一种滑坡深部倾角监测装置研制

张晓飞，曾 克，吕中虎，韩永温，孟宪玮，张 青，史彦新

（1．中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 河北 保定 071051；2．国土资源部地质环境监测技术重点实验室 河北保定　071051）

一种滑坡深部倾角监测装置研制

张晓飞，曾 克，吕中虎，韩永温，孟宪玮，张 青，史彦新

（1．中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 河北 保定 071051；2．国土资源部地质环境监测技术重点实验室 河北保定071051）

在倾角传感器、解码器PT2272和STM32微控制器的基础上，研制了一种能对滑坡深部不同层位倾角变形实时监测的滑坡深部倾角监测装置。文章首先介绍了监测装置的总体设计；接着分模块详细介绍了监测装置的硬件设计，从编码命令程序何数据采集程序两方面阐述了监测装置的软件设计；最后通过模拟实验检验了监测装置的可靠性，验证了监测装置在滑坡深部倾角变形监测的可行性。

倾角传感器；数据采集；STM32微控制器；滑坡监测

中国是地质灾害最为严重的国家之一，滑坡、崩塌、泥石流在汛期频繁发生，往往造成人员伤亡，道路掩埋，房屋损毁，严重威胁着国家和人民的生命财产安全。滑坡的变形监测工作在滑坡防治过程中具有重要意义，在以往的滑坡深部变形监测中，主要以钻孔倾斜仪为主，但由于其存在测试工作量大、自动化程度不高、远程操作比较困难等缺点，限制了其应用。因此，具有分布式、实时采集和远程传输的滑坡深部变形监测装置就显得尤为重要［1］。文中在倾角传感器、编解码器、STM32微控制器和无线传输等技术的基础上，设计了具有准分布式、实时数据采集和远程传输能力的滑坡深部倾角监测装置。

1　滑坡深部倾角监测装置的总体设计

如图1所示，滑坡深部倾角监测装置由深部倾角监测探头和监测仪器两部分组成，其中深部倾角监测探头包括多芯电缆、电流型双轴倾角传感器模块、传感器切换模块、密封罐、弹性连接体和不锈钢探管6部分，监测仪器包括编码器驱动模块、电流测量模块、微处理器控制模块、无线发射模块和电源模块5部分［2-3］。

滑坡深部倾角监测装置的工作原理：根据滑坡钻孔资料，将滑坡深部倾角监测探头安装在需要进行倾角变形监测的层位，每个探头之间用弹性连接体连接好，并使用一根多芯电缆通过传感器切换模块将各传感器模块串接在一起后接入监测仪器端，监测仪器的STM32微控制器通过编码器驱动电路向各传感器切换模块写入命令，只有符合命令ID的解码器才会响应STM32微控制器的命令，从而通过继电器电路控制每个滑坡深部倾角监测探头与监测仪器的连接状态。当被测滑坡深部发生倾角变化时，带动滑坡深部倾角探头的变化，不同层位探头的倾角变化会有所不同，各探头倾角传感器输出的电流信号通过多芯电缆传输至监测仪器；STM32微控制器通过发送不同的命令，从而可以轮流的将串接在同一根电缆上所有的滑坡深部倾角监测探头与监测仪器分时连接，完成对所有倾角监测探头的控制及采样。滑坡深部倾角监测探头的输出电流依次经过电流测量通道的I/V转换电路、滤波电路和主放电路，转换为符合STM32微控制器的AD范围的0～3．2 V电压，STM32微控制器依据测量的电压大小，再结合使用倾角传感器模块的特性，计算出各深部倾角监测探头倾角的变化，从而可以得出滑坡深部不同层位倾角的变化，再结合使用深部倾角探头的长度，可以计算出不同层位的位移变化。

图1　滑坡深部倾角监测装置结构框图Fig．1　Structure diagram of the landslide deep dip angle monitoring device

2　滑坡深部倾角监测装置的硬件设计

2.1深部倾角监测探头的设计

滑坡深部倾角监测探头的核心部件为电流型双轴倾角传感器模块和传感器切换模块。倾角传感器模块采用芬兰VTI Technologies公司生产的高精度双轴倾角传感器芯片SCA100T感知滑坡深部的倾角变形，并经过信号预处理电路转换为双通道4～20 mA的电流信号电输出；传感器切换模块的核心器件是解码器芯片PT2272，每个解码器芯片具有唯一的ID号，只有符合要求的解码器芯片才响应监测仪器发出的命令编码，通过控制于其相连继电器的通断来控制传感器模块与监测仪器的连接状态，实现一根多芯电缆上多个倾角监测探头的串接［4］。

图2　滑坡深部倾角监测探头电路框图Fig．2　Circuit diagram of landslide deep dip angle monitoring probe

2.2前置放大电路

深部倾角监测探头的传感器模块输出的信号为4～20 mA的电流信号，首先经过由250 Ω的采样电阻和单电源仪表运放AD623构成的前置放大电路如图3所示，前置放大电路为整个监测装置系统提供高的输入阻抗并将电流信号转换成0～4 V的电压信号。

图3　前置放大电路Fig．3　Preamplifier circuit

2.3滤波电路及主放电路

滤波电路及主放电路的主要功能是滤除信号中的高频信号，并将有用信号放大至适合STM32微控制器的AD转换器所需要的0～3．3V的电压范围。滤波电路及主放电路如图4所示，前置放大电路输出的0～4 V电压信号，经过分压电阻网络转换成0～1 V的电压信号，随后经过由单电源运放OPA350构成的一阶有源滤波电路滤除信号中的高频干扰，接着经过由单电源运放OPA350构成的同相放大电路放大3．2倍，将滤波电路输出的电压信号放大至0～3．2 V，从而可以直接输入STM32自带的12位AD转换器。

