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)實時采集裝置的研究

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］目前我國用于對滑坡體數(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)確性差等問題，因此研究并設(shè)計了一種滑坡體多參數(shù)實時采集裝置，其具有成本低、智能化程度高和多參數(shù)等優(yōu)點。通過采用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，以及通過采用兩個一維ADXL193垂直安裝，組成一個二維的加速度傳感器，測量沖擊力加速度大小，測量范圍為-250 g～+250 g，測量靈敏度為8 mv/g，較好地實現(xiàn)了對滑坡體數(shù)據(jù)的采集和分析，該采集裝置已在實際中成功投入使用。

［關(guān)鍵詞］滑坡體；多參數(shù)；微位移；沖擊力加速度

0引言

我國是一個幅員遼闊但地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的國家，也是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一［1］。隨著我國建設(shè)社會主義現(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)重影響我國社會和經(jīng)濟建設(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)性與隨機性等特點，使得滑坡體數(shù)據(jù)采集的研究一直處于緩慢進行的狀態(tài)。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的滑坡體數(shù)據(jù)采集儀器和方法主要有:地下鉆孔測斜儀、降雨量檢測儀、簡單觀測法、遠(yuǎn)程監(jiān)測法等［2］，這些方法都是通過采集單一參數(shù)來分析滑坡體趨勢變化的設(shè)備，無法實現(xiàn)對滑坡體的方位角、傾角、工具面角、微位移、溫度、含水量以及滑坡時沖擊力加速度等多參數(shù)的準(zhǔn)確實時采集［3］。其次，由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生迅速，破壞作用劇烈，這就要求測量裝置既可以準(zhǔn)確測量參數(shù)的瞬間變化過程，同時又能夠抵抗災(zāi)害發(fā)生時對裝置的破壞并且將采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實時傳輸，而傳統(tǒng)的測量方法都難以實現(xiàn)。

隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得滑坡體多參數(shù)實時采集裝置的設(shè)計成為可能。裝置通過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］，實現(xiàn)了微小位移測量和沖擊力加速度測量的多參數(shù)、智能化實時采集裝置的設(shè)計，較好地實現(xiàn)了通過測量結(jié)果分析發(fā)生滑坡的原因以及發(fā)展規(guī)律，進而預(yù)測和預(yù)報滑坡發(fā)生的規(guī)模和時間并且通過采取及時有效的防治措施，盡可能減輕甚至避免滑坡帶來的生命及財產(chǎn)損失［6］。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個裝置由主系統(tǒng)、高精度微位移測量子系統(tǒng)、二維沖擊力加速度測量子系統(tǒng)、含水量測量子系統(tǒng)以及通信模塊組成。主系統(tǒng)通過電子羅盤完成方位角、傾角和工具面角的數(shù)據(jù)采集，并且通過實時時鐘芯片讀取時間數(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HMC6343傳感器，該電子羅盤傳感器內(nèi)部集成有三維磁阻傳感器和三維加速度傳感器，通過I2C總線讀取方位角、工具面角和傾角［7］。高精度微位移測量子系統(tǒng)、二維沖擊力加速度測量子系統(tǒng)以及含水量測量子系統(tǒng)分別對相應(yīng)的傳感器參數(shù)進行采集。整個系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

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

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1高精度微位移測量子系統(tǒng)方案設(shè)計

高精度微位移測量子系統(tǒng)主要完成對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。

其中通過加速度計算微位移的主要原理是:

設(shè)a（t），v（t），d（t）和T分別為滑坡體運動的加速度、速度、位移和周期，g（t）為重力加速度。滑坡體運動時，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校正，因而只需考慮滑坡體運動的加速度a（t）。對a（t）積分得滑坡體運動的速度

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

同樣，位移可以通過對速度積分得到，即

若將下始點的位移d（0）作為參考點，則滑坡體作周期性運動的相對位移

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，并且同時要求具有一個能支持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，測溫范圍為-55～+125攝氏度，測溫分辨率為0.0625℃。

ADuC847微處理器具體的設(shè)計電路如圖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，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量子系統(tǒng)方案設(shè)計

該子系統(tǒng)主要完成對沖擊力加速度的數(shù)據(jù)采集并且能夠及時存儲以及將實時數(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。

在沖擊力加速度測量子系統(tǒng)中，由于碰撞產(chǎn)生的沖擊力瞬間完成，需要對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行快速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，同時至少有一個能內(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，需要將其用一個0.47uF的電容接到模擬地AGND上。管腳9是一個多功能輸入輸出引腳，它通過引導(dǎo)模式（BM），復(fù)位時BM為低電平，則芯片進入串行下載模式；BM由按鍵控制，懸空本引腳則運行程序代碼。其詳細(xì)設(shè)計電路如圖5所示。

在沖擊力加速度測量子系統(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，測量范圍為-250 g～+250 g，測量靈敏度可達(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)計中采用將兩個ADXL193垂直安裝得到二維沖擊力加速度值。在設(shè)計電路中，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的輸出電壓是一個模擬量，輸出電壓范圍為0 V～5 V，而在其后使用的一個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)換器對輸入電壓的要求。設(shè)計電路如圖6所示，硬件實物如圖7所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分采用信號處理算法，完成對數(shù)據(jù)的處理，其系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

讀取實時數(shù)據(jù)頂角、工具面角、方位角的6次滑動平均處理程序，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來存放頂角的連續(xù)幾個數(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)計中，采集到的方位數(shù)據(jù)使用查表方法來解決系統(tǒng)誤差問題，可以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量誤差得到很好的糾正。同時采集到的數(shù)據(jù)在進行相關(guān)參數(shù)計算之前，在軟件部分首先做改進后的滑動濾波算法處理，然后再經(jīng)過手工校正處理，這樣可以很好地提高測量精度［8］。主控系統(tǒng)連續(xù)采集到的實時數(shù)據(jù)如表1所示，校正后的存儲數(shù)據(jù)如表2所示。

從測試數(shù)據(jù)分析可知，姿態(tài)角通過手工校正后誤差可控制在約6%以內(nèi)。在高精度微位移測量子系統(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得滑坡體的微小位移變化，通過這個微小位移變化可以對滑坡體進行比較準(zhǔn)確的預(yù)測。另外，當(dāng)發(fā)生滑坡或跨塌時，沖擊力加速度的測量范圍可達(dá)±250 g，測量靈敏度可達(dá)8 mv/g，因此該裝置能夠準(zhǔn)確實時地測量并記錄加速度的數(shù)據(jù)，以便從中找出規(guī)律，在預(yù)防時有章可循。

表1　主控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)Table 1 Real time data of main control system

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

5　結(jié)束語

文中提出的滑坡體多參數(shù)采集系統(tǒng)包含一個主系統(tǒng)、兩個無線通信模塊和三個子系統(tǒng)模塊。采用模塊化方式，增強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，設(shè)計通過引入微位移以及沖擊力加速度等參數(shù)的測量，以此來彌補傳統(tǒng)測量參數(shù)單一化的問題，具有精度高、多參數(shù)和智能化等優(yōu)點，對設(shè)計同類滑坡體采集裝置具有很好的借鑒意義和實際參考作用。

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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］P 642.22

［文獻標(biāo)志碼］A

［文章編號］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，主要研究方向為信號獲取與處理。E-mail:575789917@qq.com