基于STM32的超低功耗崩塌監(jiān)測傳感器設計

摘要：針對傳統(tǒng)崩塌監(jiān)測設備實時性、功耗和精度相矛盾的問題，文章采用基于STM32和高低精度傳感器相結合的方法，實現(xiàn)高實時性、超低功耗、高精度的崩塌災害監(jiān)測，將崩塌災害監(jiān)測分為臨災預警和趨勢監(jiān)測。利用低精度傳感器觸發(fā)模式，設備以超低功耗工作狀態(tài)實現(xiàn)崩塌監(jiān)測臨災預警功能；利用高精度傳感器觸發(fā)模式，設備以周期性數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài)實現(xiàn)崩塌趨勢監(jiān)測功能。試驗表明，高低精度雙加速度計崩塌監(jiān)測傳感器，超低功耗狀態(tài)可達13 μA，喚醒狀態(tài)可達31.92 μA，臨災預警可在1 s內將預警命令發(fā)出，趨勢監(jiān)測傾斜角度可達0.1%FS。

關鍵詞：崩塌監(jiān)測；STM32；超低功耗

中圖分類號：TN98 "文獻標志碼：A

0 引言

崩塌是一種在陡坡上的巖石體在自身重力作用下，脫離山體崩落，然后滾至山體坡腳的災害活動［1-3］，是地質災害中較為常見的突發(fā)性災害類型。崩塌災害的早期預警，一直是巖土工程領域的熱點問題之一。

目前，國內外用于崩塌災害監(jiān)測的技術包括天基監(jiān)測技術、空基監(jiān)測技術和陸基監(jiān)測技術。其中，天基監(jiān)測技術是依靠衛(wèi)星雷達、光學影像等技術對地質災害發(fā)育情況進行分析監(jiān)控，主要包括光學衛(wèi)星影像技術、SAR圖像技術、衛(wèi)星定位技術、星載雷達技術等。空基監(jiān)測技術主要指遙感技術、遙測技術、GPS技術等，實現(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取國土資源、自然環(huán)境、地震災區(qū)等空間遙感信息。路基監(jiān)測技術主要利用一些物理變量、氣象參數(shù)等分析地質災害發(fā)育情況，包括測距、裂縫、測斜、地下水等監(jiān)測。

根據(jù)災害體所處位置的重要性、威脅人數(shù)以及可能造成的經濟損失，崩塌監(jiān)測分為3個級別險情。一級監(jiān)測是指威脅人數(shù)100人以上或威脅資產在500萬元以上的重大地質災害險情，監(jiān)測手段主要是遙感衛(wèi)星、攝影測量、便形成兩、深部位移等天-空-地一體化監(jiān)測。二級監(jiān)測是指威脅人數(shù)在10人以上或威脅資產在100萬元以上的中等地質災害險情，監(jiān)測手段主要以高精度地表位移、GPS技術［4］、遙感技術和氣象監(jiān)測等為主。三級監(jiān)測是指威脅人數(shù)在10人以下或威脅資產在100萬元以下的一般地質災害險情，監(jiān)測手段主要是以地表變形為主的監(jiān)測。三級監(jiān)測，又稱為普適型監(jiān)測。在普適型監(jiān)測中，首選成本低、功耗低、安裝便捷的普適型產品，其中位移監(jiān)測設備、傾角監(jiān)測設備等最為適用［5-6］。

1 總體設計

結合崩塌災害監(jiān)測設備布設的特點，針對現(xiàn)有崩塌監(jiān)測傳感器設備功耗高、通信距離近和設備流程復雜等問題，本文設計了一套基于LoRa技術的無線傳感網絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有雙加速度計的崩塌監(jiān)測傳感器，能夠對監(jiān)測體進行多點布設監(jiān)控。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

針對崩塌災害發(fā)生前期的相對位移和變形等特征，本文首先利用微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mech-anical System， MEMS）技術，設計具有低精度觸發(fā)、高精度測量的崩塌監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)實時監(jiān)測巖石的同時，降低設備功耗；其次，利用集成光伏充電技術，設計易攜帶、易安裝的小型化崩塌監(jiān)測傳感器，同時延長設備持續(xù)工作時間；再次融合以LoRa為主的物聯(lián)網無線通信技術，設計以被動發(fā)送為主的私有協(xié)議工作模式，簡化設備工作流程；最后，利用LoRa擴頻技術，提高無線通信距離，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

2 硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，硬件設計主要包括處理控制單元、充電管理單元、電源管理單元、時鐘與復位單元、數(shù)據(jù)存儲單元、低精度傳感器單元、高精度傳感器單元、模數(shù)轉換單元、LoRa通信單元、溫度采集單元、調試接口單元。硬件設計如圖2所示。

2.1 處理控制單元設計

處理器選用意法半導體推出的STM32L475。STM32L475基于Cortex-M4內核的ARM系列芯片，片內FLASH為512 KB，片內RAM為128 KB，主頻可達80 MHz。

