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摘要：为了提高施工现场液压振动锤打设钢管桩过程中钢管桩垂直度监测的效率和精度，减轻测量人员的技术要求和劳动强度，实现全天候钢管桩垂直度监测的要求，设计了一套基于中国移动ONENET物联网云平台与MQTT协议的钢管桩垂直度测量监测系统，该系统采用高性能嵌入式ESP32微处理器芯片、高精度测垂传感器，通过串行通讯将垂直度数据传输到振动锤操作人员的监测触摸屏，使得钢管桩垂直度姿态得以及时调整，同时通过4G DUT无线通讯将钢管桩垂直度传输到中移动物联网平台进行数据的可视化展示，便于技术管理人员能远程监测，及时对钢管桩姿态进行预测和研判。

关键词：垂直度;  OneNet;  ESP32；物联网

0 引言

随着城市基础建设快速化施工理念的深入推进和实践，越来越多的城市高架的桩基础采用免共振液压振动锤进行钢管桩的打设工艺。该沉桩工艺通过超高频液压振动锤以160HZ的振动频率使得钢管桩在土体里进行高频振动，从而将钢管桩体周围的土体液化产生塑性流动。进而在钢管桩自重和振动锤激振力的作用下将钢管桩打设到预定深度。通过在上海虹桥机场2号航站楼地铁围护桩工程、上海济阳路高架桩基础工程等多个工程的实践，我们发现原有钢管桩沉桩过程中垂直度监测方法，即利用2台经纬仪对钢管桩打设过程中垂直度监测方案有着测量时间长、耐候性差、对测量人员要求高等缺点。

对此我们提出了基于中国移动ONENET物联网云平台与MQTT协议的钢管桩垂直度测量监测系统，该系统利用高精度测垂传感器的监测数据实时通过上报到现场控制终端的人机界面（HMI）和远程物联网监控终端（手机APP或网页），进行方便、迅速的监控钢管桩垂直度，为现场施工人员和技术管理人员近距离和远程监测钢管桩沉桩过程中垂直度提供了精确、实时的数据，从而更好地保证了钢管桩沉桩施工的质量。

1 系统总体架构

基于OneNet物联网平台及MQTT协议的钢管桩垂直度监测系统主要由测量端微控制器单元（含垂直度测量传感器）、主控端微控制器单元、现场显示触摸屏人机界面、4G通讯模块、基于HTTP协议的物联网平台所组成。

在本设计中，通过安装于液压振动锤本体部分的陀螺仪传感器探测任意时刻钢管桩XY方向上的垂直度数据，该数据通过UART串口输入到测量端的MCU微控制器单元。通过测量端MCU单元的程序算法转换为数据输出，主控端MCU与测量端MCU采用无线局域网WIFI的AP模式进行主从机间的通讯。主控端MCU再将数据通过I2C接口输出到用来现场振动锤操作人员的LCD触摸屏（HMI）进行实时显示，供其调整振动锤及钢管桩姿态的调整决策。同时，主控端又将数据通过WH7S4 4G无线透传模块传输到中国移动ONENET物联网云平台，进行数据云存储和数据可视化以便于钢管桩在不同地质条件下的大数据分析和阈值报警，同时相关技术人员可在ONENET平台开发的手机APP客户端或者网页进行远程查看钢管桩即时垂直度偏差和姿态。

2 系统组成

2.1 中国移动OneNet物联网平台

OneNET是中国移动打造的高效、稳定、安全的物联网开放平台。OneNET支持适配各种网络环境和协议类型，可实现各种传感器和智能硬件的快速接入，提供丰富的API和应用模板以支撑各类行业应用和智能硬件的开发，有效降低物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全以及大数据分析等平台级服务需求。

2.2 MQTT协议

MQTT协议是一个面向物联网应用的即时通信协议，使用TCP/IP提供网络连接，能够对负载内容实现消息屏蔽传输，开销小，可以有效降低网络流量。本工程中主控MCU通过4G模块按MQTT协议将垂直度等数据接入ONENET物联网平台，

2.3 HWT101陀螺仪传感器

HWT101陀螺仪传感器内置高精度倾角测量单元，通过测量静态重力加速度，转换成倾角变化，从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度。输出方式 RS232、RS485 或 TTL 电平接口标准可选。 HWT101陀螺仪传感器性能参数表：

HWT101陀螺仪传感器采用UART串口与测量端MCU单元连接并上传数据，通讯波特率为9600，下面仅以XYZ轴偏转角为例，说明数据包报文格式及算法：

2.4 ESP32-MCU控制器

ESP32是由我国的乐鑫公司设计研发的一款可作为独立系统运行应用程序或是主机 MCU 的从设备，通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和蓝牙功能。该芯片专将天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体，这使得ESP32 只需极少的外围器件，即可实现强大的处理性能、可靠的安全性能，和 Wi-Fi & 蓝牙功能。同时，ESP32 具备极其稳定的性能，工作温度范围达到 –40°C 到 +125°C。本工程测量端单元和主控端单元分别采用2块独立的ESP32芯片作为控制单元，分别完成数据采集和数据传输给ONENET平台的功能。

