基于MEMS的滑坡長期監(jiān)測儀器研發(fā)

潘彥文 王寶軍

摘要：我國滑坡災(zāi)害多發(fā)，滑坡災(zāi)害的實時監(jiān)測能夠?qū)?zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警。為了實現(xiàn)野外長期監(jiān)測，文章設(shè)計了一款基于MEMS的滑坡監(jiān)測儀器，同時設(shè)計了一種無源喚醒的低功耗動態(tài)調(diào)整方案。目前，該儀器已應(yīng)用于野外災(zāi)害點，并獲取長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對滑坡災(zāi)害的連續(xù)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：滑坡；監(jiān)測；預(yù)警；MEMS

中圖分類號：P64? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引? 言

我國是滑坡災(zāi)害多發(fā)的國家，對滑坡進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)測預(yù)報能夠減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。滑坡監(jiān)測內(nèi)容包括地表變形、地下變形、地聲、應(yīng)變、水文及降水量等因素［1］。而滑坡形成過程中的力（如土壓力、支擋結(jié)構(gòu)受力等）和位移（變形）的動態(tài)變化可直接反映滑坡的動態(tài)發(fā)展過程，是監(jiān)測預(yù)警的主要指標(biāo)［2］。MEMS加速度傳感器可用于傾斜度檢測、運動檢測、定位偵測、振動偵測等各種偵測活動［3］。

因此，本文設(shè)計了一款基于MEMS的滑坡監(jiān)測儀器，通過加速度指標(biāo)對滑坡動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，同時通過低功耗設(shè)計，實現(xiàn)野外長期監(jiān)測。

1 主控板電路

基于MEMS的滑坡監(jiān)測儀器的主控板電路系統(tǒng)如圖1所示，其功能主要有3方面內(nèi)容：一是對環(huán)境信息采集、處理，并上傳云平臺；二是通過云端下發(fā)指令以達(dá)到遠(yuǎn)程喚醒4G DTU模塊；三是設(shè)置采集間隔和上傳間隔。該系統(tǒng)由主控板、4G DTU模塊、電量采集模塊、MPU6050模塊組成。

4G DTU模塊主要用于儀器與云平臺的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳；電量采集模塊用于監(jiān)測儀器的耗電情況，主要用于側(cè)面判斷儀器是否正常工作、剩余電量等；MPU6050模塊為MEMS傳感器，為報警儀器提供實時實地的加速度數(shù)據(jù)，是智能預(yù)警參數(shù)的主要來源之一。

主控板電路設(shè)計內(nèi)容包括：主控芯片、通信連接、傳感器設(shè)計、供電模塊和存儲模塊。

1.1 主控芯片

本主控板采用STM32F103ZET6芯片，該模塊采用精簡指令集，同時具有標(biāo)準(zhǔn)和高級兩種通信接口，兼容多種通信協(xié)議，外設(shè)較為豐富可以滿足多種功能開發(fā)，具備低功耗優(yōu)勢并在低功耗模式下提供3種選擇以便適合多種場景的開發(fā)，內(nèi)部存儲空間較大［4］，并且電路板結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易搭建，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)采集頻率。

1.2 通信連接

本系統(tǒng)通信涉及主控板與MEMS加速度傳感器之間的通信以及系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信。為達(dá)到結(jié)構(gòu)小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單的目的，MEMS傳感器集成于主板上，通過主控自帶的TTL口配置MEMS傳感器并獲取其數(shù)據(jù)。系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信通過接在主機(jī)上的4G DTU實現(xiàn)。4G DTU模塊通過MQTT與云平臺進(jìn)行連接［5］。

1.3 傳感器設(shè)計

MEMS加速度傳感器用于測量實地加速度和傾角，所得數(shù)據(jù)作為判斷滑坡的依據(jù)之一。傳感器基于MPU6050六軸姿態(tài)角度傳感芯片，可實時測量物體的運動姿態(tài)，并采用了卡爾曼濾波算法，有效過濾噪聲，提高精度，具有低功耗、高性能、高穩(wěn)定性等特點［6］。

1.4 供電模塊

本主控板板載3類供電，分別為12 V，5 V，3.3 V。12 V為輸出電壓，通過DC-DC穩(wěn)壓器輸出5 V電壓，為繼電器、溫濕度傳感器供電。5 V電壓通過LT1585CM-3.3V穩(wěn)壓器輸出3.3 V電壓，為主控芯片、通信模塊、存儲模塊供電。電路如圖2所示。

