滑坡體多參數(shù)實(shí)時(shí)采集裝置的研究

楊 那，丁 晗，樊昌元，張 明

（成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225）

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滑坡體多參數(shù)實(shí)時(shí)采集裝置的研究

楊 那，丁 晗，樊昌元，張 明

（成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225）

［摘 要］目前我國(guó)用于對(duì)滑坡體數(shù)據(jù)采集的傳統(tǒng)設(shè)備，普遍存在智能化程度低、參數(shù)單一、準(zhǔn)確性差等問(wèn)題，因此研究并設(shè)計(jì)了一種滑坡體多參數(shù)實(shí)時(shí)采集裝置，其具有成本低、智能化程度高和多參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用ADuC847內(nèi)置24位A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器，控制高精度加速度傳感器測(cè)量微小位移變化，可以使數(shù)據(jù)采集精度高達(dá)10-5，以及通過(guò)采用兩個(gè)一維ADXL193垂直安裝，組成一個(gè)二維的加速度傳感器，測(cè)量沖擊力加速度大小，測(cè)量范圍為-250 g～+250 g，測(cè)量靈敏度為8 mv/g，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡體數(shù)據(jù)的采集和分析，該采集裝置已在實(shí)際中成功投入使用。

［關(guān)鍵詞］滑坡體；多參數(shù)；微位移；沖擊力加速度

0引言

我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊但地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的國(guó)家，也是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一［1］。隨著我國(guó)建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化目標(biāo)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，然而滑坡體產(chǎn)生的滑坡、泥石流和崩塌是地質(zhì)災(zāi)害中最嚴(yán)重的一類。由于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害本身所具有的突發(fā)性與隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得滑坡體數(shù)據(jù)采集的研究一直處于緩慢進(jìn)行的狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的滑坡體數(shù)據(jù)采集儀器和方法主要有:地下鉆孔測(cè)斜儀、降雨量檢測(cè)儀、簡(jiǎn)單觀測(cè)法、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)法等［2］，這些方法都是通過(guò)采集單一參數(shù)來(lái)分析滑坡體趨勢(shì)變化的設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體的方位角、傾角、工具面角、微位移、溫度、含水量以及滑坡時(shí)沖擊力加速度等多參數(shù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集［3］。其次，由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生迅速，破壞作用劇烈，這就要求測(cè)量裝置既可以準(zhǔn)確測(cè)量參數(shù)的瞬間變化過(guò)程，同時(shí)又能夠抵抗災(zāi)害發(fā)生時(shí)對(duì)裝置的破壞并且將采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法都難以實(shí)現(xiàn)。

隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得滑坡體多參數(shù)實(shí)時(shí)采集裝置的設(shè)計(jì)成為可能。裝置通過(guò)采用高精度加速度傳感器和由ADXL193組成的二維加速度傳感器為核心部件［4-5］，實(shí)現(xiàn)了微小位移測(cè)量和沖擊力加速度測(cè)量的多參數(shù)、智能化實(shí)時(shí)采集裝置的設(shè)計(jì)，較好地實(shí)現(xiàn)了通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析發(fā)生滑坡的原因以及發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生的規(guī)模和時(shí)間并且通過(guò)采取及時(shí)有效的防治措施，盡可能減輕甚至避免滑坡帶來(lái)的生命及財(cái)產(chǎn)損失［6］。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置由主系統(tǒng)、高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)、二維沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)、含水量測(cè)量子系統(tǒng)以及通信模塊組成。主系統(tǒng)通過(guò)電子羅盤(pán)完成方位角、傾角和工具面角的數(shù)據(jù)采集，并且通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片讀取時(shí)間數(shù)據(jù)。其中，主系統(tǒng)采用霍尼韋爾公司的數(shù)字電子羅盤(pán)HMC6343傳感器，該電子羅盤(pán)傳感器內(nèi)部集成有三維磁阻傳感器和三維加速度傳感器，通過(guò)I2C總線讀取方位角、工具面角和傾角［7］。高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)、二維沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)以及含水量測(cè)量子系統(tǒng)分別對(duì)相應(yīng)的傳感器參數(shù)進(jìn)行采集。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