STM32L475內部集成了16 bit DSP指令和浮點運行單元，采用自適應實時存儲加速器（Adaptive Real-Time Memory Accelerator， ART）技術以及內部的 "多重AHB總線矩陣和多通道DMA模塊，提升算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

2.2 低精度傳感器單元設計

低精度傳感器單元采用ADI公司的ADXL362傳感器，電路設計如圖3所示。ADXL362供電設計采用獨立電源3.3 V供電，可通過MCU獨立控制。ADXL362需要2種電，一種是VDDIO，用于IO供電，一般為數(shù)字電，使用0.1 μF去耦即可；一種是VS供電，須要使用磁珠和電容去耦，磁珠內阻須小于100 。布局設計主要考慮到在實際使用中，確保ADXL362應安裝在印刷電路板牢固安裝點附近位置，避免由印刷電路板振動導致測量誤差。

2.3 模數(shù)轉換單元設計

模數(shù)轉換單元主要是用于采集高精度傳感器。高精度傳感器采用SCA100T雙軸MEMS加速度傳感器。該傳感器芯片工作電壓為5 V，使用模擬輸出，分辨率達0.0035°。模數(shù)轉換芯片采用TI公司推出的ADS1256芯片。該芯片是一款微功耗、高精度、8通道、24位Δ-Σ高性能數(shù)模轉換器，能夠提供23 bit的無噪聲精度、數(shù)據(jù)率30 kSPS、內置輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等功能。模數(shù)轉換單元電路如圖4所示。

供電設計主要包括模擬供電和數(shù)字供電。模擬供電采用5 V電源，主要用于芯片工作電壓，最后一級采用LDO優(yōu)化電源質量，數(shù)字地和模擬地采用磁珠進行隔離。數(shù)字電采用3.3 V電源供電，與處理器進行數(shù)字通信。

參考電源VREF=VREFP-VREFN，根據(jù)手冊，參考電壓為2.5 V。根據(jù)實際使用需求，VREFP采用5 V，VREFN采用2.5 V。同時使用VREFP給須要采集的傳感器（SCA100T）供電。優(yōu)點是傳感器帶來的電壓波動同樣會反饋到參考電壓，消除誤差，最后換算的數(shù)字量是準確的。

針對輸入信號處理，本次設計主要采用差分設計方法，芯片內置高阻抗緩沖器，外部僅做簡單的RC濾波處理即可。

3 軟件設計

3.1 軟件模塊化設計

崩塌災害主要發(fā)生在條件惡劣的偏遠地區(qū)，對軟件的可靠性和強健性有較高要求。本系統(tǒng)采用基于Cortex-M4內核的程序設計，利用ST提供的函數(shù)庫進行開發(fā)。為了優(yōu)化系統(tǒng)功耗與資源利用，本系統(tǒng)采用后臺任務輪詢和前臺任務中斷相結合的運行模式并對軟件進行模塊化設計。軟件模塊劃分如圖5所示。

軟件模塊主要包括初始化模塊、電源管理模塊、傳感器采集模塊、異常處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LoRa通信模塊、協(xié)議解析模塊、硬件自檢模塊、調試接口模塊、中斷服務模塊。

其中，初始化模塊主要是在系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)運行頻率、硬件接口、IO管腳等進行初始化處理。電源管理模塊主要是對系統(tǒng)進行電池充電管理、多種低功耗運行狀態(tài)管理等。傳感器采集模塊主要是對高低精度微機電系統(tǒng)加速度計傳感器配置與采集。異常模塊主要是提高軟件運行可靠性。LoRa通信模塊主要是處理LoRa通信MAC協(xié)議以及參數(shù)配置。協(xié)議解析模塊主要是處理LoRa通信應用層協(xié)議以及參數(shù)配置。硬件自檢模塊主要是對設備內部溫度、電池電壓、太陽能電壓進行采集。調試接口模塊主要包括TTL串口和JTAG接口。中斷服務模塊主要包括低精度傳感器中斷、通信接收中斷、RTC定時中斷。

3.2 軟件流程設計

系統(tǒng)軟件主流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先對設備硬件和其他外設進行初始化，然后進行硬件自檢并將自檢結果打印、保存。初始化成功后，系統(tǒng)對傳感器進行參數(shù)配置，然后根據(jù)硬件自檢結果設置低功耗模式標記，進入相應的低功耗模式。

