一种基于单总线技术的深基坑承压水监控系统设计

蔡彬彬 范君 刘云昊

摘要：单总线网络具有成本低、连接便捷、稳定可靠的特点，广泛应用于多点传感应用的场合。本文提出了一种基于单总线技术的深基坑承压水监控系统解决方案，将无线GPRS引入单总线网络，克服了纯单总线扩展性差，灵活性不足的问题。该方案具有组网灵活的特点，可实时监测基坑井点管内水位，减小基坑的总涌水量，可为基坑施工安全提供技术保证，具有较好的应用开发前景。

关键词：单总线;深基坑;GPRS

中图分类号：TP23 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）15-0013-03

当前，大型基坑在开挖过程中，对基坑周边承压地下水的监控是基坑工程安全施工的关键，相关研究表明：基坑工程施工引发的事故大多与地下水的未及时处理或对其处理不当有关。因此，为保障基坑施工安全，有效治理基坑开挖涌出的地下水是关键，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沟排水法和井点降水法。由于井点降水法稳定性及降水效果好，适用于多种形状的深基坑，可有效缩短工期，故应用更为广泛。考虑到经济性原因及受限于技术的使用，基坑降水经常使用水泵24小时连续排水的超降方法，这种模式缺乏对地下水位的精确掌控，容易出现“无水空抽”或“过度抽水”，损坏水泵且极易造成安全事故。

近年来，自动控制技术逐步应用到基坑降排水施工中，采用实时监控手段为基坑施工提供安全保障，从而有效防范或减少基坑工程事故的发生。此外，利用监控过程中采集的大量实时数据，构建基坑大数据应用系统，对基坑围护变形进行预测，进一步保障了基坑施工安全。

本文基于单总线技术，开发一套可用于基坑降排水的自动控制系统，可实时监测基坑内水位的变化，控制井点管内水泵的启停，由于单总线技术成熟，协议简单，可扩展性强，因而本方案可根据基坑的规模灵活进行配置。能有效减少用工成本、节约用电，降低基坑现场巡视人员的工作强度、保障人身安全，提高工程的经济效益和环保效益。

1系统总体架构

如图1所示，是基于单总线架构的基坑降排水控制系统组成，该架构由单总线控制单元、基坑监控模块主控单元，GPRS通信单元及应用服务程序及客户端构成。设某工地基坑有N个基坑井点管，利用水位传感器监测井点管内水位，DS2450是Dallas半导体符合单总线协议的A/D转换器，接收水位传感器采集数据通过单总线传送给主控单元;DS2405是符合单总线协议的可编址开关，接继电器，用来对井内潜水泵进行启停控制。当井点管内水位达设定的上限高度时，主控单元通过单总线发送命令，通过DS2405闭合继电器，开启潜水泵抽水;同步启动计时功能，当计时器持续超过设定时间后，主控制器开启声光报警。当井点管内水位降至下限高度时，主控系统发送命令，开启继电器，停止潜水泵抽水，防止“过度抽水”，破坏基坑围护安全。单总线器件数量2倍于基坑井点管数量，基坑监控模块主控单元采用$TM32系列单片机，实现单总线ROM动态搜索算法，用于在线检测DS2450及DS2405的工作状态;通信单元采用中兴GPRS模块MG2639_V3，实时将采集的水位数据以无线方式发送到上位应用服务器，服务器程序由采集机、数据分析程序、web浏览服务程序构成，接受下位机发送的水位数据，进行实时显示、报警、统计分析及预测。相关人员可通过个人PC或手机客户端浏览相关信息。

2基坑控制模块硬件设计

2.1主控制单元设计

如图2所示为下位机主控制单元电路原理图，微控制器采用STM32系列单片机，该系列芯片使用基于ARMRCortex^TM-M3 32位的精简指令集（RISC）核，工作频率为72MHz。存储单元选用串行EEPOM24C02，单片机与24C02采用12C二线制协议进行数据交换，主要用于存放单总线器件内部唯一的64位的ROM序列号（即ROMID号）及附加的辅助编码。

