基于MEMS和ZigBee技术的基坑自动测斜系统设计①

张利文 李荣正

(上海工程技术大学电子电气工程学院)

基于MEMS和ZigBee技术的基坑自动测斜系统设计①

张利文 李荣正

(上海工程技术大学电子电气工程学院)

基于高精度、低功耗的微机电系统双轴加速度倾角传感器和近距离无线ZigBee通信技术，通过单片机控制步进电机完成测斜仪的升降过程的设计，实现定点、精确测量数据、二十四小时远程智能监控功能。

测斜仪 基坑工程 微机电系统 ZigBee

随着城市地下作业工程(如地铁、地下停车场等)的迅速发展，基坑工程量越来越大[1]。为了保证基坑工程的安全施工，需要在整个施工过程中对深层土体内部的变形进行实时监测，因此监测基坑深层土体内部的水平位移非常重要[2]。目前常用的活动式测斜仪存在精度低、人工依赖性大等缺陷；而固定式测斜仪的测量精度虽然高，但是需要安装多个测斜探头，价格昂贵。为此，笔者基于微机电系统(MEMS)技术和近距离无线ZigBee技术设计基坑自动测斜系统。

1 系统整体设计

如图1所示，笔者所设计的基坑自动测斜系统由自动升降控制单元、近程无线通信单元、测斜传感单元和供电单元组成。自动升降控制单元由刹车式步进电机、步进电机驱动器、微处理器及其外围辅助模块组成；测斜传感单元由MEMS双轴角度传感器、小型步进电机及其驱动电路、近距离无线通信ZigBee单片机及其外围辅助模块组成；近程无线通信单元由近距离无线通信ZigBee单片机和DTU组成；供电单元由电源变换电路组成。

图1 系统结构框图

2 硬件电路

自动升降控制电路(图2)由STC12C5630AD单片机和外围电路组成，主要包括单片机外部晶振电路和复位电路。晶振电路为单片机正常工作提供精准的基准时钟，单片机外部晶振的振荡周期也决定了单片机的工作速度。由于使用的是无源晶振，所以必须外接电容。该电路主要实现对测斜传感单元精确的提升和下放功能。选用可以将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元步进电机，该电机的停止位置和转速只与脉冲信号的频率和脉冲数有关。当驱动器接收到一个脉冲信号，电机相应地转动一个固定角度，电机的整个旋转就是通过不断接收脉冲信号运行的，这样就可以通过脉冲数量来控制电机的旋转角度，从而实现精准定位功能。

图2 自动升降控制电路

近程无线通信电路(图3)主要由一个CC2530单片机最小系统(系统近距离无线通信微处理器，兼容ZigBee协议)和无线发射部分组成。主要完成模块间的通信和数据传送功能。

图3 近程无线通信电路

CC2530芯片集成了增强型8051微控制内核与2.4GHz RF收发器，具有256KB内存，同时结合了ZigBee协议栈(Z-Stack)。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。系统通过应用ZigBee技术实现了模块间工作参数和采样数据的传送。

倾角传感器主要测量深层土体的水平位移角度，它的探头每隔一段距离测出导管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，根据三角函数公式，由分段长度和倾斜角度计算出各土体深度对应的土体水平位移值。系统使用的是基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片SCA100T。SCA100T测量的方向电压到角度的转换如图4所示。SCA100T的测量范围为±90°，当x轴和y轴的倾角在0～90°时，芯片输出的模拟电压Vout>2.5V，当x轴和y轴的倾角在-90～0°时，芯片输出的模拟电压Vout<2.5V。

