一種滑坡深部傾角監(jiān)測裝置研制

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．國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室 河北保定　071051）

一種滑坡深部傾角監(jiān)測裝置研制

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．國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室 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，研制了一種能對滑坡深部不同層位傾角變形實時監(jiān)測的滑坡深部傾角監(jiān)測裝置。文章首先介紹了監(jiān)測裝置的總體設(shè)計；接著分模塊詳細(xì)介紹了監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計，從編碼命令程序何數(shù)據(jù)采集程序兩方面闡述了監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計；最后通過模擬實驗檢驗了監(jiān)測裝置的可靠性，驗證了監(jiān)測裝置在滑坡深部傾角變形監(jiān)測的可行性。

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

中國是地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，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)重威脅著國家和人民的生命財產(chǎn)安全。滑坡的變形監(jiān)測工作在滑坡防治過程中具有重要意義，在以往的滑坡深部變形監(jiān)測中，主要以鉆孔傾斜儀為主，但由于其存在測試工作量大、自動化程度不高、遠(yuǎn)程操作比較困難等缺點，限制了其應(yīng)用。因此，具有分布式、實時采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕律畈孔冃伪O(jiān)測裝置就顯得尤為重要［1］。文中在傾角傳感器、編解碼器、STM32微控制器和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有準(zhǔn)分布式、實時數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸能力的滑坡深部傾角監(jiān)測裝置。

1　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的總體設(shè)計

如圖1所示，滑坡深部傾角監(jiān)測裝置由深部傾角監(jiān)測探頭和監(jiān)測儀器兩部分組成，其中深部傾角監(jiān)測探頭包括多芯電纜、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)測儀器包括編碼器驅(qū)動模塊、電流測量模塊、微處理器控制模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊5部分［2-3］。

滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的工作原理：根據(jù)滑坡鉆孔資料，將滑坡深部傾角監(jiān)測探頭安裝在需要進行傾角變形監(jiān)測的層位，每個探頭之間用彈性連接體連接好，并使用一根多芯電纜通過傳感器切換模塊將各傳感器模塊串接在一起后接入監(jiān)測儀器端，監(jiān)測儀器的STM32微控制器通過編碼器驅(qū)動電路向各傳感器切換模塊寫入命令，只有符合命令I(lǐng)D的解碼器才會響應(yīng)STM32微控制器的命令，從而通過繼電器電路控制每個滑坡深部傾角監(jiān)測探頭與監(jiān)測儀器的連接狀態(tài)。當(dāng)被測滑坡深部發(fā)生傾角變化時，帶動滑坡深部傾角探頭的變化，不同層位探頭的傾角變化會有所不同，各探頭傾角傳感器輸出的電流信號通過多芯電纜傳輸至監(jiān)測儀器；STM32微控制器通過發(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傾角監(jiān)測探頭與監(jiān)測儀器分時連接，完成對所有傾角監(jiān)測探頭的控制及采樣。滑坡深部傾角監(jiān)測探頭的輸出電流依次經(jīng)過電流測量通道的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)測量的電壓大小，再結(jié)合使用傾角傳感器模塊的特性，計算出各深部傾角監(jiān)測探頭傾角的變化，從而可以得出滑坡深部不同層位傾角的變化，再結(jié)合使用深部傾角探頭的長度，可以計算出不同層位的位移變化。

圖1　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　Structure diagram of the landslide deep dip angle monitoring device

2　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計

2.1深部傾角監(jiān)測探頭的設(shè)計

滑坡深部傾角監(jiān)測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)過信號預(yù)處理電路轉(zhuǎn)換為雙通道4～20 mA的電流信號電輸出；傳感器切換模塊的核心器件是解碼器芯片PT2272，每個解碼器芯片具有唯一的ID號，只有符合要求的解碼器芯片才響應(yīng)監(jiān)測儀器發(fā)出的命令編碼，通過控制于其相連繼電器的通斷來控制傳感器模塊與監(jiān)測儀器的連接狀態(tài)，實現(xiàn)一根多芯電纜上多個傾角監(jiān)測探頭的串接［4］。

圖2　滑坡深部傾角監(jiān)測探頭電路框圖Fig．2　Circuit diagram of landslide deep dip angle monitoring probe