2.5 WH7S4 4G无线模块

WH-LTE-7S4 V2 是一款体积小巧，功能丰富的 M2M 4G 产品，适用于移动、联通、电信 4G 和移动、联通 3G 和 2G 网络制式。以“透传”作为功能核心，高度易用性，采用双排针的封装形式，用户可方便快速的集成于自 己的系统中。WH-LTE-7S4 V2 模块采用，HTTP Client工作模式， 在HTTP Client 模式下，模块用事先设置好的服务器地址与端口、请求方式以及包头等信息封装串口接收到的数据，并将封装好的数据包透传到 HTTP 服务器，HTTP 服务器返回结果给模块，模块将结果从 HTTP 协议包中解析后，通过串口发出。该模式下，用户不需要关注串口数据与网络数据包之间的数据转换过程，只需通过简单的参数设置，即可实现串口设备与网络服务器之间的数据透明传输。

2.6 垂直度数据的物联网接入

本系统采用ONENET物联网平台的多协议中的MQTT协议接入，具有海量接入、数据存储、设备管理、设备命令下发等功能，支持用户通过规则引擎对接OneNET增值服务，灵活地实现服务的扩展接入。步骤如下：

（1）、创建一个接入协议为MQTT的产品，产品名称为“垂直度监测”，并记录该产品的产品ID。

（2）、创建设备，设备名称为“chuizhidu”，并记录下设备ID等信息。

（3）、建立设备与ONENET平台的协议连接，使用前2步骤中的参数作为登录参数，使用SDK中的对应接口组织MQTT连接报文，发送到平台，与平台建立MQTT连接若已经连接成功，在设备信息中会看到一个在线标记：

（4）、数据流创建，数据上传

利用SDK中提供的接口函数，编写代码将数据上传到平台。

（5）、数据流展示，查看数据点

在OneNET上的设备管理下点击数据展示，进入数据展示页面，点击下拉菜单，查看近期上传的数据点；也可以选择时间区间来查看历史时间

（6）垂直度数据的可视化

通过中移物联网的OneNET View2.0数据可视化工具，生成垂直度等数据可视化中控可视化大屏。

3 系统软件设计

3.1 钢管桩X/Y向垂直度测量数据采集

本系统数据采集功能程序设计在VSCode开发环境中进行，采用C及C++编程，系统上电后并初始化后，ESP32开始通过4g 无线透传模块连接ONENET物联网平台，如连接失败，则在10秒内进行重连，10秒后如果还是连接不成功，则在振动锤操作人员使用的触摸屏人机界面上显示“联网失败，请重启系统”，并结束程序运行。网络连接成功后，测量端ESP32垂直度数据通过WIFI局域网AP模式发送给主控端ESP32微控制器，主控端ESP32接收和解析数据并将其显示在触摸屏上供振动锤操作人员监视，根据情况调整振动锤的姿态。同时主控端ESP32将相关数据通过4g GPRS模块无线透传给中移动物联网平台服务器，进行远程数据展示、储存及数据可视化。

3.2 钢管桩垂直度监测物联网云平台

在中国移动ONENET基础上，构建一个WEB界面，用来显示钢管桩垂直度数据。WEB界面提供二个折线图用来显示XY方向垂直度的变化趋势。同时利用HWT101陀螺仪传感器自带的GPS功能将钢管桩及传感器所在的实时位置在百度地图上进行标示，并未数据可视化大屏提供施工现场温度、设备在线率、离线率、故障率等一系列指标。

4、基于物联网平台的钢管桩垂直度监测系统与经纬仪测垂的比较

以2021年在路桥集团机施公司蕰川路基地进行的钢管桩试验为例，此次试验使用的是直径700mm、长度为26米的钢管桩，总共5根；使用ICE28RF免共振液压锤沉桩。

过程中分别使用钢管桩垂直度监测系统及经纬仪对钢管桩在入土5米、10米、15米及20米处的垂直度进行测量，同时进行数据的收集及分析。

通过以上数据，能明显看出监测系统的检测精度大于经纬仪；同时在沉桩观测的过程中，使用经纬仪时需不停调整仪器并且使用纸笔进行数据的记录，过程较为繁琐复杂，而监测系统能够实时反映钢管桩姿态并且显示在人机交互界面上，使用人只需要简单的点击就能进行数据的记录。

5.结束语

通过对ONENET物联网平台开发的液压振动锤打设钢管桩垂直度监测系统的开发及实践，施工管理者和现场施工人员能够高效、精确的监测钢管桩XY方向的垂直度，精度小于0.5%的行业标准。通过4G无线透传模块的数据传输能够在2S内将MCU单元的数据在HTTP协议下传输到中国移动ONENET物联网平台，进行数据流的接收和处理，并分别以数据可视化的方式在物联网控制台进行垂直度曲线的实时展示，相关管理人员和领导者可以通过微信扫码获得实时在线垂直度数据和曲线。从而为液压振动锤打设超长钢管桩的垂直度控制提供了预判和及时纠偏的依据。

参考文献：

1.基于物联网智能家居安全监控系统设计[J]. 杨丽，冯娟，卢秀丽，刘强.  现代电子技术. 2019（08）

2.基于Onenet的物联网监控系统[D]. 刘晓剑.郑州大学 2016

3.ESP32-S2 技术参考手册

4.唐康. 免共振液压振动锤施工的钢管桩承载力恢复规律的研究与应用[J]. 中国市政工程， 2020（6）：4.

科研项目：上海路桥2019-KY-4