張曉飛，曾 克，呂中虎，韓永溫，孟憲瑋，張 青，史彥新

（1．中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 河北 保定 071051；2．國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北保定　071051）

一種滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置研制

張曉飛，曾 克，呂中虎，韓永溫，孟憲瑋，張 青，史彥新

（1．中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 河北 保定 071051；2．國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北保定071051）

在傾角傳感器、解碼器PT2272和STM32微控制器的基礎(chǔ)上，研制了一種能對(duì)滑坡深部不同層位傾角變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置。文章首先介紹了監(jiān)測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)；接著分模塊詳細(xì)介紹了監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)，從編碼命令程序何數(shù)據(jù)采集程序兩方面闡述了監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)；最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了監(jiān)測(cè)裝置的可靠性，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)裝置在滑坡深部?jī)A角變形監(jiān)測(cè)的可行性。

傾角傳感器；數(shù)據(jù)采集；STM32微控制器；滑坡監(jiān)測(cè)

中國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，滑坡、崩塌、泥石流在汛期頻繁發(fā)生，往往造成人員傷亡，道路掩埋，房屋損毀，嚴(yán)重威脅著國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全?；碌淖冃伪O(jiān)測(cè)工作在滑坡防治過(guò)程中具有重要意義，在以往的滑坡深部變形監(jiān)測(cè)中，主要以鉆孔傾斜儀為主，但由于其存在測(cè)試工作量大、自動(dòng)化程度不高、遠(yuǎn)程操作比較困難等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用。因此，具有分布式、實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕律畈孔冃伪O(jiān)測(cè)裝置就顯得尤為重要［1］。文中在傾角傳感器、編解碼器、STM32微控制器和無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有準(zhǔn)分布式、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸能力的滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置。

1　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置由深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭和監(jiān)測(cè)儀器兩部分組成，其中深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭包括多芯電纜、電流型雙軸傾角傳感器模塊、傳感器切換模塊、密封罐、彈性連接體和不銹鋼探管6部分，監(jiān)測(cè)儀器包括編碼器驅(qū)動(dòng)模塊、電流測(cè)量模塊、微處理器控制模塊、無(wú)線發(fā)射模塊和電源模塊5部分［2-3］。

滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的工作原理：根據(jù)滑坡鉆孔資料，將滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭安裝在需要進(jìn)行傾角變形監(jiān)測(cè)的層位，每個(gè)探頭之間用彈性連接體連接好，并使用一根多芯電纜通過(guò)傳感器切換模塊將各傳感器模塊串接在一起后接入監(jiān)測(cè)儀器端，監(jiān)測(cè)儀器的STM32微控制器通過(guò)編碼器驅(qū)動(dòng)電路向各傳感器切換模塊寫入命令，只有符合命令I(lǐng)D的解碼器才會(huì)響應(yīng)STM32微控制器的命令，從而通過(guò)繼電器電路控制每個(gè)滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭與監(jiān)測(cè)儀器的連接狀態(tài)。當(dāng)被測(cè)滑坡深部發(fā)生傾角變化時(shí)，帶動(dòng)滑坡深部?jī)A角探頭的變化，不同層位探頭的傾角變化會(huì)有所不同，各探頭傾角傳感器輸出的電流信號(hào)通過(guò)多芯電纜傳輸至監(jiān)測(cè)儀器；STM32微控制器通過(guò)發(fā)送不同的命令，從而可以輪流的將串接在同一根電纜上所有的滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭與監(jiān)測(cè)儀器分時(shí)連接，完成對(duì)所有傾角監(jiān)測(cè)探頭的控制及采樣?；律畈?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的輸出電流依次經(jīng)過(guò)電流測(cè)量通道的I/V轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和主放電路，轉(zhuǎn)換為符合STM32微控制器的AD范圍的0～3．2 V電壓，STM32微控制器依據(jù)測(cè)量的電壓大小，再結(jié)合使用傾角傳感器模塊的特性，計(jì)算出各深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭傾角的變化，從而可以得出滑坡深部不同層位傾角的變化，再結(jié)合使用深部?jī)A角探頭的長(zhǎng)度，可以計(jì)算出不同層位的位移變化。

圖1　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　Structure diagram of the landslide deep dip angle monitoring device

2　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的設(shè)計(jì)

滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的核心部件為電流型雙軸傾角傳感器模塊和傳感器切換模塊。傾角傳感器模塊采用芬蘭VTI Technologies公司生產(chǎn)的高精度雙軸傾角傳感器芯片SCA100T感知滑坡深部的傾角變形，并經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路轉(zhuǎn)換為雙通道4～20 mA的電流信號(hào)電輸出；傳感器切換模塊的核心器件是解碼器芯片PT2272，每個(gè)解碼器芯片具有唯一的ID號(hào)，只有符合要求的解碼器芯片才響應(yīng)監(jiān)測(cè)儀器發(fā)出的命令編碼，通過(guò)控制于其相連繼電器的通斷來(lái)控制傳感器模塊與監(jiān)測(cè)儀器的連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)一根多芯電纜上多個(gè)傾角監(jiān)測(cè)探頭的串接［4］。

圖2　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭電路框圖Fig．2　Circuit diagram of landslide deep dip angle monitoring probe

2.2前置放大電路

深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的傳感器模塊輸出的信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)由250 Ω的采樣電阻和單電源儀表運(yùn)放AD623構(gòu)成的前置放大電路如圖3所示，前置放大電路為整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)提供高的輸入阻抗并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～4 V的電壓信號(hào)。

圖3　前置放大電路Fig．3　Preamplifier circuit

2.3濾波電路及主放電路

濾波電路及主放電路的主要功能是濾除信號(hào)中的高頻信號(hào)，并將有用信號(hào)放大至適合STM32微控制器的AD轉(zhuǎn)換器所需要的0～3．3V的電壓范圍。濾波電路及主放電路如圖4所示，前置放大電路輸出的0～4 V電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成0～1 V的電壓信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)由單電源運(yùn)放OPA350構(gòu)成的一階有源濾波電路濾除信號(hào)中的高頻干擾，接著經(jīng)過(guò)由單電源運(yùn)放OPA350構(gòu)成的同相放大電路放大3．2倍，將濾波電路輸出的電壓信號(hào)放大至0～3．2 V，從而可以直接輸入STM32自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器。

圖4　濾波電路及主放電路Fig．4　Filter circuit and main amplifier circuit

2.4編碼器驅(qū)動(dòng)電路

在滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)中，采用STM32微控制器來(lái)模擬編碼器PT2262發(fā)送命令編碼［5］。為了提高STM32微控制器輸出命令編碼的遠(yuǎn)距離傳輸能力，采用74LS04和三極管9013構(gòu)成編碼器驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。

圖5　編碼器驅(qū)動(dòng)電路Fig．5　The encoder drive circuit

2.5STM32微控制器及主要接口電路

微控制器是滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的控制核心，深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的切換、數(shù)據(jù)的采集處理、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程發(fā)送均由微控制器完成。如圖6所示，在設(shè)計(jì)上采用STM32F103ZE作為控制核心，使用其自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器用于轉(zhuǎn)換電流測(cè)量模塊的輸出電壓；使用GPIO口與LCD1602和輸入鍵盤相接，用于顯示測(cè)量結(jié)果及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定；使用USART口于U盤存儲(chǔ)電路和無(wú)線傳輸模塊電路的連接。U盤存儲(chǔ)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(jiǎn)單、操作方便；無(wú)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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［6］。

圖6　STM32微控制器聯(lián)結(jié)框圖Fig．6　STM32 microcontroller connection diagram

3　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1編碼命令程序的設(shè)計(jì)

滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置在進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，每次輪詢深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭是通過(guò)STM32發(fā)送命令編碼實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需通過(guò)STM32模擬編碼器PT2262的功能，如圖7所示，PT2262數(shù)字碼有0，1和f（懸空碼）3種，因此需通過(guò)STM32模擬出這3種數(shù)字碼［5-7］。對(duì)應(yīng)于滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭中傳感器切換模塊解碼器芯片 PT2272的振蕩電阻（200 kw），經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得窄脈沖寬度約為120 μs，寬脈沖約為380 μs，而2組數(shù)據(jù)之間的間隔約為3．96 ms。STM32微控制器模擬PT2262發(fā)送字碼的程序框圖如圖8所示。

圖7　PT2262編碼格式Fig．7　PT2262 encoding format

圖8　解碼器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)Fig．8　Design of the decoder drive

3.2數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序的設(shè)計(jì)

滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序主要針對(duì)STM32微控制器進(jìn)行編程，具體實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的初始化，系統(tǒng)參數(shù)的輸入，傾角信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理，然后將采集到的數(shù)據(jù)保存在U盤中，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語(yǔ)言編寫，其流程圖如圖9所示。

