一種多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀設(shè)計

張曉飛 ，呂中虎 ，孟憲瑋 ，曾 克

（1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051）

滑坡是一種常見的自然地質(zhì)災(zāi)害[1]，滑坡引起山體的垮塌以及暴雨后形成的泥石流常給國家建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。為了能對尚處于初始變形階段和穩(wěn)定變形階段滑坡進行未來整體破壞事件預(yù)報[2]，需要對滑坡深部應(yīng)力、傾角、含水率等參數(shù)及滑坡地表裂縫位移、降雨量等參數(shù)的綜合監(jiān)測。本文在標(biāo)準(zhǔn)電流輸出的應(yīng)力、傾角、含水率、位移等傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀，實現(xiàn)了對滑坡深部不同深度的應(yīng)力、傾角和含水率及地表降雨量、裂縫位移的綜合監(jiān)測。

1 多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)

滑坡發(fā)生與否取決于滑坡體的下滑力和抗滑力之間的平衡變化[3-4]，基于此，在進行多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀的設(shè)計時，綜合考慮能夠同時監(jiān)測降雨量、地表裂縫位移、深部不同層位的應(yīng)力、傾角、含水率進行監(jiān)測，所以本文設(shè)計的多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6]。

圖1 多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure block diagram of multi parameter landslide monitor

采用STM32微處理器為控制核心，分為地表監(jiān)測、深部監(jiān)測和降雨量監(jiān)測3個通道。其中地表監(jiān)測和深部監(jiān)測通道均通過多芯電纜將一個或多個切換模塊連接在一起后接入儀器的信號控制調(diào)理電路，每個切換模塊可以接1～4個電流型傳感器，且切換模塊具有不同的ID號；降雨監(jiān)測通道將雨量計的輸出通過信號驅(qū)動電路連接至STM32微控制器的GPIO口。STM32微控制器通過GPIO口采集雨量計的輸出，并通過切換模塊控制電路實現(xiàn)地表監(jiān)測和深部監(jiān)測通道的切換，實現(xiàn)各通道上每個傳感器的分時采集，再將采集的數(shù)據(jù)存儲在U盤或通過傳輸模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。

2 多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀硬件設(shè)計

2.1 切換模塊電路設(shè)計

多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器多參數(shù)的一個關(guān)鍵是切換模塊，其采用編解碼芯片PT2272通過控制模擬開關(guān)ADG1409的通斷實現(xiàn)每個切換模塊的1~4個傳感器與監(jiān)測儀器的連接[7-9]。地表監(jiān)測和深部監(jiān)測通道的切換模塊均具有不同的ID號，從而可以將多個切換模塊通過多芯電纜連接在一起。為了實現(xiàn)監(jiān)測儀器端對切換通道的遠距離控制，采用MAX487作為驅(qū)動電路；為了實現(xiàn)對每個切換模塊相連的傳感器供電的控制，采用AAT4285作為傳感器的電源控制開關(guān)。

圖2 切換模塊電路Fig.2 Switch module circuit diagram

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

滑坡地表監(jiān)測和深部監(jiān)測通道傳感器的輸出是4～20 mA的電流信號，首先經(jīng)過由150 Ω采樣電阻、單電源儀表運放AD623、電壓基準(zhǔn)ADR130構(gòu)成的I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為0.1～2.5 V的電壓信號；電壓信號經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、單電源運放OPA350構(gòu)成的一階有源濾波電路濾除信號中的高頻干擾，再經(jīng)過由單電源運放OPA350構(gòu)成的同相放大電路放大4倍，將濾波電路輸出的電壓信號放大至0.133～3.333 V的范圍后再輸入至24位AD轉(zhuǎn)換電路。

圖3 信號調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit diagram

2.3 AD采集電路設(shè)計

為了提高數(shù)據(jù)采集的精度，滑坡地表監(jiān)測和深部監(jiān)測通道均采用24位AD轉(zhuǎn)換芯片LTC2402。LTC2402采用Σ-▽過采樣技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換位數(shù)高（24 bit）、非線性?。?×10-6）、支持串行外設(shè)接口 SPI協(xié)議，便于與單片機連接的特點。LTC2402芯片實現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，其中LT1761為LTC2402提供穩(wěn)定的3.3 V電源，電壓基準(zhǔn)源ADR4533為LTC2402提供3.3 V的電壓基準(zhǔn)。

圖4 24位AD采集電路Fig.4 24 bit AD acquisition circuit

2.4 控制存儲顯示模塊設(shè)計

微控制器是多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀的控制核心，各傳感器的切換、數(shù)據(jù)的采集處理、存儲及遠程發(fā)送均由微控制器完成。在設(shè)計上采用STM32F103ZE作為控制核心，使用其GPIO口與切換模塊驅(qū)動電路、24位AD采集電路相連，使用其USART1口通過MAX3232與LCD模組相連接，使用其USART2口與U盤存儲模塊相連接，使用其USART3通過MAX3232與無線傳輸模塊相連接。

LCD模組采用北京愛傳科技有限公司生產(chǎn)的ATS080型號工業(yè)串口屏，其具有真彩色+觸摸操作、內(nèi)置128 M文件系統(tǒng)（FAT32文件系統(tǒng)）、U盤讀寫、內(nèi)置2 M參數(shù)存儲區(qū)、工作溫度-20℃～+70℃等特點。ATS080工業(yè)串口屏使用圖形化開發(fā)工具ATGUIDesigner，開發(fā)使用簡單，可應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)設(shè)備控制等產(chǎn)品。

