滑坡在地質(zhì)學(xué)中被定義為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害。山體滑坡、危巖體滑坡也是我國(guó)山區(qū)地帶最為常見(jiàn)、最易發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，能在短時(shí)間內(nèi)迅速掩埋或摧毀鐵路公路、涵洞、路基橋梁等設(shè)施，嚴(yán)重影響道路運(yùn)輸安全。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高速公路的建設(shè)步伐不斷加快，通車?yán)锍滩粩嘞蚱h(yuǎn)地區(qū)延伸，山區(qū)路段受地理地質(zhì)因素限制，建設(shè)過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)巖石。如何根據(jù)偏遠(yuǎn)地區(qū)特殊的地形地貌因素，對(duì)公路危巖體災(zāi)變進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和脫落預(yù)警，從而有效防止出現(xiàn)嚴(yán)重垮塌災(zāi)害事件，降低公路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間人員傷亡事件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，已成為交通行業(yè)亟待解決的工程難題。
一、危巖體滑坡監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀
滑坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要是以下幾個(gè)方面：地面變形、地下變形、應(yīng)力觀測(cè)、降水、地下水觀測(cè)、地震、環(huán)境因素和宏觀觀測(cè)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)方式也逐漸向高精度化、定量化發(fā)展，觀測(cè)方法有了較大的發(fā)展。常用的觀測(cè)方法及特點(diǎn)見(jiàn)下表1。
表1 滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)方法
由上表可以看出，不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)不同，還有各自的適用性及不足。就宏觀觀測(cè)來(lái)看，工程師一般選擇簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，直觀可靠，且判斷較為準(zhǔn)確的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警功能。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang介紹了ADI滑坡監(jiān)測(cè)解決方案，該方案可以利用傾斜儀測(cè)量法來(lái)判定滑坡?tīng)顟B(tài)。
二、ADI滑坡監(jiān)測(cè)解決方案
1.測(cè)量原理
傾斜類儀器通常分為測(cè)斜儀和傾斜儀兩類：用于鉆孔中測(cè)斜管內(nèi)的儀器，習(xí)慣上稱之為測(cè)斜儀；而設(shè)置在基巖或者建筑物表面，用做測(cè)定某一轉(zhuǎn)動(dòng)量，或者某一點(diǎn)相對(duì)于另一點(diǎn)垂直位移量的儀器稱之為傾斜儀，即表面傾角計(jì)。
滑坡變形下滑過(guò)程中必然會(huì)導(dǎo)致滑坡體表面的角度值變化。因此對(duì)表面傾角的監(jiān)測(cè)也可以在另一個(gè)角度上反映滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。傾角的變化可利用加速度計(jì)來(lái)計(jì)算。傾斜儀是監(jiān)測(cè)坡體水平傾斜或者垂直傾斜的觀測(cè)儀器，一般應(yīng)用場(chǎng)景如下圖：
圖1 危巖體監(jiān)測(cè)
圖2 滑坡監(jiān)測(cè)
2.系統(tǒng)框圖
下圖3為ADI滑坡監(jiān)測(cè)的信號(hào)鏈。利用高精度加速度計(jì)ADXL355/7和低功耗MCU MAX32660來(lái)完成傾角計(jì)算和滑坡監(jiān)測(cè)判斷。
圖3 系統(tǒng)框圖
3.方案介紹
加速度計(jì)介紹
常見(jiàn)的加速度傳感器主要有壓電陶瓷、應(yīng)變式、電容式加速度傳感器和MEMS加速度傳感器。目前市面上選用較多的是壓電陶瓷加速度傳感器。但隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在溫漂、抗腐蝕性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上更有優(yōu)勢(shì)，在很多應(yīng)用上已經(jīng)開(kāi)始逐步替代壓電陶瓷傳感器。ADI在MEMS加速度傳感器產(chǎn)品上可以提供豐富的產(chǎn)品來(lái)滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景監(jiān)測(cè)，同時(shí)能保持優(yōu)良的噪聲性能。
表2 ADI加速度計(jì)產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比
如表2所示，通過(guò)上表的對(duì)比可以很直觀地看出ADI加速度計(jì)產(chǎn)品的主要特點(diǎn)。ADXL355和ADXL357高精度、低噪聲、寬量程范圍以及ADXL367低功耗等特點(diǎn)。此外ADXL355和ADXL357外殼使用陶瓷封裝，相比較于塑殼封裝加速度計(jì)，應(yīng)力對(duì)它們的影響更小。而且它們還具有更好的工業(yè)抗腐蝕性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
