一種多參數滑坡監測儀設計

張曉飛 ，呂中虎 ，孟憲瑋 ，曾 克

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

滑坡是一種常見的自然地質災害[1]，滑坡引起山體的垮塌以及暴雨后形成的泥石流常給國家建設和人民生命財產造成嚴重損失。為了能對尚處于初始變形階段和穩定變形階段滑坡進行未來整體破壞事件預報[2]，需要對滑坡深部應力、傾角、含水率等參數及滑坡地表裂縫位移、降雨量等參數的綜合監測。本文在標準電流輸出的應力、傾角、含水率、位移等傳感器的基礎上，設計了一種多參數滑坡監測儀，實現了對滑坡深部不同深度的應力、傾角和含水率及地表降雨量、裂縫位移的綜合監測。

1 多參數滑坡監測儀結構

滑坡發生與否取決于滑坡體的下滑力和抗滑力之間的平衡變化[3-4]，基于此，在進行多參數滑坡監測儀的設計時，綜合考慮能夠同時監測降雨量、地表裂縫位移、深部不同層位的應力、傾角、含水率進行監測，所以本文設計的多參數滑坡監測儀的總體結構如圖1所示[5-6]。

圖1 多參數滑坡監測儀結構Fig.1 Structure block diagram of multi parameter landslide monitor

采用STM32微處理器為控制核心，分為地表監測、深部監測和降雨量監測3個通道。其中地表監測和深部監測通道均通過多芯電纜將一個或多個切換模塊連接在一起后接入儀器的信號控制調理電路，每個切換模塊可以接1～4個電流型傳感器，且切換模塊具有不同的ID號；降雨監測通道將雨量計的輸出通過信號驅動電路連接至STM32微控制器的GPIO口。STM32微控制器通過GPIO口采集雨量計的輸出，并通過切換模塊控制電路實現地表監測和深部監測通道的切換，實現各通道上每個傳感器的分時采集，再將采集的數據存儲在U盤或通過傳輸模塊發送至監控中心。

2 多參數滑坡監測儀硬件設計

2.1 切換模塊電路設計

多參數滑坡監測儀能夠實現多傳感器多參數的一個關鍵是切換模塊，其采用編解碼芯片PT2272通過控制模擬開關ADG1409的通斷實現每個切換模塊的1~4個傳感器與監測儀器的連接[7-9]。地表監測和深部監測通道的切換模塊均具有不同的ID號，從而可以將多個切換模塊通過多芯電纜連接在一起。為了實現監測儀器端對切換通道的遠距離控制，采用MAX487作為驅動電路；為了實現對每個切換模塊相連的傳感器供電的控制，采用AAT4285作為傳感器的電源控制開關。

圖2 切換模塊電路Fig.2 Switch module circuit diagram

2.2 信號調理電路設計

滑坡地表監測和深部監測通道傳感器的輸出是4～20 mA的電流信號，首先經過由150 Ω采樣電阻、單電源儀表運放AD623、電壓基準ADR130構成的I/V轉換電路，將電流信號轉換為0.1～2.5 V的電壓信號；電壓信號經過電阻分壓網絡、單電源運放OPA350構成的一階有源濾波電路濾除信號中的高頻干擾，再經過由單電源運放OPA350構成的同相放大電路放大4倍，將濾波電路輸出的電壓信號放大至0.133～3.333 V的范圍后再輸入至24位AD轉換電路。

圖3 信號調理電路Fig.3 Signal conditioning circuit diagram

2.3 AD采集電路設計

為了提高數據采集的精度，滑坡地表監測和深部監測通道均采用24位AD轉換芯片LTC2402。LTC2402采用Σ-▽過采樣技術，具有轉換位數高（24 bit）、非線性小（4×10-6）、支持串行外設接口 SPI協議，便于與單片機連接的特點。LTC2402芯片實現的AD轉換電路如圖4所示，其中LT1761為LTC2402提供穩定的3.3 V電源，電壓基準源ADR4533為LTC2402提供3.3 V的電壓基準。

圖4 24位AD采集電路Fig.4 24 bit AD acquisition circuit

2.4 控制存儲顯示模塊設計

微控制器是多參數滑坡監測儀的控制核心，各傳感器的切換、數據的采集處理、存儲及遠程發送均由微控制器完成。在設計上采用STM32F103ZE作為控制核心，使用其GPIO口與切換模塊驅動電路、24位AD采集電路相連，使用其USART1口通過MAX3232與LCD模組相連接，使用其USART2口與U盤存儲模塊相連接，使用其USART3通過MAX3232與無線傳輸模塊相連接。

