余文君

（武漢鋼鐵集團(tuán)公司第三子弟中學(xué)，湖北武漢，430080）

無線加速度傳感器在地質(zhì)位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

余文君

（武漢鋼鐵集團(tuán)公司第三子弟中學(xué)，湖北武漢，430080）

介紹了一種基于加速度傳感器ADXL362和zigbee無線通信模塊的低成本地質(zhì)位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并著重介紹了無線加速度傳感器的組成。

地質(zhì)災(zāi)害；位移監(jiān)測(cè)；ADXL362；加速度傳感器；zigbee

0 引言

我國(guó)自然地理、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害分布廣、發(fā)生頻繁，是世界上地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家之一。其中，山體滑坡、泥石流等災(zāi)害所占比例非常高，分布面非常廣泛。

2014年8月27日晚上8點(diǎn)30分左右，貴州省黔南州福泉市發(fā)生了一起山體滑坡，導(dǎo)致兩個(gè)村民小組房屋被掩埋。此次山體滑坡共造成23人遇難、22人受傷。

2015年12月20日11時(shí)40分，廣東省深圳市光明新區(qū)鳳凰社區(qū)恒泰裕工業(yè)園發(fā)生的山體滑坡。截至2016年1月12日晚間，現(xiàn)場(chǎng)救援指揮部發(fā)布消息稱，已發(fā)現(xiàn)69名遇難者，經(jīng)核實(shí)全部為此前公布的失聯(lián)人員。另外還有8人失聯(lián)。

2017年6月24日5時(shí)45分，阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村的清晨，被垮塌的富貴山擊碎。短短100秒時(shí)間，特大滑坡呼嘯著沖向山腳的新村組。截至26日23時(shí)，“6·24”茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村山體高位垮塌災(zāi)害共造成10人遇難、93人失聯(lián)、3人受傷。

因此在線監(jiān)測(cè)地表位移顯得非常必要。而現(xiàn)有技術(shù)中的山體滑坡等位移監(jiān)測(cè)傳感器都比較昂貴，而且功耗很高，在野外安裝對(duì)供電要求也比較苛刻，不利于廣泛使用。本文設(shè)計(jì)一種成本低廉的無線加速度傳感器用于地表位移的在線檢測(cè)。

1 傳感器原理

針對(duì)待監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件，本文設(shè)計(jì)的傳感器，它由三部分構(gòu)成供電單元、加速度傳感器單元、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元。如圖1所示。

圖1 傳感器原理

其中供電單元與其他各單元相連接，用于給設(shè)備供電，選用一次性電池；加速度傳感器單元包含單軸或者多軸軸加速度傳感器用于測(cè)量設(shè)備的重力方向的傾斜度；無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元與加速度傳感器單元連接，用于與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，將無線傳感器的狀態(tài)信號(hào)通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。

在實(shí)際實(shí)施方式中，該無線加速度傳感器設(shè)備，包含輔助錨桿的安裝附件，安裝方式為：該錨桿垂直釘入地面下可以深入地質(zhì)穩(wěn)定層，其頂端通過繩索連接無線加速度傳感器頂端，保持繩索為拉直狀態(tài)，然后用水泥或者沙石或者膠水等固定，使無線加速度傳感器掩埋在地面之下，如圖2所示。

圖2 實(shí)際實(shí)施安裝圖

其工作原理：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)無線加速度傳感器設(shè)備，通過加速度傳感器單元周期性測(cè)量重力加速度的方向及大小。由于特定的安裝方式，當(dāng)?shù)乇沓霈F(xiàn)位移時(shí)，固定錨桿不會(huì)移動(dòng)，而傳感器隨著地表進(jìn)行移動(dòng)，而錨桿上的繩索拉住了其頂端，導(dǎo)致其出現(xiàn)翻滾。這樣傳感器檢測(cè)到的重力方向發(fā)生變化，當(dāng)重力方向變化超過設(shè)定閾值時(shí)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元發(fā)射出預(yù)警信號(hào)；并且周期性發(fā)送心跳信號(hào)，心跳信號(hào)包含設(shè)備ID及測(cè)量到的加速度的方向值。

2 傳感器的具體實(shí)現(xiàn)