2.2前置放大電路

深部傾角監(jiān)測探頭的傳感器模塊輸出的信號為4～20 mA的電流信號，首先經(jīng)過由250 Ω的采樣電阻和單電源儀表運放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監(jiān)測裝置系統(tǒng)提供高的輸入阻抗并將電流信號轉(zhuǎn)換成0～4 V的電壓信號。

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中的高頻信號，并將有用信號放大至適合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，經(jīng)過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成0～1 V的電壓信號，隨后經(jīng)過由單電源運放OPA350構(gòu)成的一階有源濾波電路濾除信號中的高頻干擾，接著經(jīng)過由單電源運放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)動電路

在滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的設(shè)計中，采用STM32微控制器來模擬編碼器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)動電路，如圖5所示。

圖5　編碼器驅(qū)動電路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傾角監(jiān)測裝置的控制核心，深部傾角監(jiān)測探頭的切換、數(shù)據(jù)的采集處理、存儲及遠(yuǎn)程發(fā)送均由微控制器完成。如圖6所示，在設(shè)計上采用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，用于顯示測量結(jié)果及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定；使用USART口于U盤存儲電路和無線傳輸模塊電路的連接。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(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　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計

3.1編碼命令程序的設(shè)計

滑坡深部傾角監(jiān)測裝置在進行滑坡監(jiān)測時，每次輪詢深部傾角監(jiān)測探頭是通過STM32發(fā)送命令編碼實現(xiàn)的。在進行軟件設(shè)計時，需通過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STM32模擬出這3種數(shù)字碼［5-7］。對應(yīng)于滑坡深部傾角監(jiān)測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)多次實驗測得窄脈沖寬度約為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)動程序的設(shè)計Fig．8　Design of the decoder drive

3.2數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序的設(shè)計

滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序主要針對STM32微控制器進行編程，具體實現(xiàn)監(jiān)測儀器的初始化，系統(tǒng)參數(shù)的輸入，傾角信號的數(shù)據(jù)采集處理，然后將采集到的數(shù)據(jù)保存在U盤中，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫，其流程圖如圖9所示。

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

主程序為循環(huán)結(jié)構(gòu)，在主循環(huán)結(jié)構(gòu)中根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位來判斷是進行測量還是進行參數(shù)設(shè)定。在測量分支程序中依照默認(rèn)參數(shù)完成各傳感器信號的采集、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)志位完成時間設(shè)定、監(jiān)測時間間隔設(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)計在中斷程序中，當(dāng)有鍵按下時，主程序掛起，進入按鍵中斷程序，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)志位而實現(xiàn)在測量和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定之間的轉(zhuǎn)換，從而完成各深部傾角監(jiān)測探頭的準(zhǔn)分布式監(jiān)測。

4　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的模擬實驗

在完成滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的硬件焊接、軟件編寫工作后，進行了滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的室內(nèi)模擬實驗。實驗時，將5個監(jiān)測探頭依次串接在監(jiān)測儀器上，并將探頭和一個高精度傾角測試儀一起放置在傾角測試臺上，不斷調(diào)整傾角測試臺的角度，觀測傾角測試儀和本監(jiān)測裝置的度數(shù)，表1為實驗測試數(shù)據(jù)。

表1　滑坡深部傾角監(jiān)測裝置模擬實驗數(shù)據(jù)Tab.1　Simulation experiment data of the landslide deep dip angle monitoring device

從表1的實驗測試數(shù)據(jù)中可以得出，在選定傾角傳感器模塊的條件下，研制的滑坡深部傾角監(jiān)測裝置的精度可以達到0．2°，可以實現(xiàn)對滑坡深部不同層位傾角變形的自動監(jiān)測。

5　結(jié)束語

文中利用傾角傳感器模塊、解碼器芯片、STM32微控制器和無線傳輸技術(shù)研制了一種滑坡深部傾角監(jiān)測裝置。在滑坡深部變形監(jiān)測應(yīng)用時，將深部傾角監(jiān)測探頭安裝于鉆孔中，配以太陽能裝置，即可實現(xiàn)對深部不同層位傾角變形的自動、遠(yuǎn)程的長期監(jiān)測。

［1］湯國起，周策．采用鉆孔傾斜儀監(jiān)測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，許強，等．山體裂縫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］．自動化與儀表，2010（1）:42-46．

［3］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．

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

［5］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（8）:77-79．

［6］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（5）:52-59．

［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（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：201509070

中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源調(diào)查項目（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)測系統(tǒng)。