ADI危巖體滑坡監測解決方案

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)災害。山體滑坡、危巖體滑坡也是我國山區地帶最為常見(jiàn)、最易發(fā)的地質(zhì)災害，能在短時(shí)間內迅速掩埋或摧毀鐵路公路、涵洞、路基橋梁等設施，嚴重影響道路運輸安全。近年來(lái)，國內高速公路的建設步伐不斷加快，通車(chē)里程不斷向偏遠地區延伸，山區路段受地理地質(zhì)因素限制，建設過(guò)程中不可避免會(huì )出現一些危險巖石。如何根據偏遠地區特殊的地形地貌因素，對公路危巖體災變進(jìn)行有效的監測和脫落預警，從而有效防止出現嚴重垮塌災害事件，降低公路工程建設和運營(yíng)期間人員傷亡事件與社會(huì )經(jīng)濟損失，已成為交通行業(yè)亟待解決的工程難題。

一、危巖體滑坡監測現狀

滑坡監測內容主要是以下幾個(gè)方面：地面變形、地下變形、應力觀(guān)測、降水、地下水觀(guān)測、地震、環(huán)境因素和宏觀(guān)觀(guān)測等。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，觀(guān)測方式也逐漸向高精度化、定量化發(fā)展，觀(guān)測方法有了較大的發(fā)展。常用的觀(guān)測方法及特點(diǎn)見(jiàn)下表1。

表1 滑坡監測技術(shù)方法

由上表可以看出，不同監測方法的監測重點(diǎn)不同，還有各自的適用性及不足。就宏觀(guān)觀(guān)測來(lái)看，工程師一般選擇簡(jiǎn)單經(jīng)濟，直觀(guān)可靠，且判斷較為準確的方式來(lái)實(shí)現滑坡預警功能。技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang介紹了ADI滑坡監測解決方案，該方案可以利用傾斜儀測量法來(lái)判定滑坡?tīng)顟B(tài)。

二、ADI滑坡監測解決方案

1.測量原理

傾斜類(lèi)儀器通常分為測斜儀和傾斜儀兩類(lèi)：用于鉆孔中測斜管內的儀器，習慣上稱(chēng)之為測斜儀；而設置在基巖或者建筑物表面，用做測定某一轉動(dòng)量，或者某一點(diǎn)相對于另一點(diǎn)垂直位移量的儀器稱(chēng)之為傾斜儀，即表面傾角計。

滑坡變形下滑過(guò)程中必然會(huì )導致滑坡體表面的角度值變化。因此對表面傾角的監測也可以在另一個(gè)角度上反映滑坡的穩定狀態(tài)。傾角的變化可利用加速度計來(lái)計算。傾斜儀是監測坡體水平傾斜或者垂直傾斜的觀(guān)測儀器，一般應用場(chǎng)景如下圖：

圖1 危巖體監測

圖2 滑坡監測

2.系統框圖

下圖3為ADI滑坡監測的信號鏈。利用高精度加速度計ADXL355/7和低功耗MCU MAX32660來(lái)完成傾角計算和滑坡監測判斷。

圖3 系統框圖

3.方案介紹 

加速度計介紹

常見(jiàn)的加速度傳感器主要有壓電陶瓷、應變式、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(zhù)MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在溫漂、抗腐蝕性和長(cháng)期穩定性上更有優(yōu)勢，在很多應用上已經(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(mǎn)足不同的應用場(chǎng)景監測，同時(shí)能保持優(yōu)良的噪聲性能。

表2 ADI加速度計產(chǎn)品參數對比

如表2所示，通過(guò)上表的對比可以很直觀(guān)地看出ADI加速度計產(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，應力對它們的影響更小。而且它們還具有更好的工業(yè)抗腐蝕性以及長(cháng)期穩定性。

與壓電式加速度傳感器相比，MEMS加速度傳感器在直流響應時(shí)能檢測極低的震動(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，同性能參數下成本也更低。

MCU介紹

滑坡監測系統中基本都是太陽(yáng)能和可充電鋰電池供電，所以對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滑坡監測方案中推薦的MAX32660主要特點(diǎn)是性?xún)r(jià)比較高，可以滿(mǎn)足客戶(hù)對低成本設計的需求，但是處理器性能和資源表現不突出。如果用戶(hù)對產(chǎn)品設計性能有較高的要求，推薦使用MAX32672，功耗只有48μW/MHz At 12Mhz，并且內部集成12位ADC和加密算法。另外對于有藍牙通信應用的設計需求，推薦使用MAX32666，該處理器集成有藍牙5.0協(xié)議棧，用戶(hù)可直接開(kāi)發(fā)應用程序，外部可省去單獨藍牙模塊。MAX32660，MAX32672和MAX32666的詳細參數對比參考下表3：

表3 MAX32660，MAX32672和MAX32666詳細參數對比

電源介紹

（1）電池充電控制器

LTC4162：

—采用 PowerPath 和 I2C 遙測技術(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 位數字遙測系統可監控 VBAT、IBAT、RBAT、TBAT、VIN、IIN、VOUT

—可為 1-8 節鋰離子/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(xiàn)性調節器

—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負載）

—初始精度：±1%

三、傾角計算

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，可以計算出其在垂直平面上的傾斜角度。

如上圖所示，有

根據以上原理，一個(gè)2 軸加速度傳感器可以測量在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量 X 軸和Y 軸上的重力分量，因而只能測量 X-Y平面上的傾斜角度?？墒怯捎谖矬w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量X 軸、Y 軸和Z 軸的重力分量，計算空間傾斜角度。

注：這個(gè)公式就是本文中用來(lái)測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)也有運動(dòng)加速度的話(huà)，那么這個(gè)公式將不再準確。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、測量X、Y、Z 軸的加速度Ax 、Ay 、Az 。（對于數字輸出的加速度傳感器，直接通過(guò)I2C 或SPI 總線(xiàn)讀??；對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)明部分將不對此加以區分。）

b、計算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)計算；否則將該采樣值丟棄，重復第一步。

c、利用有效的采樣值，通過(guò)開(kāi)平方和反正切函數等數學(xué)計算，求出傾斜角度

四、總結

ADI可以為滑坡監測這類(lèi)產(chǎn)品的應用提供完整的方案。包括低功耗，低噪聲和高精度加速度計，低功耗高性能的MCU以及低功耗電源。用戶(hù)可根據產(chǎn)品實(shí)際應用環(huán)境選擇最合適器件以及最優(yōu)方案。Excelpoint世健為客戶(hù)提供技術(shù)支持，有助于客戶(hù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品應用部署。 

關(guān)于世健——亞太區領(lǐng)先的元器件授權代理商

 世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠(chǎng)商包括原設備生產(chǎn)商(OEM)、原設計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設計及供應鏈管理服務(wù)。

  世健與供應商及電子廠(chǎng)商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶(hù)把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心，專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng )造新的解決方案，幫助客戶(hù)提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè)、無(wú)線(xiàn)通信及消費電子等領(lǐng)域。
           世健總部設于新加坡，擁有超過(guò)700名員工，世健的業(yè)務(wù)已擴展至亞太區的49個(gè)城市和地區，遍及新加坡、馬來(lái)西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團在2021年的年營(yíng)業(yè)額超過(guò)16億美元。1993年，世健在香港設立區域總部——世健系統（香港）有限公司，正式開(kāi)始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現場(chǎng)應用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內享有領(lǐng)先地位。