置信号一致的信号停止动力步进电机，动力步进电机进入等待状态。在上述步骤中，如果单片机在运行过程中接收到新的工作参数，则单片机根据收到的新工作参数修改工作参数寄存器内的数据，系统根据新工作参数变更运行状态。在单片机接收到通信CC2530的确认信号后，单片机根据采样间隔时间设定休眠时间，在休眠时间内单片机关闭闲置的功能模块，单片机根据收到的休眠结束信号开始下次测斜过程。

当单片机上电之后，首先进行初始化设置，包括单片机的端口初始化，定时器初始化，中断初始化，串口通信初始化，AD采样初始化，同时采样霍尔位置传感器信号并存储，作为以后的起始位置信号。然后查看工作参数变量(工作参数包括测斜深度和采样间隔时间)，如果没有工作参数或工作参数不完整，则单片机一直处于等待模式，直到通过串口通信获得工作参数。得到工作参数后，单片机向测斜传感单元CC2530发送红外复位信号，通过I/O端口唤醒通信CC2530，当收到通信CC2530的确认信号后(如果没收到就继续发送复位信号)，记录此刻的时间，同时开始定时，1s后启动动力步进电机，下放测斜传感单元，同时开始测距，到达500mm后，停止电机，等待5s后，启动动力步进电机，下放测斜传感单元500mm，停止电机，等待5s，按照这个工作方式循环，在每次停止电机时都判断下放距离是否达到测斜深度，如果到达测斜深度后，立刻改变电机的转向，延时10s，则下次启动电机时，电机反转，开始提升测斜传感单元，每提升500mm，停顿5s，并判断是否到达起始位置附近，如果下次提升500mm就能回到起始位置，则下次提升电机时，开启霍尔位置传感器，不断采样该信号，并和存储的起始位置信号比较，当采样信号达到起始位置信号后，停止动力步进电机，进入等待状态。如果串口收到新的工作参数，则修改工作参数寄存器，当收到通信CC2530的通信完成信号后，按照工作参数采样间隔时间，设定休眠时间，关闭不用的电源和内部功能，单片机进入休眠状态，单片机定时采样DS1302的时间，判断休眠是否结束，如果休眠结束，则开始下次的测斜过程。

本方案的测斜传感单元ZIGBEE单片机CC2530主要完成以下功能：定时功能、AD采样角度电压、转向电机控制、无线通信、温度采集、电池电压信号采集，具体可以归纳为以下步骤，即测斜传感单元采用ZIGBEE单片机CC2530微处理器，单片机的控制方法包括步骤：⑴测斜传感单元的CC2530复位，单片机定时器初始化，无线通信初始化，AD采样初始化，I/O端口初始化；⑵单片机通过无线通信接收到测斜深度工作参数，单片机回复收到工作参数的确认信号，单片机开启定时器，单片机进行若干次AD采样并存储倾斜角度数据，单片机完成每次AD采样并存储倾斜角度数据后等待5秒；⑶单片机根据收到的测斜传感单元到达设定测斜深度的信号控制内部转向小步进电机旋转180度，MEMS双轴角度传感器等待反程测量，单片机进行一次AD采样并存储倾斜角度数据，单片机采样一次温度数据；⑷单片机开始反程测量，单片机进行若干次AD采样并存储倾斜角度数据，单片机完成每次AD采样并存储倾斜角度数据后等待5秒；⑸单片机根据收到的测斜传感单元到达初始位置的信号控制内部转向小步进电机反向旋转180度，MEMS双轴角度传感器回复初始位置，单片机根据存储的倾斜角度数据计算得到各测斜深度的土层水平位移数据，单片机采集电池端电压，单片机将位移数据、电压数据、温度数据打包发送至通信CC2530。在上述步骤⑵中，如果单片机在3秒内没有收到通信CC2530发送的测斜深度工作参数，则单片机进入休眠状态，外部指令通过红外复位信号或者上电复位信号唤醒单片机。在上述步骤⑸中，单片机根据确认接收数据的回复信号关闭闲置的功能模块，单片机进入休眠状态，外部指令通过红外复位信号或者上电复位信号唤醒单片机。

