一种多参数滑坡监测仪设计

2018-03-30张晓飞吕中虎孟宪玮

自动化与仪表 2018年2期

张晓飞，吕中虎，孟宪玮，曾克

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

滑坡是一种常见的自然地质灾害[1]，滑坡引起山体的垮塌以及暴雨后形成的泥石流常给国家建设和人民生命财产造成严重损失。为了能对尚处于初始变形阶段和稳定变形阶段滑坡进行未来整体破坏事件预报[2]，需要对滑坡深部应力、倾角、含水率等参数及滑坡地表裂缝位移、降雨量等参数的综合监测。本文在标准电流输出的应力、倾角、含水率、位移等传感器的基础上，设计了一种多参数滑坡监测仪，实现了对滑坡深部不同深度的应力、倾角和含水率及地表降雨量、裂缝位移的综合监测。

1 多参数滑坡监测仪结构

滑坡发生与否取决于滑坡体的下滑力和抗滑力之间的平衡变化[3-4]，基于此，在进行多参数滑坡监测仪的设计时，综合考虑能够同时监测降雨量、地表裂缝位移、深部不同层位的应力、倾角、含水率进行监测，所以本文设计的多参数滑坡监测仪的总体结构如图1所示[5-6]。

图1 多参数滑坡监测仪结构Fig.1 Structure block diagram of multi parameter landslide monitor

采用STM32微处理器为控制核心，分为地表监测、深部监测和降雨量监测3个通道。其中地表监测和深部监测通道均通过多芯电缆将一个或多个切换模块连接在一起后接入仪器的信号控制调理电路，每个切换模块可以接1～4个电流型传感器，且切换模块具有不同的ID号；降雨监测通道将雨量计的输出通过信号驱动电路连接至STM32微控制器的GPIO口。STM32微控制器通过GPIO口采集雨量计的输出，并通过切换模块控制电路实现地表监测和深部监测通道的切换，实现各通道上每个传感器的分时采集，再将采集的数据存储在U盘或通过传输模块发送至监控中心。

2 多参数滑坡监测仪硬件设计

2.1 切换模块电路设计

多参数滑坡监测仪能够实现多传感器多参数的一个关键是切换模块，其采用编解码芯片PT2272通过控制模拟开关ADG1409的通断实现每个切换模块的1~4个传感器与监测仪器的连接[7-9]。地表监测和深部监测通道的切换模块均具有不同的ID号，从而可以将多个切换模块通过多芯电缆连接在一起。为了实现监测仪器端对切换通道的远距离控制，采用MAX487作为驱动电路；为了实现对每个切换模块相连的传感器供电的控制，采用AAT4285作为传感器的电源控制开关。

图2 切换模块电路Fig.2 Switch module circuit diagram

2.2 信号调理电路设计

滑坡地表监测和深部监测通道传感器的输出是4～20 mA的电流信号，首先经过由150 Ω采样电阻、单电源仪表运放AD623、电压基准ADR130构成的I/V转换电路，将电流信号转换为0.1～2.5 V的电压信号；电压信号经过电阻分压网络、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，再经过由单电源运放OPA350构成的同相放大电路放大4倍，将滤波电路输出的电压信号放大至0.133～3.333 V的范围后再输入至24位AD转换电路。

图3 信号调理电路Fig.3 Signal conditioning circuit diagram

2.3 AD采集电路设计

为了提高数据采集的精度，滑坡地表监测和深部监测通道均采用24位AD转换芯片LTC2402。LTC2402采用Σ-▽过采样技术，具有转换位数高（24 bit）、非线性小（4×10-6）、支持串行外设接口 SPI协议，便于与单片机连接的特点。LTC2402芯片实现的AD转换电路如图4所示，其中LT1761为LTC2402提供稳定的3.3 V电源，电压基准源ADR4533为LTC2402提供3.3 V的电压基准。

