多通道凍土溫度與含水率監測儀研制

2018-09-27 08:09:30董翰川宋繼武龐麗麗

傳感器與微系統 2018年10期

董翰川, 宋繼武, 龐麗麗

(1.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定 071051；2.國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北保定 071051)

0 引言

凍土一般是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤，按土的凍結狀態保持時間的長短，凍土又可分為短時凍土、季節凍土和多年凍土三類[1～3]。張家口崇禮冬奧會場區地表均為季節性凍土覆蓋，對季節性凍土的演化規律及對工程建設場地的致災因素尚不清晰，因此，對冬奧會場區的季節性凍土的溫度場[4]進行動態監測，評估凍土層演化對場區穩定性的影響是十分必要的。溫度和含水率成分[5]是描述凍土區域程度的重要參數，通過專業監測，可實現冬奧會場區凍土層溫度和水分的精細立體刻畫，為評估2022年冬奧會場區地質環境效應提供數據和技術支撐。

本文依托中國地質調查局地質調查項目“京津唐張交通廊道規劃建設區1︰5萬環境地質調查”，在張家口市崇禮縣、北京市延慶地區開展了分層凍土監測野外試驗[6]。

1 多通道溫度含水率監測儀總體設計

所研制的多通道溫度含水率監測儀主要包括電容式雙參數傳感器、數據采集單元(data acquisition unit,DAU)、數據傳輸單元(data transmission unit,DTU)、太陽能供電模塊、軟件管理平臺。該設備可對凍土層溫度和土壤水分含量進行動態監測，能夠實現長期、連續、無人值守自動化監測。同時，監測數據自動保存在本地SD卡上作為備份。監測數據通過通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)[7]或北斗方式[8](GPRS和北斗傳輸自動切換避免數據丟失)傳輸至軟件監控管理平臺，供監測管理人員分析判斷，極大方便了監測部門的相關工作[5,6]。

1.1 系統功能

1)可遠程設定工作模式：實時模式(具有響應快、及時喚醒特點)、間歇模式(按照省電模式)；

2)可遠程設定采集時長：可自主設定數據采集頻率，如30 min/次、60 min/次等；

3)可遠程設定數據傳輸方式：GPRS、碼分多址(code division multiple access,CDMA)、GPRS/北斗、CDMA/北斗、北斗5種方式。

4)可遠程調取野外存儲在硬件SD卡中的數據：當數據有丟失時，可遠程調取存儲在現場設備中的任意制定時間段內的監測數據；

5)軟件平臺可遠程監控數據的接收、設備的工作狀態及進行儀器的配置管理。

1.2 主要技術參數

工作電壓為10.5～14.5 V；工作溫度為-40～60 ℃；傳輸方式為GPRS、CDMA、北斗、GPRS/北斗、CDMA/北斗5種方式；供電方式為太陽能供電；工作電流為100～120 mA(GPRS/CDMA模式工作)，1～2A(北斗模式工作)，25～400 μA(12 V)(休息狀態)；測量精度為含水率±0.1 %(體積分數)、溫度±0.05 ℃。

1.3 傳感器選型

凍土層溫度含水率感知設備選用頻域反射(frequency domain reflectometry,FDR)四針式溫度含水率傳感器，使用時將傳感器的鋼針插入被凍土層，水分感應范圍由周邊3根鋼針所圍的圓柱體組成。溫度傳感部分采用高精度的溫度感知模擬集成電路，其測量精度在-30～30 ℃的常見測量范圍內可以達到±0.05 ℃。溫度感知元件鑲嵌在接地鋼針底部的金屬圓環上，直接感知插入凍土層中鋼針的溫度。傳感器供電穩定后，在水分信號端和溫度信號端分別輸出一個4～2 0mA的電流信號，該電流信號傳輸至采集主機，經內部分析處理即可測得凍土層溫度和含水率情況。

2 硬件設計

多通道溫度含水率監測系統的核心部件是單片機(microcontroller unit,MCU)PIC32MX150F128，完成凍土層溫度和含水率數據的采集、處理、存儲和傳輸的時序控制。系統硬件電路包括6部分：多通道DAU電路、太陽能供電模塊電路、電源管理電路、MCU處理器控制電路、SD數據存儲電路、DTU電路。MCU通過時序控制，使各電路協同工作完成溫度和含水率數據的處理、分析、存儲和傳輸。硬件設計框架如圖1所示。

圖1 多通道溫度含水率監測系統框架

2.1 濾波調試電路

為去除溫度和含水率數據監測過程中高頻波的干擾，系統在電路上設計了二階低通有源濾波電路[9]，如圖2所示。增加TS912集成運算放大器組成有緣濾波，能夠更好地濾除大于100 kHz的高頻干擾波，使采集更準確。在TS912輸出端并聯一只28 kΩ的精密電阻器，將電壓信號轉換為A/D芯片規定的3.3 V范圍內信號后輸入給數據采集單元。