供電單元使用一次性鋰亞電池。加速度傳感器單元使用 ADXL362三軸MEMS加速度傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元使用CC2530低功耗2.4G Zigbee芯片。

ADXL362是一款超低功耗加速度芯片，其特征如下。

（1）超低功耗：

1.8 μA @ 100 Hz 2.0 V電源。

3.0 μA @ 400 Hz 2.0 V電源。

270 nA運(yùn)動(dòng)喚醒模式。

10 nA待機(jī)電流。

（2）高分辨率：1mg/LSB。

（3）內(nèi)置系統(tǒng)級(jí)節(jié)能功能包括：

閾值可調(diào)的靜止休眠/運(yùn)動(dòng)喚醒模式。

自主中斷處理，無需微控制器干預(yù)，系統(tǒng)其余部分電路可以完全斷電。

深度嵌入式FIFO最大程度地減輕主機(jī)處理器負(fù)荷。

喚醒狀態(tài)輸出支持實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)激活開關(guān)。

（4）噪聲低至 175 μg/ √ Hz。

（5）寬電源和I/O電壓范圍：1.6 V至3.5 V。

（6）支持外同步采樣。

（7）片上溫度傳感器。

（8）SPI數(shù)字接口：可通過SPI命令選擇測(cè)量范圍。

（9）小尺寸、薄型(3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm)封裝。

CC2530是一款經(jīng)典的zigbee無線網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征如下。

（1）內(nèi)嵌8051核:

8K RAM。

32K/64K/128K/256K FLASH。

（2）低功耗:

睡眠狀態(tài)低于1uA。

RX 24mA。

TX 29mA。

（3）RF:

2.4 GHz IEEE802.15.4。

輸出最大功率4.5dBm。

（4）外設(shè)：

非常豐富的外設(shè)如看門狗。

IEEE802.15.4MAC定時(shí)器等。

（5）開發(fā)工具：Zigbee協(xié)議棧

3 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

該地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)無線加速度傳感器設(shè)備，其無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元主要由CC2530構(gòu)成的MESH網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠連接MESH網(wǎng)絡(luò)中繼器或者接入點(diǎn)AP并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用TI的ZStack-CC2530-2.5.1a。它非常完備，而且簡(jiǎn)單易用。它使用IAR編譯器，工程目錄如圖3所示。

圖3 工程目錄

4 應(yīng)用實(shí)施

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施中，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成圖

其中：SN為傳感器節(jié)點(diǎn)；RP為中繼器；AP為接入點(diǎn)。

一個(gè)MESH網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)AP接入點(diǎn)，它接收RP中繼器發(fā)過來的信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)到云端網(wǎng)絡(luò)。RP主要作用是在SN與AP之間轉(zhuǎn)發(fā)消息。SN在前面已經(jīng)詳細(xì)介紹，此處不在累述。

5 本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

本設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：對(duì)于地表位移沒有進(jìn)行量化測(cè)量，只能進(jìn)行閾值報(bào)警。優(yōu)點(diǎn)：本系統(tǒng)架構(gòu)決定了整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常低（一定條件下，7200mAH電池可工作5-8年）；無線傳輸方式?jīng)Q定了系統(tǒng)安裝容易；輔助錨桿及安裝方式的設(shè)計(jì)極大的提高了監(jiān)測(cè)相對(duì)位移的靈敏度和可靠性；該設(shè)備的低成本導(dǎo)致該系統(tǒng)可以進(jìn)行廣泛安裝，對(duì)潛在危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè)。

[1] “A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE802.15.4 and ZigBee Applications ” TI.

[2] “Z-Stack User’s Guide For SmartRF05EB and CC2530 ” TI.

[3] “ADXL362 Datasheet” ADI.

[4] 馬忠梅等.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003年修訂版.

Application of wireless acceleration sensor in geological displacement monitoring

Yu Wenjun
(Wuhan Iron and Steel Group Corp third children’s middle school,Wuhan Hubei, 430080)

A low cost geological displacement on-line monitoring system based on acceleration sensor ADXL362 and ZigBee wireless communication module is introduced The composition of wireless acceleration sensor is also introduced

geological hazard; displacement monitoring; ADXL362; acceleration sensor; ZigBee