1.5 存儲模塊

本主控板使用的存儲芯片為W25Q64，可以保存設(shè)備的配置信息，以保證此類數(shù)據(jù)掉電不丟失［7］。

存儲芯片的容量為64 Mb，并將8 M字節(jié)的容量分為128個塊，每塊分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4 K個字節(jié)。W25Q64的最小擦除單位為一個扇區(qū)，因此，需要給W25Q64開辟一個至少4 K的緩存區(qū)，這要求芯片必須有4 K以上的SRAM。其原理如圖3所示。

2 低功耗設(shè)計

MEMS監(jiān)測儀器的動態(tài)監(jiān)測與實時數(shù)據(jù)傳輸將消耗大量電能，監(jiān)測參數(shù)的增加會導(dǎo)致電能消耗更加嚴(yán)重，增大電池容量又會增加儀器配重與儀器成本。因此，本文進(jìn)行了低功耗智能MEMS電路板研發(fā)，以智能微處理器為核心數(shù)據(jù)采集及處理單元，通過選用低功耗器件，采用智能觸發(fā)設(shè)備工作模式，提高主芯片效率，降低系統(tǒng)的整體功耗。此外，通過主控指標(biāo)連續(xù)監(jiān)測、動態(tài)喚醒以及安全睡眠等參數(shù)與信號傳輸方案對比，實現(xiàn)最佳功耗方案［8-10］。

2.1 功能設(shè)計

為了使設(shè)備在戶外滑坡環(huán)境下以低功耗方式長期工作，本文設(shè)計了低功耗動態(tài)調(diào)整機(jī)制，邏輯如圖4所示。

傳感器通常布設(shè)在無人值守、無供電支持的野外環(huán)境中，若要實現(xiàn)不斷電連續(xù)工作，需要一種無源喚醒系統(tǒng)。正常情況下系統(tǒng)處于低功耗運行模式，只有當(dāng)傳感器判斷需要加密采集數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)才會被喚醒，進(jìn)而獲得實時測量數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)計原理

本文設(shè)計了一款“傳感器驅(qū)動開關(guān)”設(shè)備實現(xiàn)上述功能，設(shè)備的功能如圖5所示。

2.2.1 設(shè)計技術(shù)參數(shù)

（1）傳感器的輸出為微弱電流，屬于μA級別；

（2）電路設(shè)計輸入電源為12 V/5 A；

（3）設(shè)計雙路控制開關(guān)。

2.2.2 雙路控制開關(guān)工作流程

（1）第一路（通斷控制1）。

a. 使用μA級電流作為輸入源，輸出狀態(tài)：導(dǎo)通/斷開，控制負(fù)載設(shè)備的供電；

b. 初始默認(rèn)：導(dǎo)通；

c. 當(dāng)傳感器的物理量達(dá)到閾值時，輸出狀態(tài)（通斷控制2的狀態(tài)）且狀態(tài)被鎖定；

d. 當(dāng)通斷控制1與通斷控制2狀態(tài)一致時，控制負(fù)載通電。

（2）第二路（通斷控制2）。

a. 初始默認(rèn)：斷開；

b. 在負(fù)載通電后，可遠(yuǎn)程控制負(fù)載斷開電源，此時通斷控制2狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，與通斷控制1狀態(tài)相反。

2.3 電路設(shè)計

低功耗設(shè)計第一路觸發(fā)信號如圖6所示。

第一路觸發(fā)信號采用運算放大電路與開關(guān)電路。外接傳感器的輸出電流（sensor-in+）通過運算放大電路輸出（SW1_CLK）。以振動檢波器為例，在正常情況下，sensor-in+端沒有電流源，則LM324的引腳7輸出為0，Q1截止，SW1_CLK端輸出為低電平；在發(fā)生震動時，則LM324的引腳7輸出為輸入電流源經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后的放大電壓，Q1導(dǎo)通，SW1_CLK端輸出為高電平，即一次地震觸發(fā)SW1_CLK端輸出一次上升沿。

低功耗設(shè)計第二路觸發(fā)信號如圖7所示。

第二路觸發(fā)信號采用運算放大電路與開關(guān)電路。設(shè)備接入電源，但默認(rèn)負(fù)載未上電，Q2被截斷，則SW2_CLK輸出高電平；負(fù)載上電后，PD2為浮空輸入模式，則U18截止，Q2被截斷，則SW2_CLK輸出高電平；負(fù)載初始化完成后，PD2為推完輸出模式，則U18截止，Q2被截斷，則SW2_CLK輸出高電平；發(fā)送遠(yuǎn)程控制關(guān)機(jī)指令后，PD2=0，則U18導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，則SW2_CLK輸出低電平。即SW2_CLK只有在負(fù)載上電后接收到遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)操作時，才會觸發(fā)一次下降沿，其他情況均為高電平。