图4　滤波电路及主放电路Fig．4　Filter circuit and main amplifier circuit

2.4编码器驱动电路

在滑坡深部倾角监测装置的设计中，采用STM32微控制器来模拟编码器PT2262发送命令编码［5］。为了提高STM32微控制器输出命令编码的远距离传输能力，采用74LS04和三极管9013构成编码器驱动电路，如图5所示。

图5　编码器驱动电路Fig．5　The encoder drive circuit

2.5STM32微控制器及主要接口电路

微控制器是滑坡深部倾角监测装置的控制核心，深部倾角监测探头的切换、数据的采集处理、存储及远程发送均由微控制器完成。如图6所示，在设计上采用STM32F103ZE作为控制核心，使用其自带的12位AD转换器用于转换电流测量模块的输出电压；使用GPIO口与LCD1602和输入键盘相接，用于显示测量结果及系统参数的设定；使用USART口于U盘存储电路和无线传输模块电路的连接。U盘存储电路选用南京沁恒公司生产的U盘文件读写模块，其支持FAT12、FAT16及FAT32文件系统，外围电路简单、操作方便；无线传输模块内嵌完整的TCP/IP协议，将STM32微控制器采集到的数据通过GSM网络发送到监控中心，从而实现远程监控［6］。

图6　STM32微控制器联结框图Fig．6　STM32 microcontroller connection diagram

3　滑坡深部倾角监测装置的软件设计

3.1编码命令程序的设计

滑坡深部倾角监测装置在进行滑坡监测时，每次轮询深部倾角监测探头是通过STM32发送命令编码实现的。在进行软件设计时，需通过STM32模拟编码器PT2262的功能，如图7所示，PT2262数字码有0，1和f（悬空码）3种，因此需通过STM32模拟出这3种数字码［5-7］。对应于滑坡深部倾角监测探头中传感器切换模块解码器芯片 PT2272的振荡电阻（200 kw），经多次实验测得窄脉冲宽度约为120 μs，宽脉冲约为380 μs，而2组数据之间的间隔约为3．96 ms。STM32微控制器模拟PT2262发送字码的程序框图如图8所示。

图7　PT2262编码格式Fig．7　PT2262 encoding format

图8　解码器驱动程序的设计Fig．8　Design of the decoder drive

3.2数据采集发送程序的设计

滑坡深部倾角监测装置的数据采集发送程序主要针对STM32微控制器进行编程，具体实现监测仪器的初始化，系统参数的输入，倾角信号的数据采集处理，然后将采集到的数据保存在U盘中，同时将采集到的数据通过远程传输模块发送到控制中心。软件主体采用C语言编写，其流程图如图9所示。

图9　位移监测仪的软件流程图Fig．9　Software flow chart of the displacement monitoring instrument

主程序为循环结构，在主循环结构中根据状态标志位来判断是进行测量还是进行参数设定。在测量分支程序中依照默认参数完成各传感器信号的采集、数据保存、远程发送功能；在系统参数设定分支中，依据状态标志位完成时间设定、监测时间间隔设定、通道数设定和控制中心IP设定功能。状态标志位的更改设计在中断程序中，当有键按下时，主程序挂起，进入按键中断程序，在中断程序中依据引起中断的按键而更改状态标志位，完成状态标志位的更改后退出中断程序，主程序再依据设定的状态标志位而实现在测量和系统参数设定之间的转换，从而完成各深部倾角监测探头的准分布式监测。

4　滑坡深部倾角监测装置的模拟实验

在完成滑坡深部倾角监测装置的硬件焊接、软件编写工作后，进行了滑坡深部倾角监测装置的室内模拟实验。实验时，将5个监测探头依次串接在监测仪器上，并将探头和一个高精度倾角测试仪一起放置在倾角测试台上，不断调整倾角测试台的角度，观测倾角测试仪和本监测装置的度数，表1为实验测试数据。

表1　滑坡深部倾角监测装置模拟实验数据Tab.1　Simulation experiment data of the landslide deep dip angle monitoring device

从表1的实验测试数据中可以得出，在选定倾角传感器模块的条件下，研制的滑坡深部倾角监测装置的精度可以达到0．2°，可以实现对滑坡深部不同层位倾角变形的自动监测。

5　结束语

文中利用倾角传感器模块、解码器芯片、STM32微控制器和无线传输技术研制了一种滑坡深部倾角监测装置。在滑坡深部变形监测应用时，将深部倾角监测探头安装于钻孔中，配以太阳能装置，即可实现对深部不同层位倾角变形的自动、远程的长期监测。

［1］汤国起，周策．采用钻孔倾斜仪监测滑坡深部水平位移方法和仪器的研究［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），2008（12）: 19-22．

［2］王洪辉，庹先国，许强，等．山体裂缝远程监测系统［J］．自动化与仪表，2010（1）:42-46．

［3］孙启富，孙运强，姚爱琴．基于STM32的通用智能仪表设计与应用［J］．仪表技术与传感器，2010（10）:34-36．

［4］郑开陆．基于单片机和PT2272的编码解码方法［J］．计算机应，2006（12）:60-63．

［5］李东阳，姚凯学．基于单片机实现PT2262通用编码器的软件解码［J］．微电子学与计算机，2011（8）:77-79．

［6］张晓飞，郝文杰，张青，等．基于STM32的裂缝位移监测系统［J］．微计算机应用，2011（5）:52-59．

［7］安颖，王研．遥控编码芯片PT2262的单片机译码模块［J］．计算机与数字工程，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稿件编号：201509070

中国地质调查局国土资源调查项目（1212011220165）

张晓飞（1981—），男，河北保定人，硕士。研究方向：地质仪器和地质灾害监测系统。