基于MEMS和ZigBee技術的基坑自動測斜系統設計①

張利文 李榮正

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

基于MEMS和ZigBee技術的基坑自動測斜系統設計①

張利文 李榮正

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

基于高精度、低功耗的微機電系統雙軸加速度傾角傳感器和近距離無線ZigBee通信技術，通過單片機控制步進電機完成測斜儀的升降過程的設計，實現定點、精確測量數據、二十四小時遠程智能監控功能。

測斜儀 基坑工程 微機電系統 ZigBee

隨著城市地下作業工程(如地鐵、地下停車場等)的迅速發展，基坑工程量越來越大[1]。為了保證基坑工程的安全施工，需要在整個施工過程中對深層土體內部的變形進行實時監測，因此監測基坑深層土體內部的水平位移非常重要[2]。目前常用的活動式測斜儀存在精度低、人工依賴性大等缺陷；而固定式測斜儀的測量精度雖然高，但是需要安裝多個測斜探頭，價格昂貴。為此，筆者基于微機電系統(MEMS)技術和近距離無線ZigBee技術設計基坑自動測斜系統。

1 系統整體設計

如圖1所示，筆者所設計的基坑自動測斜系統由自動升降控制單元、近程無線通信單元、測斜傳感單元和供電單元組成。自動升降控制單元由剎車式步進電機、步進電機驅動器、微處理器及其外圍輔助模塊組成；測斜傳感單元由MEMS雙軸角度傳感器、小型步進電機及其驅動電路、近距離無線通信ZigBee單片機及其外圍輔助模塊組成；近程無線通信單元由近距離無線通信ZigBee單片機和DTU組成；供電單元由電源變換電路組成。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路

自動升降控制電路(圖2)由STC12C5630AD單片機和外圍電路組成，主要包括單片機外部晶振電路和復位電路。晶振電路為單片機正常工作提供精準的基準時鐘，單片機外部晶振的振蕩周期也決定了單片機的工作速度。由于使用的是無源晶振，所以必須外接電容。該電路主要實現對測斜傳感單元精確的提升和下放功能。選用可以將電脈沖信號轉換為角位移或線位移的開環控制元步進電機，該電機的停止位置和轉速只與脈沖信號的頻率和脈沖數有關。當驅動器接收到一個脈沖信號，電機相應地轉動一個固定角度，電機的整個旋轉就是通過不斷接收脈沖信號運行的，這樣就可以通過脈沖數量來控制電機的旋轉角度，從而實現精準定位功能。

圖2 自動升降控制電路

近程無線通信電路(圖3)主要由一個CC2530單片機最小系統(系統近距離無線通信微處理器，兼容ZigBee協議)和無線發射部分組成。主要完成模塊間的通信和數據傳送功能。

圖3 近程無線通信電路

CC2530芯片集成了增強型8051微控制內核與2.4GHz RF收發器，具有256KB內存，同時結合了ZigBee協議棧(Z-Stack)。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。系統通過應用ZigBee技術實現了模塊間工作參數和采樣數據的傳送。

傾角傳感器主要測量深層土體的水平位移角度，它的探頭每隔一段距離測出導管軸線相對于鉛垂線的傾斜角度，根據三角函數公式，由分段長度和傾斜角度計算出各土體深度對應的土體水平位移值。系統使用的是基于3D-MEMS的高精度雙軸傾角傳感器芯片SCA100T。SCA100T測量的方向電壓到角度的轉換如圖4所示。SCA100T的測量范圍為±90°，當x軸和y軸的傾角在0～90°時，芯片輸出的模擬電壓Vout>2.5V，當x軸和y軸的傾角在-90～0°時，芯片輸出的模擬電壓Vout<2.5V。