图4 SCA100T测定的方向电压到角度转换

输出模拟电压和角度的转换方程为：

其中Vset是在0°输出的电压值(2.5V)；S为芯片的灵敏度，SCA100T-D01的是70mV/(°)，SCA100T-D02的是35mV/(°)。

当转换角度近似于0°时，方程可简化为：

SCA100T器件的偏移量O(0°时的输出量)和灵敏度S会随温度T的变化而变化，为了得到高的精度，可以通过计算进行补偿。偏移量通过三阶多项式曲线方程进行补偿：

O=-0.0000006T3+0.0001T2-0.0039T-0.0522

补偿温度变化引起的角度变化量Δα的方程为：

Δα=α-O

式中α——未经校正的实际温度值。

灵敏度通过二阶多项式曲线方程进行补偿：

S′=-0.00011T2+0.0022T+0.0408

式中S′——平均灵敏度。

通过下面的方程就能补偿温度变化引起的灵敏度偏移So：

So=S未(1+S′/100)

式中S未——未校正的灵敏度。

本系统根据实际需要选择SCA100T-D01单片机作为控制核心。为了提高测量精度，系统没有采用SCA100T的SPI端口读取内部的AD转换结果，而是采用单片机CC2530的12位AD转换SCA100T角度的模拟输出电压，并且为单片机AD转换提供外部基准源。

3 软件部分

系统工作流程如图5所示。系统通电后，首先进行初始化设置，然后查看测斜时间间隔和测斜深度两个工作参数变量。测斜时间间隔指两次测斜过程之间的时间间隔。测斜深度指测斜传感单元下放的最长距离，代表了测斜系统所测土体的深度。如果没有接收到工作参数，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。获得参数后自动升降控制单元开始控制动力步进电机以固定距离下放测斜传感单元，当到达设定深度后，启动内部转向小步进电机，使MEMS双轴角度传感器旋转180°，实现反程测量，用于消除偏差。接着自动升降控制单元再控制动力步进电机以固定距离上拉测斜传感单元。在整个升降过程中测斜传感单元定时采样角度数据和温度数据，并把采样到的角度数据换算为对应的位移数据。之后所有的数据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将接收到的数据打包后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，进而进行分析、显示和存储。

图5 系统工作流程

4 系统调试

系统硬件和软件设计完成后，对测斜传感单元的角度测量进行实验室测试。进行测量调试时，测斜传感单元上电，利用CC2530单片机采样SCA100T的x轴输出电压和y轴输出电压，每次将采样得到的电压利用近距离无线通信传送至通信CC2530，由通信CC2530把数据发送至液晶模块显示。改变SCA100T的倾斜角度，记录此时通过单片机AD采样的电压值，并且利用万用表直接测量SCA100T的x轴输出电压和y轴输出电压。对比结果见表1，可以看出，通过CC2530 AD转换的电压和利用数字万用表测量的电压基本一致。

表1 AD转换电压与万用表测量电压比较 V

5 结束语

通过结合最新的高精度、低功耗和小体积的MEMS双轴加速度倾角传感器和近距离无线ZigBee通信技术，设计了一种全新的高精度基坑自动测斜系统。系统实现了全天候自动测量，摆脱了传统测斜仪对人工的依赖，减少了人为因素引起的测量误差，不仅提高了测量精度，还节省了时间和资金投入。实验室的测定结果证实该系统满足设计要求。

[1] 牟丽娟.基坑支护设计方案的优选和应用[D].济南：山东大学,2009.

[2] 王斌.深层土体水平位移监测及影响因素分析[J].建筑·建材·装饰,2016,(7):194,196.

DesignofAuto-surveySystemforFoundationPitBasedonMEMSandZigBeeTechnology

ZHANG Li-wen, LI Rong-zheng
(CollegeofElectronicsandElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

Having MEMS’ biaxial acceleration tilt sensor which boasting of high accuracy and low power consumption and the close wireless ZigBee based and SCM employed were implemented to control stepping motor so as to accomplish the design, positioning and data measurement and all-weather remote monitoring of the inclinometer’s rise-and-fall process.

inclinometer, foundation pit engineering, MEMS, ZigBee

张利文(1993-)，硕士研究生，从事基坑远程监测技术的研究。

联系人李荣正(1960-)，教授，从事计算机控制、检测技术和远程监测技术的研究，lrz@sues.edu.cn。

TH89

A

1000-3932(2017)12-1114-04

2017-06-13，

2017-09-23)

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