無線加速度傳感器在地質(zhì)位移監(jiān)測中的應用

余文君

（武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學，湖北武漢，430080）

無線加速度傳感器在地質(zhì)位移監(jiān)測中的應用

余文君

（武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學，湖北武漢，430080）

介紹了一種基于加速度傳感器ADXL362和zigbee無線通信模塊的低成本地質(zhì)位移在線監(jiān)測系統(tǒng)。并著重介紹了無線加速度傳感器的組成。

地質(zhì)災害；位移監(jiān)測；ADXL362；加速度傳感器；zigbee

0 引言

我國自然地理、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件復雜，地質(zhì)災害分布廣、發(fā)生頻繁，是世界上地質(zhì)災害嚴重的國家之一。其中，山體滑坡、泥石流等災害所占比例非常高，分布面非常廣泛。

2014年8月27日晚上8點30分左右，貴州省黔南州福泉市發(fā)生了一起山體滑坡，導致兩個村民小組房屋被掩埋。此次山體滑坡共造成23人遇難、22人受傷。

2015年12月20日11時40分，廣東省深圳市光明新區(qū)鳳凰社區(qū)恒泰裕工業(yè)園發(fā)生的山體滑坡。截至2016年1月12日晚間，現(xiàn)場救援指揮部發(fā)布消息稱，已發(fā)現(xiàn)69名遇難者，經(jīng)核實全部為此前公布的失聯(lián)人員。另外還有8人失聯(lián)。

2017年6月24日5時45分，阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村的清晨，被垮塌的富貴山擊碎。短短100秒時間，特大滑坡呼嘯著沖向山腳的新村組。截至26日23時，“6·24”茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村山體高位垮塌災害共造成10人遇難、93人失聯(lián)、3人受傷。

因此在線監(jiān)測地表位移顯得非常必要。而現(xiàn)有技術(shù)中的山體滑坡等位移監(jiān)測傳感器都比較昂貴，而且功耗很高，在野外安裝對供電要求也比較苛刻，不利于廣泛使用。本文設計一種成本低廉的無線加速度傳感器用于地表位移的在線檢測。

1 傳感器原理

針對待監(jiān)測現(xiàn)場條件，本文設計的傳感器，它由三部分構(gòu)成供電單元、加速度傳感器單元、無線網(wǎng)絡傳輸單元。如圖1所示。

圖1 傳感器原理

其中供電單元與其他各單元相連接，用于給設備供電，選用一次性電池；加速度傳感器單元包含單軸或者多軸軸加速度傳感器用于測量設備的重力方向的傾斜度；無線網(wǎng)絡傳輸單元與加速度傳感器單元連接，用于與上位機進行無線通信，將無線傳感器的狀態(tài)信號通過無線方式傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。

在實際實施方式中，該無線加速度傳感器設備，包含輔助錨桿的安裝附件，安裝方式為：該錨桿垂直釘入地面下可以深入地質(zhì)穩(wěn)定層，其頂端通過繩索連接無線加速度傳感器頂端，保持繩索為拉直狀態(tài)，然后用水泥或者沙石或者膠水等固定，使無線加速度傳感器掩埋在地面之下，如圖2所示。

圖2 實際實施安裝圖

其工作原理：地質(zhì)災害監(jiān)測無線加速度傳感器設備，通過加速度傳感器單元周期性測量重力加速度的方向及大小。由于特定的安裝方式，當?shù)乇沓霈F(xiàn)位移時，固定錨桿不會移動，而傳感器隨著地表進行移動，而錨桿上的繩索拉住了其頂端，導致其出現(xiàn)翻滾。這樣傳感器檢測到的重力方向發(fā)生變化，當重力方向變化超過設定閾值時，通過無線網(wǎng)絡傳輸單元發(fā)射出預警信號；并且周期性發(fā)送心跳信號，心跳信號包含設備ID及測量到的加速度的方向值。

2 傳感器的具體實現(xiàn)

供電單元使用一次性鋰亞電池。加速度傳感器單元使用 ADXL362三軸MEMS加速度傳感器、無線網(wǎng)絡傳輸單元使用CC2530低功耗2.4G Zigbee芯片。