圖2 二階低通濾波調理電路

2.2 多通道數據采集單元電路

監測系統設計了8個AD通道同時采集溫度和含水率，可連接8只傳感器。模/數轉換器選用TI公司的ADS1256芯片，具有24 bit分辨率、高達23 bit的無噪聲精度，采樣速率達30 kHz，具有8路模擬量輸入通道，能夠滿足系統對高精度、低功耗、抗干擾的要求。電路如圖3所示。

圖3 數據采集電路

2.3 太陽能供電控制電路

監測系統供電方式采用太陽能浮充方式，使用太陽能極板對蓄電池進行充電，保證系統的供電需求。系統在電路上設計了蓄電池過放保護電壓、過充保護電壓、防反接保護、過載保護等功能，并進行了指示燈顯示狀態，有效保證了系統的供電需求。

2.4 電源管理電路

系統電源管理電路由PIC32單片機控制，為整個系統提供電源，包括CPU電源及外圍電源電路、A/D電源電路、12 V傳感器供電電路、12V GPRS/北斗供電電路。CPU電源主要提供給PIC32單片機所需的3.3 V電源；CPU外圍電路是提供給SD卡本地存儲和AD芯片所需的3.3 V電源；AD芯片為3.3 V和5 V雙電源供電芯片，A/D電源電路即為芯片提供所需5 V電源；12 V傳感器電路提供給溫度含水率傳感器所需的12 V電源，12 V GPRS/北斗供電電路是提供給數據發送單元所需的12 V電源，這2種12 V電源均由BTS716G芯片實現，該芯片輸出電壓和電流均能滿足傳感器、GPRS傳輸單元和北斗終端供電需求。電源電路如圖4、圖5所示。

圖4 AD電源輸出電路

圖5 12 V電源輸出電路

2.5 MCU單片機控制電路

系統的核心是單片機控制電路，MCU中央控制器芯片采用Microchip公司的PIC32MX150F128作為處理器，該芯片功耗低、內存容量大，通過控制溫度含水率信號的模擬采集時序、本地SD卡存儲時序、數據處理時序、數據傳輸時序等，完成凍土層溫度含水率兩種參數的監測，能夠滿足設備野外凍土監測的需求。

2.6 SD數據存儲電路

系統設計了本地存儲功能，每次數據采集處理完成后將監測數據存儲在本地SD卡內，存儲容量為4 GB，按2 h采集1次數據計算，可存儲2年的數據。存儲是通過單片機控制片選信號CS_SD、數據輸入信號SDI2_SD、數據輸出信號SDO2_SD和SD卡時鐘信號SCK2_SD來完成的。

2.7 數據傳輸單元電路

凍土溫度和含水率監測數據的傳輸采用GPRS以太網傳輸和中國北斗二代通信衛星[10]傳輸。系統在GPRS以太網傳輸上設計了傳輸模塊電路，選用MC52i傳輸模塊，將電信、移動、聯通手機通信卡插入SIM卡座進行數據傳輸。系統在硬件電路設計上留有2個RS—232通信接口，便于和北斗二代終端連接。

3 軟件設計

系統軟件采用C語言編程，完成溫度和含水率數據的處理、存儲和傳輸功能，程序流程如圖6所示。系統上電后進行初始化，包括清空發送數據緩沖區數據、通信的初始化、系統時間的矯正、在RS—232端口上打印系統上電狀態、打印軟件版本號等。系統完成初始化后判斷設備工作狀態標志位是否為“1”(“1”表示設備工作狀態良好)，為“1”則單片機給FDR傳感器供電，并啟動8通道A/D采樣時序，采集完成后將原始數據存儲于本地SD卡中，存儲完成后判斷通信標志位是否為“1”:為“1”則進行GPRS傳輸;否則，切換到北斗傳輸模式，監控中心會給系統下發一個反饋指令表示數據接收成功，系統接收到反饋指令后進行休眠狀態，整個過程結束。

圖6 軟件主程序流程

4 野外試驗與數據分析

依托中國地質調查項目“京津唐張交通廊道規劃建設區1︰5萬環境地質調查”，多通道凍土溫度含水率監測儀的野外應用選擇在2022年冬奧會場區張家口市崇禮縣四臺嘴鄉枯楊樹村東側某一凍土層地段。在凍土層地段開挖一個1.8 m深的試驗基坑，距離地面每相隔0.15 m埋設一只溫度含水率傳感器，總計埋設12只傳感器。監測設備安裝于2017年10月15日，監測數據發送頻率為1次/h，截止到2017年11月15日已取得4 300余組監測數據，為便于數據分析，取11月10日24條數據進行分析，距離地面30 cm處2#傳感器監測曲線如圖7所示。由監測數據分析得知，11月10日監測點地表以下30 cm處溫度范圍為-14.3～0.3 ℃，凌晨0︰00時刻溫度最低為-14.3 ℃，中午13︰01時溫度達最高為0.3 ℃。溫度逐漸升高情況下，含水率情況在16.6 %～18.2 %之間微小變化。