當(dāng)滑坡體發(fā)生微小位移變化時(shí)，在高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)中的伺服加速度傳感器會(huì)以比較高的精度記錄山體滑坡時(shí)的位移變化。當(dāng)發(fā)生比較大的山體滑坡或者崩塌時(shí)，滑坡瞬間完成，二維沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)會(huì)迅速記錄下發(fā)生山體滑坡或者崩塌時(shí)的撞擊或沖擊力加速度大小。同時(shí)在主系統(tǒng)中，將會(huì)存儲(chǔ)方位角、傾角、工具面角等角度變化數(shù)據(jù)以及磁場(chǎng)加速度和重力場(chǎng)加速度的數(shù)據(jù)。通過(guò)3個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以分析出，在發(fā)生山體滑坡或者崩塌時(shí)的劇烈狀況、運(yùn)動(dòng)軌跡以及發(fā)生的時(shí)間。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)主要完成對(duì)三維伺服加速度傳感器和溫度數(shù)據(jù)的采集，包括傳感器電路、存儲(chǔ)電路以及溫度采集電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

其中通過(guò)加速度計(jì)算微位移的主要原理是:

設(shè)a（t），v（t），d（t）和T分別為滑坡體運(yùn)動(dòng)的加速度、速度、位移和周期，g（t）為重力加速度?；麦w運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度傳感器的輸出為

g（t）變化很小，可看作常數(shù)。由于加速度傳感器的輸出采用了零點(diǎn)校正，因而只需考慮滑坡體運(yùn)動(dòng)的加速度a（t）。對(duì)a（t）積分得滑坡體運(yùn)動(dòng)的速度

考慮滑坡體作周期性運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，若將v（0）看成下始點(diǎn)的初始速度，則v（0）=0。于是

同樣，位移可以通過(guò)對(duì)速度積分得到，即

若將下始點(diǎn)的位移d（0）作為參考點(diǎn)，則滑坡體作周期性運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位移

三維伺服加速度傳感器采用高靈敏度的加速度傳感器，考慮到伺服加速度傳感器精度要求需達(dá)到10-5，并且同時(shí)要求具有一個(gè)能支持SPI通信的標(biāo)準(zhǔn)異步通信接口，綜合考慮，可選的器件型號(hào)包ADuC845/847，從芯片資源和成本角度考慮，最終決定選用ADI公司具有內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的ADuC847微處理器。溫度傳感器選用DS18B20，測(cè)溫范圍為-55～+125攝氏度，測(cè)溫分辨率為0.0625℃。

ADuC847微處理器具體的設(shè)計(jì)電路如圖3所示，共有5根連接線，分別是X、Y、Z方向的加速度數(shù)據(jù)線、電源線以及地線，數(shù)據(jù)線輸出的是模擬信號(hào)，其電壓范圍為-5V～+5V。其中，X_IN、Y_IN 和Z_IN接口分別是傳感器數(shù)據(jù)輸入引腳，單線連接溫度傳感器引腳為18b20_dat。

2.2二維沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該子系統(tǒng)主要完成對(duì)沖擊力加速度的數(shù)據(jù)采集并且能夠及時(shí)存儲(chǔ)以及將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)通信模塊等，其電路主要包括沖擊力加速度傳感器電路、UART和SPI通信電路。具體框圖如圖4所示。

在沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)中，由于碰撞產(chǎn)生的沖擊力瞬間完成，需要對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速A/D轉(zhuǎn)換，因此要求微處理器的A/D轉(zhuǎn)換速度比傳感器采集速度要快2倍以上，因此，所選處理器至少應(yīng)該具有內(nèi)置高速8位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)至少有一個(gè)能內(nèi)置SPI通信接口的標(biāo)準(zhǔn)異步通信接口。綜合考慮成本以及沖擊力加速度傳感器采集速度（400 K）的因素，決定采用ADuC7022微控制器，它具有1MSPS的A/D轉(zhuǎn)換速度并且內(nèi)置了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器，可以很好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。該控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊共包含3種工作方式，分別是偽差分模式、全差分模式以及單端輸入模式。設(shè)計(jì)中采用的是單端輸入模式，利用控制器自身的基準(zhǔn)電壓Vref，其值為2.5V，在使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V時(shí)，需要將其用一個(gè)0.47uF的電容接到模擬地AGND上。管腳9是一個(gè)多功能輸入輸出引腳，它通過(guò)引導(dǎo)模式（BM），復(fù)位時(shí)BM為低電平，則芯片進(jìn)入串行下載模式；BM由按鍵控制，懸空本引腳則運(yùn)行程序代碼。其詳細(xì)設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