测斜传感单元CC2530被复位以后，进行初始化操作，包括定时器初始化，无线通信初始化，AD采样初始化，I/O端口初始化。然后等待无线接收工作参数，如果3s内没有收到通信CC2530发送的测斜深度工作参数，则进入休眠状态，该状态只能通过红外复位信号或者上电复位唤醒，这样能最大的降低单片机功耗，如果收到工作参数测斜深度则返回收到工作参数的确认信号，同时开启定时器，进行AD采样角度信号，并存储角度数据，每次AD采样角度都包括X轴角度和Y轴角度，等待5s，判断测斜传感单元下降深度是否达到测斜深度，如果没有达到，则采样角度信号，然后等待5s继续判断，重复该循环，直到达到测斜深度。如果达到测斜深度，则控制转向电机旋转180度，AD采样1次角度，并采样1次温度数据，接着开始反程测量，然后开始每隔5s采样一次角度信号，每次AD采样前判断测斜传感单元是否回到起始位置，如果回到起始位置，则将转向电机反转180度，恢复原来的位置。然后将存储的角度数据折算成位移，并采集电池端电压，将位移数据，电压数据，温度数据打包发送至通信CC2530,等待数据确认接收的回复，如果没有收到回复信号，则每间隔一段时间重新发送一次，如果收到回复信号，则单片机关闭不用的电源，进入PM3模式休眠，最大的降低单片机功耗，单片机一旦进入休眠只能通过红外复位信号或者上电复位唤醒。

本方案的测斜外部通信单片机的主要功能是接收DTU的工作参数或者通过人机交互界面接收工作参数，将工作参数发送给其他单片机，实现近距离无线通信接收测斜传感单元数据，通过无线组网，接受其他自动测斜仪的测斜数据，将收集到的所有测斜仪数据发送给DTU。具体可以归纳为以下步骤，即远近程无线通信单元采用CC2530微处理器，单片机的控制方法包括步骤：⑴单片机上电，串口初始化，无线通信端口初始化，定时器初始化；⑵单片机将通过人机界面或者DTU模块接收到的工作参数发送给自动升降控制单元的STC单片机，单片机进入休眠等待状态；⑶单片机收到自动升降控制单元STC单片机的中断唤醒信号，系统开始测斜过程，单片机将工作参数通过无线通信发送到测斜传感单元的CC2530单片机后等待回复确认信号；⑷单片机将收到的回复确认信号返回给自动升降控制单元的STC单片机，单片机采集地面温度数据，单片机进入等待接收测斜传感单元发送无线通信数据的状态；⑸单片机收到测斜传感单元发送的无线通信数据后返回确认信号，单片机采样电池电压数据，单片机将地面温度数据、测斜传感单元发送的无线通信数据、电池电压数据发送至DTU模块，DTU模块将收到的数据上传到互联网。

单片机上电之后，开始初始化工作，包括串口初始化，无线初始化，端口初始化，定时器初始化。通过人机界面或者DTU接收工作参数，如果没有工作参数则一直处于等待工作参数状态。如果收到工作参数，则将工作参数发送给STC单片机，然后进入休眠等待状态，直到收到STC单片机的中断唤醒信号，开始测斜过程，将工作参数通过无线发送到测斜传感单元CC2530单片机，然后等待其确认信号，确认收到之后，返回给STC单片机，采集地面温度数据，开始进入等待状态，等待接收测斜传感单元的无线数据，收到该数据之后，返回确认信号。最后采样电池电压信号，将所有的数据按照通信协议组成数据帧发送至DTU，由DTU上传到互联网。