圖4 SCA100T測定的方向電壓到角度轉換

輸出模擬電壓和角度的轉換方程為：

其中Vset是在0°輸出的電壓值(2.5V)；S為芯片的靈敏度，SCA100T-D01的是70mV/(°)，SCA100T-D02的是35mV/(°)。

當轉換角度近似于0°時，方程可簡化為：

SCA100T器件的偏移量O(0°時的輸出量)和靈敏度S會隨溫度T的變化而變化，為了得到高的精度，可以通過計算進行補償。偏移量通過三階多項式曲線方程進行補償：

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

補償溫度變化引起的角度變化量Δα的方程為：

Δα=α-O

式中α——未經校正的實際溫度值。

靈敏度通過二階多項式曲線方程進行補償：

S′=-0.00011T2+0.0022T+0.0408

式中S′——平均靈敏度。

通過下面的方程就能補償溫度變化引起的靈敏度偏移So：

So=S未(1+S′/100)

式中S未——未校正的靈敏度。

本系統根據實際需要選擇SCA100T-D01單片機作為控制核心。為了提高測量精度，系統沒有采用SCA100T的SPI端口讀取內部的AD轉換結果，而是采用單片機CC2530的12位AD轉換SCA100T角度的模擬輸出電壓，并且為單片機AD轉換提供外部基準源。

3 軟件部分

系統工作流程如圖5所示。系統通電后，首先進行初始化設置，然后查看測斜時間間隔和測斜深度兩個工作參數變量。測斜時間間隔指兩次測斜過程之間的時間間隔。測斜深度指測斜傳感單元下放的最長距離，代表了測斜系統所測土體的深度。如果沒有接收到工作參數，則單片機一直處于等待模式，直到通過串口通信獲得工作參數。獲得參數后自動升降控制單元開始控制動力步進電機以固定距離下放測斜傳感單元，當到達設定深度后，啟動內部轉向小步進電機，使MEMS雙軸角度傳感器旋轉180°，實現反程測量，用于消除偏差。接著自動升降控制單元再控制動力步進電機以固定距離上拉測斜傳感單元。在整個升降過程中測斜傳感單元定時采樣角度數據和溫度數據，并把采樣到的角度數據換算為對應的位移數據。之后所有的數據近距離無線傳送給遠近程無線通信單元，遠近程無線通信單元將接收到的數據打包后通過遠程無線上傳至互聯網。最后由接入互聯網的計算機接收該數據，進而進行分析、顯示和存儲。

圖5 系統工作流程

4 系統調試

系統硬件和軟件設計完成后，對測斜傳感單元的角度測量進行實驗室測試。進行測量調試時，測斜傳感單元上電，利用CC2530單片機采樣SCA100T的x軸輸出電壓和y軸輸出電壓，每次將采樣得到的電壓利用近距離無線通信傳送至通信CC2530，由通信CC2530把數據發送至液晶模塊顯示。改變SCA100T的傾斜角度，記錄此時通過單片機AD采樣的電壓值，并且利用萬用表直接測量SCA100T的x軸輸出電壓和y軸輸出電壓。對比結果見表1，可以看出，通過CC2530 AD轉換的電壓和利用數字萬用表測量的電壓基本一致。

表1 AD轉換電壓與萬用表測量電壓比較 V

5 結束語

通過結合最新的高精度、低功耗和小體積的MEMS雙軸加速度傾角傳感器和近距離無線ZigBee通信技術，設計了一種全新的高精度基坑自動測斜系統。系統實現了全天候自動測量，擺脫了傳統測斜儀對人工的依賴，減少了人為因素引起的測量誤差，不僅提高了測量精度，還節省了時間和資金投入。實驗室的測定結果證實該系統滿足設計要求。

[1] 牟麗娟.基坑支護設計方案的優選和應用[D].濟南：山東大學,2009.

[2] 王斌.深層土體水平位移監測及影響因素分析[J].建筑·建材·裝飾,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

張利文(1993-)，碩士研究生，從事基坑遠程監測技術的研究。

聯系人李榮正(1960-)，教授，從事計算機控制、檢測技術和遠程監測技術的研究，lrz@sues.edu.cn。

TH89

A

1000-3932(2017)12-1114-04

2017-06-13，

2017-09-23)

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