通過中斷服務，系統(tǒng)可從低功耗模式中退出并進行主程序任務輪詢。首先進行軟件狀態(tài)檢查，主要是對軟件狀態(tài)的一些監(jiān)控，包括看門狗重啟狀態(tài)、主程序計時、軟件重啟等情況并作出相應處理，保證軟件運行的可靠性。主程序任務主要包括觸發(fā)任務處理、周期任務處理和命令任務處理。其中，觸發(fā)任務的條件為低精度傳感器觸發(fā)中斷，須要對低精度傳感器數(shù)據(jù)進行采集并處理，確認是否為真實觸發(fā)。如果是真實觸發(fā)，則須要對高精度傳感器數(shù)據(jù)進行采集并處理，然后發(fā)送到指定數(shù)據(jù)云平臺，以便于相關專業(yè)人員進行預警分析。周期任務的條件為RTC定時周期時間，須要將當前高精度傳感器數(shù)據(jù)、硬件狀態(tài)等信息發(fā)送到指定數(shù)據(jù)云平臺，以便于數(shù)據(jù)分析與設備維護。命令任務處理條件為通信接收中斷，主要包括對設備參數(shù)配置與狀態(tài)提取。

4 試驗驗證

4.1 傾斜精度測試

為提高傳感器傾斜測量精度，本文采用標定臺對傳感器進行傾斜標定。產品傾斜測量范圍為±30°，分別在0°、1°、2°、4°、8°、10°、14°、18°、22°、26°、30°、-1°、-2°、-4°、-8°、-10°、-14°、-18°、-22°、-26°、-30°數(shù)值時進行數(shù)據(jù)采集，每個點多次測量取平均值，然后進行3次曲線標定。標定數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出該無線傾角傳感器測量精度均在0.1%FS內，能夠滿足大多數(shù)領域對角度測量精度的要求。

4.2 LoRa通信距離

通信距離測試主要是針對相對空曠環(huán)境和遮擋環(huán)境進行測試，采用一對一雙向通信方式，每次發(fā)送10個數(shù)據(jù)包，循環(huán)發(fā)送3次。測試記錄如表2所示。空曠、遮擋、防火塔測試環(huán)境如圖7所示。

4.3 低功耗測試

崩塌監(jiān)測傳感器主要分為4個工作狀態(tài)，分別是監(jiān)聽模式、運行模式、接收模式和發(fā)送模式。公路運輸試驗條件如表3所示。

監(jiān)聽模式P1是傳感器長期處于低功耗的一種狀態(tài)，一次完整的CAD監(jiān)聽過程需要32ms，過程如下（見圖8）。1-喚醒低速運行：6.8ms，48mV@30ohm。2-低速運行+LoRa休眠：8ms，88mV@30ohm。3-低速運行+LoRa CAD監(jiān)聽：0.5ms，368mV@30ohm。4-低速運行+LoRa待機：13.7ms，108mV@30ohm。5-MSI運行，休眠：3ms，48mV@30ohm。

平均5 s進行一次CAD監(jiān)聽，休眠功耗為13 μA，平均功耗：

（6.8×48+8×88+0.5×368+13.7×108+3×48）/（30×5000） μA+13 μA=18.92 μA+13 μA=31.92 μA

5 結語

本文針對普適性監(jiān)測產品的需求，設計了基于STM32和高低精度雙加速度計的崩塌監(jiān)測傳感器，其中低精度加速度計可以在相當?shù)偷墓臓顟B(tài)下（約13 μA），保持觸發(fā)功能，適用于崩塌災害在崩落時大幅度動作的臨災預警監(jiān)測，同時利用LoRa無線傳輸技術，能夠在一定時間（1 s以內）將預警信號發(fā)送給附近網關，從而及時預警。高精度加速度計傳感器能夠以一定周期（一般1 h間隔時間以上）精確地監(jiān)測崩塌災害體的微變化，從而能夠提前關注并結合其他監(jiān)測設備數(shù)據(jù)進行分析，達到趨勢預警的目的。該產品完成了防水防塵、溫循、濕熱、振動等多種可靠性試驗并成功應用在全國多個項目和示范點。

參考文獻

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of landslip monitoring sensor of ultra-low power consumption based on STM32

ZHANG" Tingting， SUN" Guixin， DONG" Jianxun， DU" Wenheng

（Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co.， Ltd.， Beijing 100074， China）

Abstract：" In response to the contradiction between real-time performance， power consumption， and accuracy of traditional landslide monitoring equipment， the article adopts a method based on STM32 and high and low precision sensors to achieve high real-time， ultra-low power consumption， and high-precision landslide disaster monitoring. The monitoring of landslide disasters is divided into emergency warning and trend monitoring. By using low precision sensor triggering mode， the device achieves collapse monitoring and disaster warning function in an ultra-low power consumption working state. By utilizing high-precision sensors， the equipment achieves the monitoring of collapse trends through periodic data collection of working status. Experiments have shown that the high-precision dual accelerometer collapse monitoring sensor can achieve an ultra-low power consumption state of 13 μA and a wake-up state of 31.92 μA. The disaster warning command can be issued within 1 s， and the trend monitoring tilt angle can reach 0.1% FS.

Key words： landslip monitoring; STM32; ultra-low power consumption