U盤存儲電路選用南京沁恒公司生產(chǎn)的U盤文件讀寫模塊，其支持FAT12、FAT16及FAT32文件系統(tǒng)，外圍電路簡單、操作方便。

無線傳輸模塊內(nèi)嵌完整的TCP/IP協(xié)議，將STM32微控制器采集到的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3 多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀軟件設(shè)計

多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀的軟件設(shè)計包含STM32微控制器的編程和LCD模組編程兩部分，其中STM32微控制器編程采用C語言，在KEIL4開發(fā)環(huán)境中完成，LCD模組編程采用C語言，開發(fā)環(huán)境為愛傳科技有限公司推出的圖形化開發(fā)工具ATGUIDesigner。

3.1 STM32微控制器軟件設(shè)計

STM32微控制器軟件流程如圖5所示，主程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測儀器的初始化，然后依據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位去執(zhí)行測量、監(jiān)測任務(wù)或中斷服務(wù)程序，在中斷程序中完成對GPIO中斷和USART中斷的響應(yīng)。GPIO中斷中完成對雨量計輸出信號的采集，在USART中斷中，依據(jù)液晶屏的輸出命令完成時間設(shè)定顯示、傳感器參數(shù)設(shè)定、進入采集狀態(tài)或進入監(jiān)測狀態(tài)等幾個任務(wù)的設(shè)定。

圖5 STM32微控制器軟件流程Fig.5 STM32 micro controller software flow chart

3.2 LCD模組軟件設(shè)計

LCD模組編程主要是在ATGUIDesigner開發(fā)環(huán)境下針對ATS080工業(yè)串口屏進行界面設(shè)計。在進行界面設(shè)計時，通過ATGUIDesigner中控件的拖放和屬性設(shè)置，即可設(shè)計出美觀的界面和豐富的功能，同時在設(shè)計中增加C語言串口發(fā)送接收程序，用于向STM32微控制器發(fā)送命令及接收STM32微控制所發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的界面顯示等功能。參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示。

4 多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀野外試驗

圖6 參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集界面Fig.6 Parameter setting and data acquisition interface

2015年4月29日，黨川羅家坡相同位置前后發(fā)生2次黃土滑坡，滑坡規(guī)模達65×104m3，最大滑距達630 m，是黑方臺典型的高位遠程滑坡?；潞缶壛芽p密布，繼續(xù)溯源滑動的風(fēng)險大。在對比了黑臺南緣坡體變形歷史和當(dāng)前跡象，且在評估1～2年變形趨勢基礎(chǔ)上，選擇黑臺黨川羅家坡坡段一滑坡開展多參數(shù)滑坡監(jiān)測儀野外試驗。

在選定監(jiān)測區(qū)域后，結(jié)合地面裂縫、塌陷的實際情況，部署了1個鉆孔用于深部多參數(shù)組合監(jiān)測（深部監(jiān)測探頭布設(shè)在8 m和18 m位置處）。采用全孔安裝測斜管，在需要監(jiān)測的層位（深度）更換成深部監(jiān)測探頭的方式布設(shè)，全孔安裝完測斜管后，再采用砂石回填鉆孔，最后將連接監(jiān)測探頭的電纜線接入監(jiān)測箱，在監(jiān)測箱內(nèi)安裝多參數(shù)組合監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)傳模塊、蓄電池后設(shè)定好工作模式后即可以實現(xiàn)長期自動監(jiān)測。

從深部傾角監(jiān)測曲線（圖7）和深部巖土壓力監(jiān)測曲線（圖8）可以得出，在此時間段內(nèi)黨川羅家坡滑坡深部的應(yīng)力呈增大的趨勢。經(jīng)實地踏勘，滑坡前緣已產(chǎn)生了明顯的裂縫，這也說明了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

本文采用應(yīng)力、傾角、含水率、位移等傳感器，結(jié)合解碼器芯片、STM32微控制器和無線傳輸技術(shù)研制了一種準(zhǔn)分布式滑坡監(jiān)測儀器，可以對滑坡深部不同深度的應(yīng)力、傾角和含水率及地表降雨量、裂縫位移的準(zhǔn)分布式監(jiān)測；野外試驗驗證了儀器的有效性和可靠性，為滑坡不同位置裂縫及滑坡深部不同層位變形的多參數(shù)長期監(jiān)測提供了儀器支撐。

圖8 深部巖土壓力監(jiān)測曲線Fig.8 Deep geotechnical pressure monitoring curve

[1]唐亞明，張茂省，薛強，等.滑坡監(jiān)測預(yù)警國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及評述[J].地質(zhì)論評，2012，58（3）：533-541.

[2]文海家，張永興，柳源.滑坡預(yù)報國內(nèi)外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（1）：4-7.

[3]李秀珍，許強.滑坡預(yù)報模型和預(yù)報判據(jù)[J].災(zāi)害學(xué)，2003，18（4）：72-79.

[4]李秀珍，許強，黃潤秋，等.滑坡預(yù)報判據(jù)研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14（4）：8-14.

[5]張曉飛，郝文杰，張青，等.基于STM32的裂縫位移監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計算機應(yīng)用，2011，32（5）：52-59.

[6]孫啟富，孫運強，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設(shè)計與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：34-36.

[7]安穎，王研.遙控編碼芯片PT2262的單片機譯碼模塊[J].計算機與數(shù)字工程，2005，33（8）：121-123.

[8]鄭開陸.基于單片機和PT2272的編碼解碼方法[J].計算機應(yīng)，2006，29（12）：60-63.

[9]李東陽，姚凱學(xué).基于單片機實現(xiàn)PT2262通用編碼器的軟件解碼[J].微電子學(xué)與計算機，2011，28（8）：77-79.