ADXL362是一款超低功耗加速度芯片，其特征如下。

（1）超低功耗：

1.8 μA @ 100 Hz 2.0 V電源。

3.0 μA @ 400 Hz 2.0 V電源。

270 nA運動喚醒模式。

10 nA待機電流。

（2）高分辨率：1mg/LSB。

（3）內(nèi)置系統(tǒng)級節(jié)能功能包括：

閾值可調(diào)的靜止休眠/運動喚醒模式。

自主中斷處理，無需微控制器干預，系統(tǒng)其余部分電路可以完全斷電。

深度嵌入式FIFO最大程度地減輕主機處理器負荷。

喚醒狀態(tài)輸出支持實現(xiàn)獨立的運動激活開關(guān)。

（4）噪聲低至 175 μg/ √ Hz。

（5）寬電源和I/O電壓范圍：1.6 V至3.5 V。

（6）支持外同步采樣。

（7）片上溫度傳感器。

（8）SPI數(shù)字接口：可通過SPI命令選擇測量范圍。

（9）小尺寸、薄型(3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm)封裝。

CC2530是一款經(jīng)典的zigbee無線網(wǎng)絡芯片，其特征如下。

（1）內(nèi)嵌8051核:

8K RAM。

32K/64K/128K/256K FLASH。

（2）低功耗:

睡眠狀態(tài)低于1uA。

RX 24mA。

TX 29mA。

（3）RF:

2.4 GHz IEEE802.15.4。

輸出最大功率4.5dBm。

（4）外設：

非常豐富的外設如看門狗。

IEEE802.15.4MAC定時器等。

（5）開發(fā)工具：Zigbee協(xié)議棧

3 無線網(wǎng)絡協(xié)議棧

該地質(zhì)災害監(jiān)測無線加速度傳感器設備，其無線網(wǎng)絡傳輸單元主要由CC2530構(gòu)成的MESH網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，能夠連接MESH網(wǎng)絡中繼器或者接入點AP并進行數(shù)據(jù)傳輸。

該網(wǎng)絡協(xié)議棧使用TI的ZStack-CC2530-2.5.1a。它非常完備，而且簡單易用。它使用IAR編譯器，工程目錄如圖3所示。

圖3 工程目錄

4 應用實施

地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)在實際實施中，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成圖

其中：SN為傳感器節(jié)點；RP為中繼器；AP為接入點。

一個MESH網(wǎng)絡中有一個AP接入點，它接收RP中繼器發(fā)過來的信號，并轉(zhuǎn)發(fā)到云端網(wǎng)絡。RP主要作用是在SN與AP之間轉(zhuǎn)發(fā)消息。SN在前面已經(jīng)詳細介紹，此處不在累述。

5 本設計的優(yōu)缺點分析

本設計缺點：對于地表位移沒有進行量化測量，只能進行閾值報警。優(yōu)點：本系統(tǒng)架構(gòu)決定了整個系統(tǒng)的功耗非常低（一定條件下，7200mAH電池可工作5-8年）；無線傳輸方式?jīng)Q定了系統(tǒng)安裝容易；輔助錨桿及安裝方式的設計極大的提高了監(jiān)測相對位移的靈敏度和可靠性；該設備的低成本導致該系統(tǒng)可以進行廣泛安裝，對潛在危險地區(qū)進行大面積監(jiān)測。

[1] “A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE802.15.4 and ZigBee Applications ” TI.

[2] “Z-Stack User’s Guide For SmartRF05EB and CC2530 ” TI.

[3] “ADXL362 Datasheet” ADI.

[4] 馬忠梅等.單片機C語言應用程序設計[M].北京航空航天大學出版社,2003年修訂版.

Application of wireless acceleration sensor in geological displacement monitoring

Yu Wenjun
(Wuhan Iron and Steel Group Corp third children’s middle school,Wuhan Hubei, 430080)

A low cost geological displacement on-line monitoring system based on acceleration sensor ADXL362 and ZigBee wireless communication module is introduced The composition of wireless acceleration sensor is also introduced

geological hazard; displacement monitoring; ADXL362; acceleration sensor; ZigBee