通斷控制采用D觸發(fā)器（采用CD4013芯片，包含2路互相獨立的D觸發(fā)器）實現(xiàn)自鎖開關(guān)，電路如圖7所示。設(shè)備上電，C2兩端電壓不能突變，則R1=0，S1=1，Q1=1，即SW1為12 V，J1（開關(guān)1）導(dǎo)通。設(shè)備上電，C3兩端電壓不能突變，則R2=1，S2=0，Q2=0，即SW2為0 V，J1（開關(guān)2）斷開，則負(fù)載斷電。C2經(jīng)過一段時間的充電，S1=0，之后保持S1=0，R1=0，實現(xiàn)觸發(fā)一次，Q1=D1，即觸發(fā)一次，使得兩路開關(guān)保持一致，導(dǎo)致負(fù)載上電。C3經(jīng)過一段時間的充電，R2=0，之后保持S2=0，R2=0，實現(xiàn)觸發(fā)一次，Q1翻轉(zhuǎn)，即觸發(fā)一次，開關(guān)2狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致負(fù)載斷電。

2.4 4 G DTU模塊

4 G DTU模塊采用串口與主控進(jìn)行通信，具備GPRS功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳以及指令的下發(fā)。同時，該模塊可以實現(xiàn)低功耗，通過減少系統(tǒng)的能量消耗，來增加系統(tǒng)總的工作時長。其休眠支持兩種應(yīng)用，一種是串口應(yīng)用，另一種是USB應(yīng)用。本次使用了串口應(yīng)用，其與主控的連接如圖8所示。

2.5 功耗測試

使用5 V電源供電對4G DTU和主控板分別進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

2.6 儀器封裝

本儀器為實現(xiàn)高集成、裝配式、小體積、易安裝、低功耗等設(shè)計理念，采用傳感、采集、通信、供電一體化集成設(shè)計，具有防塵防水、防振和寬溫適應(yīng)性和可重復(fù)使用的特點［11-13］。外殼采用輕質(zhì)、強(qiáng)度高、耐腐蝕ABS材質(zhì)和不銹鋼材質(zhì)配合。

考慮到滑坡災(zāi)害易發(fā)期多為雨季，單一太陽能供電可能造成漏檢，儀器額外配備了鋰電池，內(nèi)置電源系統(tǒng)確保連續(xù)工作3年以上。

儀器在設(shè)計上采用分層組裝的方式，依次安裝鋰電池、語音報警模塊、主板和天線，儀器四周及頂面均設(shè)計有太陽能板。封裝儀器原型機(jī)渲染圖及實物圖如圖9所示。

3 儀器應(yīng)用

將本文所設(shè)計的儀器布設(shè)在甘肅省隴南市新聲滑坡，對變形滑動的邊坡進(jìn)行長期監(jiān)測。

通過觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)目前儀器運行狀態(tài)良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。截取2023年2月17日—29日MEMS1傳感器—加速度數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。圖10中曲線加密段為傳感器檢測到變動，自動喚醒加密監(jiān)測。

4 結(jié)語

滑坡野外監(jiān)測是一個長期的過程，為使監(jiān)測設(shè)備能夠長期運行，工作人員需頻繁地對其更換電源，在增加工作量的同時，也增加了安全隱患。因此對監(jiān)測儀器進(jìn)行低功耗設(shè)計，使其在正常環(huán)境下處于休眠狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，儀器“蘇醒”開始采集數(shù)據(jù)，是今后野外監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

本文基于MEMS傳感器，設(shè)計了一款滑坡監(jiān)測儀器，具有高集成、裝配式、小體積、易安裝、低功耗等特點，并且針對低功耗需求進(jìn)行了優(yōu)化，可實現(xiàn)野外長期監(jiān)測。

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（編輯 王雪芬）

Research and development of long-term landslide monitoring instrument based on MEMS

Pan? Yanwen， Wang? Baojun*

（School of Earth Sciences and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210213， China）

Abstract：? In China， there are many landslide disasters. The real-time monitoring of landslide disasters can effectively warn of landslide disasters. In order to realize long-term monitoring in the field， a landslide monitoring instrument based on MEMS is designed， and a low-power dynamic adjustment scheme with passive wake-up is designed. At present， the instrument has been applied to field disaster points， and long-term stable data has been obtained to achieve continuous monitoring of landslide disasters.

Key words： landslide; monitoring; early warning; MEMS