图4 24位AD采集电路Fig.4 24 bit AD acquisition circuit

2.4 控制存储显示模块设计

微控制器是多参数滑坡监测仪的控制核心，各传感器的切换、数据的采集处理、存储及远程发送均由微控制器完成。在设计上采用STM32F103ZE作为控制核心，使用其GPIO口与切换模块驱动电路、24位AD采集电路相连，使用其USART1口通过MAX3232与LCD模组相连接，使用其USART2口与U盘存储模块相连接，使用其USART3通过MAX3232与无线传输模块相连接。

LCD模组采用北京爱传科技有限公司生产的ATS080型号工业串口屏，其具有真彩色+触摸操作、内置128 M文件系统（FAT32文件系统）、U盘读写、内置2 M参数存储区、工作温度-20℃～+70℃等特点。ATS080工业串口屏使用图形化开发工具ATGUIDesigner，开发使用简单，可应用于仪器仪表、工业设备控制等产品。

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。

3 多参数滑坡监测仪软件设计

多参数滑坡监测仪的软件设计包含STM32微控制器的编程和LCD模组编程两部分，其中STM32微控制器编程采用C语言，在KEIL4开发环境中完成，LCD模组编程采用C语言，开发环境为爱传科技有限公司推出的图形化开发工具ATGUIDesigner。

3.1 STM32微控制器软件设计

STM32微控制器软件流程如图5所示，主程序实现监测仪器的初始化，然后依据状态标志位去执行测量、监测任务或中断服务程序，在中断程序中完成对GPIO中断和USART中断的响应。GPIO中断中完成对雨量计输出信号的采集，在USART中断中，依据液晶屏的输出命令完成时间设定显示、传感器参数设定、进入采集状态或进入监测状态等几个任务的设定。

图5 STM32微控制器软件流程Fig.5 STM32 micro controller software flow chart

3.2 LCD模组软件设计

LCD模组编程主要是在ATGUIDesigner开发环境下针对ATS080工业串口屏进行界面设计。在进行界面设计时，通过ATGUIDesigner中控件的拖放和属性设置，即可设计出美观的界面和丰富的功能，同时在设计中增加C语言串口发送接收程序，用于向STM32微控制器发送命令及接收STM32微控制所发送的数据，实现数据的界面显示等功能。参数设定和数据采集界面如图6所示。

4 多参数滑坡监测仪野外试验

图6 参数设定和数据采集界面Fig.6 Parameter setting and data acquisition interface

2015年4月29日，党川罗家坡相同位置前后发生2次黄土滑坡，滑坡规模达65×104m3，最大滑距达630 m，是黑方台典型的高位远程滑坡。滑坡后缘裂缝密布，继续溯源滑动的风险大。在对比了黑台南缘坡体变形历史和当前迹象，且在评估1～2年变形趋势基础上，选择黑台党川罗家坡坡段一滑坡开展多参数滑坡监测仪野外试验。

在选定监测区域后，结合地面裂缝、塌陷的实际情况，部署了1个钻孔用于深部多参数组合监测（深部监测探头布设在8 m和18 m位置处）。采用全孔安装测斜管，在需要监测的层位（深度）更换成深部监测探头的方式布设，全孔安装完测斜管后，再采用砂石回填钻孔，最后将连接监测探头的电缆线接入监测箱，在监测箱内安装多参数组合监测数据采集装置、数传模块、蓄电池后设定好工作模式后即可以实现长期自动监测。

从深部倾角监测曲线（图7）和深部岩土压力监测曲线（图8）可以得出，在此时间段内党川罗家坡滑坡深部的应力呈增大的趋势。经实地踏勘，滑坡前缘已产生了明显的裂缝，这也说明了监测数据的准确性。

5 结语

本文采用应力、倾角、含水率、位移等传感器，结合解码器芯片、STM32微控制器和无线传输技术研制了一种准分布式滑坡监测仪器，可以对滑坡深部不同深度的应力、倾角和含水率及地表降雨量、裂缝位移的准分布式监测；野外试验验证了仪器的有效性和可靠性，为滑坡不同位置裂缝及滑坡深部不同层位变形的多参数长期监测提供了仪器支撑。