LCD模組采用北京愛傳科技有限公司生產的ATS080型號工業串口屏，其具有真彩色+觸摸操作、內置128 M文件系統（FAT32文件系統）、U盤讀寫、內置2 M參數存儲區、工作溫度-20℃～+70℃等特點。ATS080工業串口屏使用圖形化開發工具ATGUIDesigner，開發使用簡單，可應用于儀器儀表、工業設備控制等產品。

U盤存儲電路選用南京沁恒公司生產的U盤文件讀寫模塊，其支持FAT12、FAT16及FAT32文件系統，外圍電路簡單、操作方便。

無線傳輸模塊內嵌完整的TCP/IP協議，將STM32微控制器采集到的數據通過GSM網絡發送到監控中心，從而實現遠程監控。

3 多參數滑坡監測儀軟件設計

多參數滑坡監測儀的軟件設計包含STM32微控制器的編程和LCD模組編程兩部分，其中STM32微控制器編程采用C語言，在KEIL4開發環境中完成，LCD模組編程采用C語言，開發環境為愛傳科技有限公司推出的圖形化開發工具ATGUIDesigner。

3.1 STM32微控制器軟件設計

STM32微控制器軟件流程如圖5所示，主程序實現監測儀器的初始化，然后依據狀態標志位去執行測量、監測任務或中斷服務程序，在中斷程序中完成對GPIO中斷和USART中斷的響應。GPIO中斷中完成對雨量計輸出信號的采集，在USART中斷中，依據液晶屏的輸出命令完成時間設定顯示、傳感器參數設定、進入采集狀態或進入監測狀態等幾個任務的設定。

圖5 STM32微控制器軟件流程Fig.5 STM32 micro controller software flow chart

3.2 LCD模組軟件設計

LCD模組編程主要是在ATGUIDesigner開發環境下針對ATS080工業串口屏進行界面設計。在進行界面設計時，通過ATGUIDesigner中控件的拖放和屬性設置，即可設計出美觀的界面和豐富的功能，同時在設計中增加C語言串口發送接收程序，用于向STM32微控制器發送命令及接收STM32微控制所發送的數據，實現數據的界面顯示等功能。參數設定和數據采集界面如圖6所示。

4 多參數滑坡監測儀野外試驗

圖6 參數設定和數據采集界面Fig.6 Parameter setting and data acquisition interface

2015年4月29日，黨川羅家坡相同位置前后發生2次黃土滑坡，滑坡規模達65×104m3，最大滑距達630 m，是黑方臺典型的高位遠程滑坡。滑坡后緣裂縫密布，繼續溯源滑動的風險大。在對比了黑臺南緣坡體變形歷史和當前跡象，且在評估1～2年變形趨勢基礎上，選擇黑臺黨川羅家坡坡段一滑坡開展多參數滑坡監測儀野外試驗。

在選定監測區域后，結合地面裂縫、塌陷的實際情況，部署了1個鉆孔用于深部多參數組合監測（深部監測探頭布設在8 m和18 m位置處）。采用全孔安裝測斜管，在需要監測的層位（深度）更換成深部監測探頭的方式布設，全孔安裝完測斜管后，再采用砂石回填鉆孔，最后將連接監測探頭的電纜線接入監測箱，在監測箱內安裝多參數組合監測數據采集裝置、數傳模塊、蓄電池后設定好工作模式后即可以實現長期自動監測。

從深部傾角監測曲線（圖7）和深部巖土壓力監測曲線（圖8）可以得出，在此時間段內黨川羅家坡滑坡深部的應力呈增大的趨勢。經實地踏勘，滑坡前緣已產生了明顯的裂縫，這也說明了監測數據的準確性。

5 結語

本文采用應力、傾角、含水率、位移等傳感器，結合解碼器芯片、STM32微控制器和無線傳輸技術研制了一種準分布式滑坡監測儀器，可以對滑坡深部不同深度的應力、傾角和含水率及地表降雨量、裂縫位移的準分布式監測；野外試驗驗證了儀器的有效性和可靠性，為滑坡不同位置裂縫及滑坡深部不同層位變形的多參數長期監測提供了儀器支撐。

圖8 深部巖土壓力監測曲線Fig.8 Deep geotechnical pressure monitoring curve

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