本方案所涉及的电器、电路、模块以及电子元器件，除特别提及外，均可以采用本领域通用的选型或方案，也可以根据不同的具体要求采用特别的选型或方案。

基坑安全监测工作将设计与施工联系成为一个交互作用的系统，它将监测获得的施工信息进行及时的分析，并将分析结果反馈给设计部门，进而对施工方案进行动态的调整和优化。由于基坑工程支护结构的破坏要经历一个由量变到质变的过程，当险情出现时，通过信息化施工可做出预警并及时采取措施，当安全储备过大的时候，又可以及时修改设计削减维护结构，节约施工成本。

本方案结合基坑工程对测斜的实际要求，从现有测斜系统的不足之处出发，应用最新的MEMS双轴加速度倾角传感器和无线传感器网络的相关技术，提出了一种全新的自动化倾斜测量实现方案。本方案基于测斜的基本原理，根据目前广泛采用的活动式测斜仪的工作方式和测量方法，结合最新的近距离ZigBee无线通信技术，提出了一种自动化测斜系统，摆脱了传统测斜方法对人工的依赖性，能够实现全天候自动化测量，不但能够减少人为因素引起的测量误差，而且能够节省时间和投入成本。本方案根据工程应用要求，提出了操纵测斜仪自动上升和下降的方案，同时能够实现测斜仪固定间距的上升和下降，选择了相关器件和仪器，具有很高的实际应用价值。本方案运用最新的MEMS双轴加速度高精度倾角传感器SCA100T，大幅度提高角度测量的精度，从而根本上解决传统测斜方案精度低的问题。本方案通过数据透明传输模块(DTU)将数据远程无线发送至运营商的GPRS网络，通过GPRS网络上传至互联网，在接入互联网的计算机上接收数据，实现对基坑及其周边土体环境的24小时远程智能监控。本方案普遍采用了开关电源变换方式，以实现系统的高效供电，延长电池的使用时间。因此，本方案的自动智能基坑测斜方案具有以下特点：⑴采用一支测斜仪自动实现正程及逆程测量；⑵具有合理的测量深度、测量频度的适应性，并可通过现场或远程对工作方式实行设定或修改；⑶在没有工网(交流电网)支持情况下或较长无人干涉期间，实现能量的自给和补充；⑷实现测量数据、工作模式设定等近、远程无线交互，实现无电缆化；⑸全部测斜过程无人干涉。基于以上特点，本方案的自动智能基坑测斜系统相比现有的基坑测斜方案具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案的自动智能基坑测斜系统并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，其包含的操作步骤在不违反技术规范和原理的前提下，为优化操作程序可以进行适当的顺序调换和适应性变更，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (9)

1.自动智能基坑测斜系统，其特征是包括自动升降控制单元、测斜传感单元、远近程无线通信单元和供电单元，所述自动升降控制单元包括动力电机和自动升降控制装置，所述测斜传感单元包括测斜控制电路、测斜传感器装置和ZigBee单片机，所述远近程无线通信单元包括近程通信ZigBee单片机和远程通信DTU模块，所述供电单元包括地面供电单元和测斜传感供电单元，所述地面供电单元给所述自动升降控制单元和远近程无线通信单元提供电源，所述测斜传感供电单元给所述测斜传感单元提供电源，所述自动升降控制单元拖动所述测斜传感器装置的探头沿土体测斜通道做升降运动采样土层参数，所述测斜传感单元将采样得到的所述土层参数传送给所述远近程无线通信单元，所述远近程无线通信单元将收到的信息通过互联网传送给终端设备，