圖9　位移監(jiān)測(cè)儀的軟件流程圖Fig．9　Software flow chart of the displacement monitoring instrument

主程序?yàn)檠h(huán)結(jié)構(gòu)，在主循環(huán)結(jié)構(gòu)中根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位來(lái)判斷是進(jìn)行測(cè)量還是進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。在測(cè)量分支程序中依照默認(rèn)參數(shù)完成各傳感器信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)保存、遠(yuǎn)程發(fā)送功能；在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定分支中，依據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位完成時(shí)間設(shè)定、監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔設(shè)定、通道數(shù)設(shè)定和控制中心IP設(shè)定功能。狀態(tài)標(biāo)志位的更改設(shè)計(jì)在中斷程序中，當(dāng)有鍵按下時(shí)，主程序掛起，進(jìn)入按鍵中斷程序，在中斷程序中依據(jù)引起中斷的按鍵而更改狀態(tài)標(biāo)志位，完成狀態(tài)標(biāo)志位的更改后退出中斷程序，主程序再依據(jù)設(shè)定的狀態(tài)標(biāo)志位而實(shí)現(xiàn)在測(cè)量和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定之間的轉(zhuǎn)換，從而完成各深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭的準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)。

4　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的模擬實(shí)驗(yàn)

在完成滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的硬件焊接、軟件編寫工作后，進(jìn)行了滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將5個(gè)監(jiān)測(cè)探頭依次串接在監(jiān)測(cè)儀器上，并將探頭和一個(gè)高精度傾角測(cè)試儀一起放置在傾角測(cè)試臺(tái)上，不斷調(diào)整傾角測(cè)試臺(tái)的角度，觀測(cè)傾角測(cè)試儀和本監(jiān)測(cè)裝置的度數(shù)，表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1　滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1　Simulation experiment data of the landslide deep dip angle monitoring device

從表1的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)中可以得出，在選定傾角傳感器模塊的條件下，研制的滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置的精度可以達(dá)到0．2°，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡深部不同層位傾角變形的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中利用傾角傳感器模塊、解碼器芯片、STM32微控制器和無(wú)線傳輸技術(shù)研制了一種滑坡深部?jī)A角監(jiān)測(cè)裝置。在滑坡深部變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，將深部?jī)A角監(jiān)測(cè)探頭安裝于鉆孔中，配以太陽(yáng)能裝置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)深部不同層位傾角變形的自動(dòng)、遠(yuǎn)程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

［1］湯國(guó)起，周策．采用鉆孔傾斜儀監(jiān)測(cè)滑坡深部水平位移方法和儀器的研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（12）: 19-22．

［2］王洪輝，庹先國(guó)，許強(qiáng)，等．山體裂縫遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．自動(dòng)化與儀表，2010（1）:42-46．

［3］孫啟富，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛(ài)琴．基于STM32的通用智能儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）:34-36．

［4］鄭開(kāi)陸．基于單片機(jī)和PT2272的編碼解碼方法［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)，2006（12）:60-63．

［5］李東陽(yáng)，姚凱學(xué)．基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PT2262通用編碼器的軟件解碼［J］．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011（8）:77-79．

［6］張曉飛，郝文杰，張青，等．基于STM32的裂縫位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011（5）:52-59．

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

Development of a landslide deep dip angle monitoring device

ZHANG Xiao-fei，ZENG Ke，LV Zhong-hu，HAN Yong-wen，MENG Xian-wei，ZHANG Qing，SHI Yan-xin
（1．Centre for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，CGS，Baoding 071051，China；2．Key Lab.of Monitoring Technology of Geological Environment，Ministry of Land and Resources，Baoding 071051，China）

Based on inclination sensor，decoder PT2272 and STM32 microcontroller，this paper develops a landslide deep dip angle monitoring device and the device can realize the monitoring of landslide deep dip angle change in different depth．The paper firstly introduces the overall design of the monitoring device，and then the hardware design is introduced in detail by different modules and expounds software design from coding command program and data acquisition program．Finally through a simulation experiment，the paper verifies the reliability of the monitoring device and the feasibility of the device using in landslide deep dip Angle deformation monitoring．

obliquity sensor；data acquisition；STM32 microcontroller；landslide monitoring

TN98

A

1674－6236（2016）02-0180-04

2015-09-09稿件編號(hào)：201509070

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源調(diào)查項(xiàng)目（1212011220165）

張曉飛（1981—），男，河北保定人，碩士。研究方向：地質(zhì)儀器和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。