在沖擊力加速度測(cè)量子系統(tǒng)中，傳感器選用的是ADXL193系列傳感器AD22283-B，它的采樣速率為400 K，測(cè)量范圍為-250 g～+250 g，測(cè)量靈敏度可達(dá)8 mv/g。由于該傳感器是一維的，系統(tǒng)需要得到二維的傳感器數(shù)據(jù)，因此在設(shè)計(jì)中采用將兩個(gè)ADXL193垂直安裝得到二維沖擊力加速度值。在設(shè)計(jì)電路中，將不用的引腳和公共端直接接地，在輸出腳上串聯(lián)兩個(gè)100 K的電阻之后接地分壓得到輸出電壓XOUT和YOUT。由于ADXL193的輸出電壓是一個(gè)模擬量，輸出電壓范圍為0 V～5 V，而在其后使用的一個(gè)ADuC7022控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的單端輸入模式，它要求輸入的電壓范圍是0到2.5 V，所以在ADXL193的輸出電路上，經(jīng)分壓后XOUT和YOUT輸出的電壓范圍就變成0 V～2.5 V，達(dá)到后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓的要求。設(shè)計(jì)電路如圖6所示，硬件實(shí)物如圖7所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用信號(hào)處理算法，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頂角、工具面角、方位角的6次滑動(dòng)平均處理程序，以傾角數(shù)據(jù)濾波處理為例，其他類似。其中，用picth表示從串口接收的傾角數(shù)據(jù)值，用數(shù)組Sp1來(lái)存放頂角的連續(xù)幾個(gè)數(shù)據(jù)，其中部分核心程序如下。

4　系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采集到的方位數(shù)據(jù)使用查表方法來(lái)解決系統(tǒng)誤差問(wèn)題，可以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量誤差得到很好的糾正。同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算之前，在軟件部分首先做改進(jìn)后的滑動(dòng)濾波算法處理，然后再經(jīng)過(guò)手工校正處理，這樣可以很好地提高測(cè)量精度［8］。主控系統(tǒng)連續(xù)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如表1所示，校正后的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，姿態(tài)角通過(guò)手工校正后誤差可控制在約6%以內(nèi)。在高精度微位移測(cè)量子系統(tǒng)中使用的伺服加速度傳感器要求精度高達(dá)10-5，因此可以在很高的精度下測(cè)得滑坡體的微小位移變化，通過(guò)這個(gè)微小位移變化可以對(duì)滑坡體進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。另外，當(dāng)發(fā)生滑坡或跨塌時(shí)，沖擊力加速度的測(cè)量范圍可達(dá)±250 g，測(cè)量靈敏度可達(dá)8 mv/g，因此該裝置能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地測(cè)量并記錄加速度的數(shù)據(jù)，以便從中找出規(guī)律，在預(yù)防時(shí)有章可循。

表1　主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Table 1 Real time data of main control system

表2　主控系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Stored data of main control system

5　結(jié)束語(yǔ)

文中提出的滑坡體多參數(shù)采集系統(tǒng)包含一個(gè)主系統(tǒng)、兩個(gè)無(wú)線通信模塊和三個(gè)子系統(tǒng)模塊。采用模塊化方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，設(shè)計(jì)通過(guò)引入微位移以及沖擊力加速度等參數(shù)的測(cè)量，以此來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量參數(shù)單一化的問(wèn)題，具有精度高、多參數(shù)和智能化等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)同類滑坡體采集裝置具有很好的借鑒意義和實(shí)際參考作用。

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（責(zé)任編輯 李亞青）

Design of Landslide Multi-parameter Real-time Collection Device

YANG Na，DING Han，F(xiàn)AN Chang-yuan，ZHANG Ming
（College of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Abstract:The device for collecting the landslide data in our country is currently still traditional device.Its common existing problems are the followings，such as low intelligent degree，single parameter and lower accuracy. So a landslide multi-parameter real-time collection device is designed，which is characterized by low-cost，intelligence and multiple-parameters.The high-precision micrometric displacement measurement sub-system collects the high-precision micrometric movement sensor data by Aduc847 controller.The processor comprises 24 bits of A/D converter，and the precision of the high-precision sensor can reach 10-5.The impact force acceleration measurement sub-system utilizes two pieces of ADXL193 acceleration sensor，and collects two directions of acceleration values by two sensors mounted in vertical.The measuring range is from-250g to+ 250g，and the sensitivity is 8mv/g.The device realizes a better collection and analysis of the landslide data and has been used in field by users successfully.

Key words:Landslide；Multiple-parameters；Micrometric displacement；Impact force acceleration

［中圖分類號(hào)］P 642.22

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1005-0310（2016）02-0050-06

DOI：10.16255/j.cnki.ldxbz.2016.02.009

［收稿日期］2015-12-08

［作者簡(jiǎn)介］楊那（1990-），女，河北省石家莊市人，成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)獲取與處理。E-mail:575789917@qq.com