所述自动升降控制装置包括自动升降控制电路，所述自动升降控制电路包括STC12C5630AD微处理器、动力电机驱动模块、时钟电路、红外测距电路、红外复位电路、起始位置复位电路和电压采集模块，所述STC12C5630AD微处理器根据所述时钟电路发送来的信号通过所述动力电机驱动模块控制所述动力电机运行，所述红外测距电路将监测得到的所述测斜传感器装置探头的行进距离参数传送给所述STC12C5630AD微处理器，所述STC12C5630AD微处理器通过所述红外复位电路复位同步所述测斜传感单元，所述起始位置复位电路将采集得到的所述测斜传感器装置探头到达起始位置的复位信号传送给所述STC12C5630AD微处理器，所述电压采集模块将采样得到的地面供电电压参数传送给所述STC12C5630AD微处理器，所述STC12C5630AD微处理器将收到的参数经处理后传送给所述远近程无线通信单元的近程通信ZigBee单片机，所述近程通信ZigBee单片机将收到的参数信息通过所述远程通信DTU模块上传到互联网终端设备。

2.根据权利要求1所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述自动升降控制装置还包括红外测距装置，所述红外测距装置包括测距圆盘、红外发射管、红外接收管和信号电缆，所述测距圆盘的圆周边缘部上沿周向设有等圆心角规则排列的一组红外信号通孔，所述红外发射管设在所述红外信号通孔的一端，所述红外接收管设在所述红外信号通孔的另一端，所述信号电缆与所述测距圆盘形成沿所述测距圆盘周向的摩擦拖动连接，所述动力电机带动所述信号电缆拖动所述测距圆盘旋转，所述红外发射管发射的红外信号通过所述一组红外信号通孔中旋转轮换的红外信号通孔被所述红外接收管接收产生间断的感光信号，根据接收到的所述感光信号的个数得到所述测距圆盘的自转角度，根据所述自转角度得到所述动力电机拖动所述信号电缆行进的距离。

3.根据权利要求2所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述红外测距装置还包括测距主动轮，所述测距主动轮与所述测距圆盘通过传动轴形成传动连接，所述信号电缆与所述测距主动轮形成沿所述测距主动轮周向的接触摩擦拖动连接，所述信号电缆拖动所述测距主动轮带动所述测距圆盘旋转。

4.根据权利要求2或3所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，在所述红外测距电路的信号采集模块的采样端口处增设延时电容，所述延时电容屏蔽所述红外接收管发送来的异常高频信号。

5.根据权利要求2所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述测斜传感器装置包括传感器探头和测斜管，所述测斜管的轴向内壁上设有沿径向对称布置的一对滑动导槽，所述传感器探头外侧设有与所述一对滑动导槽配合的导轮部件，所述传感器探头通过所述导轮部件与所述滑动导槽的滑动配合实现在所述测斜管内的往复运动。

6.根据权利要求5所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述传感器探头包括探头壳体，所述探头壳体内设有MEMS双轴角度传感器和传感器转向电机，所述传感器转向电机能够带动所述MEMS双轴角度传感器进行180°翻转。

7.根据权利要求6所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述测斜控制电路包括红外接收电路、传感器转向电机驱动模块、温度采集模块和电压采集模块，所述红外接收电路通过接收所述红外复位电路的复位信号同步所述自动升降控制单元，所述测斜控制电路通过所述传感器转向电机驱动模块控制所述传感器转向电机翻转，所述温度采集模块将采样得到的温度参数传送给所述ZigBee单片机，所述电压采集模块将采样得到的测斜传感供电电压参数传送给所述ZigBee单片机，所述ZigBee单片机将收到的参数经处理后传送给所述远近程无线通信单元的近程通信ZigBee单片机，所述近程通信ZigBee单片机将收到的参数信息通过所述远程通信DTU模块上传到互联网终端设备。

8.根据权利要求5或6所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述探头壳体是圆筒状壳体，所述圆筒状壳体内设有配重块，所述配重块使得所述传感器探头在所述测斜管内顺利滑动。

9.根据权利要求1所述的自动智能基坑测斜系统，其特征在于，所述地面供电单元包括5个形成串联的锂电池组，所述形成串联的锂电池组的容量、端电压和最低放电电压是37.5AH、4.2V和3V，所述测斜传感供电单元包括4个形成并联的锂电池,所述形成并联的锂电池的最高电压和最低放电电压是4.2V和3V。