GPRS通信模块采用中兴通讯的MG2639_V3，插入SIM卡后工作，可用于控制模块与上位机服务器之间的数据交互。同时，该芯片还内置独立的GPS定位功能，可支持多基坑工地的集总管理。

电源供电分为两个部分：采用MIC29302电源转换芯片，为MG2639提供3.9V供电电压;采用XC62198332MR电源芯片，为主控制器提供3.3V供电电压。同时，采用一块轻薄可充电锂电池作为备用电源，容量设计3000-4000Mah，支持休眠模式。

2.2单总线控制模块设计

与SPI、I²C等串行总线不同，单总线仅采用单根通信线，可同时传输时钟信号及数据信号，而且数据是双向通信的，因此只需要一个STC单片机一个普通的I/O口即可。如果直接在STC单片机的I/O口上挂接单总线从设备（D$2450和DS2405），则可直接驱动的单总线器件个数有限，传输距离在200m以内，为增强单总线驱动能力，可在总线之间增加一片74HC245，以提高带负载能力（如图3所示）。单总线的数据传输速率一般为16.3Kbit/s，最大可达142 Kbiffs，经过扩展后可达lkm范围，可完全满足一般建筑基坑的应用。

3系统软件设计

3.1主控制软件设计

如图4所示是基坑监控模块主控制程序流程图，上电复位、初始化后，主控制器首先运行ROM搜索程序，每个单总线器件都有一个唯一的64位的ROM序列号，以确保挂接在单总线上能被唯一识别。ROM序列号动态搜索可在线识别单总线从器件，实现“即插即用”功能，ROM序列号使用二叉树算法实现。

在基坑监控中，ROM序列号搜索虽然可实现单总线器件动态加载，但要对应到具体的地理位置则比较困难，虽可用64位ROM序列号直接上传到上位机的方式，但总线效率较低，系统开销大。当单总线器件损坏更换时，服务程序须重新修改，非常不便。在这里，通过向单总线器件的EEPROM，写入辅助编号的方法解决该问题，搜索到某器件ROM序列号时，可同步将该辅助编号一起写入存储单元。将编号上传服务器端，将编号与基坑井点管编号进行对应。

完成单总线从设备自检后，控制器根据ROM序列号顺序实时采集井点管内水位数据，通过GPRS将数据汇总到服务器程序。当井点管内水位达警戒上限时，控制器向单总线输出DO信号，使继电器闭合，启动潜水泵抽水;当井点管内水位持续超过警戒上限且超过设定的时延后，控制器启动声、光报警;当井点管内水位降到警戒下限时，使继电器断开，潜水泵停转，防止“无水空抽”，损坏潜水泵电机。

3.2服务器程序设计

上位机服务器程序由采集机接口、数据服务程序及web服务程序构成。具体的工作流程如下图5所示：

首先由采集机接口通过GPRS方式接收下位机控制器发送的实时水位数据及报警状态信息并上传后台数据库，形成基坑井点管水位历史状态数据。

数据服务程序从数据库中获取水位数据，一方面利用图形界面系统进行实时显示，生产基坑水位实时曲线;另一方面，对历史水位数据结合周边地质参数进行分析和数据挖掘，对基坑围护结构安全进行预测、预警。

Web服务程序满足PC端和移动端对井点管内水位、报警信息及基坑围护结构安全信息进行查阅，当水位数据异常时，可实时推送异常信息到移动客户端，对基坑井点管内水位进行安全报警。

4总结

本文提出了一种基于单总线技术的深基坑承压水监控系统解决方案，采用单总线动态ROM搜索解决基坑内单总线设备在线加载问题，利用辅助编码解决将ROMID上传导致的降效问题，通过增强单总线驱动能力扩大单总线在基坑工地的應用范围。通过有线与无线GPRS结合的方式，克服了纯单总线扩展性差，灵活性不足的问题。该方案组网灵活，可实时监测基坑内水位，减小基坑的总涌水量，具有较好的应用开发前景。