與壓電式加速度傳感器相比，MEMS加速度傳感器在直流響應(yīng)時(shí)能檢測(cè)極低的震動(dòng)頻率，同時(shí)具有更高分辨率、更出色的漂移特性和靈敏度，同性能參數(shù)下成本也更低。
MCU介紹
滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中基本都是太陽(yáng)能和可充電鋰電池供電，所以對(duì)MCU低功耗特性要求比較高。而Maxim系列MCU也主打低功耗特點(diǎn)。ADI滑坡監(jiān)測(cè)方案中推薦的MAX32660主要特點(diǎn)是性價(jià)比較高，可以滿足客戶對(duì)低成本設(shè)計(jì)的需求，但是處理器性能和資源表現(xiàn)不突出。如果用戶對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能有較高的要求，推薦使用MAX32672，功耗只有48μW/MHz At 12Mhz，并且內(nèi)部集成12位ADC和加密算法。另外對(duì)于有藍(lán)牙通信應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，推薦使用MAX32666，該處理器集成有藍(lán)牙5.0協(xié)議棧，用戶可直接開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，外部可省去單獨(dú)藍(lán)牙模塊。MAX32660，MAX32672和MAX32666的詳細(xì)參數(shù)對(duì)比參考下表3：
表3 MAX32660，MAX32672和MAX32666詳細(xì)參數(shù)對(duì)比
電源介紹
?。?）電池充電控制器
LTC4162：
—采用 PowerPath 和 I2C 遙測(cè)技術(shù) 35V/3.2A 多電池鋰離子降壓電池充電器
—采用端接技術(shù)的鋰離子/聚合物電池充電器
—寬充電輸入電壓范圍：4.5V 至 35V
—16 位數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)控 VBAT、IBAT、RBAT、TBAT、VIN、IIN、VOUT
—可為 1-8 節(jié)鋰離子/聚合物電池充電
—輸入欠壓充電電流限制環(huán)路
—適用于太陽(yáng)能板輸入的輸入 MPPT
（2）開(kāi)關(guān)電源和LDO
LT8606：
—具有 2.5μA 靜態(tài)電流的 42V、350mA 同步降壓型穩(wěn)壓器，
—輸出紋波<10mVP-P，
—高效率2MHz同步操作：>92%效率（0.35A，12VIN至5VOUT時(shí)）
ADP162:
—超低靜態(tài)電流( 560 nA)、150 mA CMOS線性調(diào)節(jié)器
—輸入電壓范圍：2.2 V至5.5 V
—低關(guān)斷電流：小于50 nA（典型值）
—低壓差：195 mV（150 mA負(fù)載）
—初始精度：±1%
三、傾角計(jì)算
1.原理
由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有1g 的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量重力加速度在加速度傳感器的X 軸和Y 軸上的分量，可以計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度。
如上圖所示，有
根據(jù)以上原理，一個(gè)2 軸加速度傳感器可以測(cè)量在X-Y 平面上的傾斜角度。
需要注意的是，2 軸加速度傳感器只能測(cè)量 X 軸和Y 軸上的重力分量，因而只能測(cè)量 X-Y平面上的傾斜角度。可是由于物體在空間傾斜的時(shí)候，很難保證傾斜完全在 X-Y 平面上，這樣只使用2 軸加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量會(huì)存在局限性，因此，我們考慮使用3 軸加速度傳感器。如下圖所示，3 軸加速度傳感器可以測(cè)量X 軸、Y 軸和Z 軸的重力分量，計(jì)算空間傾斜角度。
注：這個(gè)公式就是本文中用來(lái)測(cè)量物體傾斜角度的基本原理。需要說(shuō)明的是，這里利用的是物體在靜止時(shí)受到重力的性質(zhì)，如果物體同時(shí)也有運(yùn)動(dòng)加速度的話，那么這個(gè)公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個(gè)限制條件，即：（新增加如下公式）
2.步驟
a、測(cè)量X、Y、Z 軸的加速度Ax 、Ay 、Az 。（對(duì)于數(shù)字輸出的加速度傳感器，直接通過(guò)I2C 或SPI 總線讀?。粚?duì)于模擬輸出的加速度傳感器，需要通過(guò)ADC 進(jìn)行采樣。在算法說(shuō)明部分將不對(duì)此加以區(qū)分。）
b、計(jì)算AX2+ AZ2+ AY2如果這個(gè)平方和接近1g 的平方，那么說(shuō)明這組采樣值是有效的可以用來(lái)計(jì)算；否則將該采樣值丟棄，重復(fù)第一步。
c、利用有效的采樣值，通過(guò)開(kāi)平方和反正切函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算，求出傾斜角度
四、總結(jié)
ADI可以為滑坡監(jiān)測(cè)這類產(chǎn)品的應(yīng)用提供完整的方案。包括低功耗，低噪聲和高精度加速度計(jì)，低功耗高性能的MCU以及低功耗電源。用戶可根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選擇最合適器件以及最優(yōu)方案。Excelpoint世健為客戶提供技術(shù)支持，有助于客戶縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。