ADI危岩体滑坡监测解决方案

作者：Excelpoint世健

滑坡在地质学中被定义为仅次于地震的第二大地质灾害。山体滑坡、危岩体滑坡也是我国山区地带最为常见、最易发的地质灾害，能在短时间内迅速掩埋或摧毁铁路公路、涵洞、路基桥梁等设施，严重影响道路运输安全。近年来，国内高速公路的建设步伐不断加快，通车里程不断向偏远地区延伸，山区路段受地理地质因素限制，建设过程中不可避免会出现一些危险岩石。如何根据偏远地区特殊的地形地貌因素，对公路危岩体灾变进行有效的监测和脱落预警，从而有效防止出现严重垮塌灾害事件，降低公路工程建设和运营期间人员伤亡事件与社会经济损失，已成为交通行业亟待解决的工程难题。

一、危岩体滑坡监测现状

滑坡监测内容主要是以下几个方面：地面变形、地下变形、应力观测、降水、地下水观测、地震、环境因素和宏观观测等。随着技术的发展，观测方式也逐渐向高精度化、定量化发展，观测方法有了较大的发展。常用的观测方法及特点见下表1。

表1 滑坡监测技术方法


由上表可以看出，不同监测方法的监测重点不同，还有各自的适用性及不足。就宏观观测来看，工程师一般选择简单经济，直观可靠，且判断较为准确的方式来实现滑坡预警功能。技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Galen Zhang介绍了ADI滑坡监测解决方案，该方案可以利用倾斜仪测量法来判定滑坡状态。

二、ADI滑坡监测解决方案

1.测量原理

倾斜类仪器通常分为测斜仪和倾斜仪两类：用于钻孔中测斜管内的仪器，习惯上称之为测斜仪；而设置在基岩或者建筑物表面，用做测定某一转动量，或者某一点相对于另一点垂直位移量的仪器称之为倾斜仪，即表面倾角计。

滑坡变形下滑过程中必然会导致滑坡体表面的角度值变化。因此对表面倾角的监测也可以在另一个角度上反映滑坡的稳定状态。倾角的变化可利用加速度计来计算。倾斜仪是监测坡体水平倾斜或者垂直倾斜的观测仪器，一般应用场景如下图：


图1 危岩体监测


图2 滑坡监测

2.系统框图

下图3为ADI滑坡监测的信号链。利用高精度加速度计ADXL355/7和低功耗MCU MAX32660来完成倾角计算和滑坡监测判断。


图3 系统框图

3.方案介绍  

加速度计介绍

常见的加速度传感器主要有压电陶瓷、应变式、电容式加速度传感器和MEMS加速度传感器。目前市面上选用较多的是压电陶瓷加速度传感器。但随着MEMS技术的不断进步，其在温漂、抗腐蚀性和长期稳定性上更有优势，在很多应用上已经开始逐步替代压电陶瓷传感器。ADI在MEMS加速度传感器产品上可以提供丰富的产品来满足不同的应用场景监测，同时能保持优良的噪声性能。

表2 ADI加速度计产品参数对比


如表2所示，通过上表的对比可以很直观地看出ADI加速度计产品的主要特点。ADXL355和ADXL357高精度、低噪声、宽量程范围以及ADXL367低功耗等特点。此外ADXL355和ADXL357外壳使用陶瓷封装，相比较于塑壳封装加速度计，应力对它们的影响更小。而且它们还具有更好的工业抗腐蚀性以及长期稳定性。

与压电式加速度传感器相比，MEMS加速度传感器在直流响应时能检测极低的震动频率，同时具有更高分辨率、更出色的漂移特性和灵敏度，同性能参数下成本也更低。

MCU介绍

滑坡监测系统中基本都是太阳能和可充电锂电池供电，所以对MCU低功耗特性要求比较高。而Maxim系列MCU也主打低功耗特点。ADI滑坡监测方案中推荐的MAX32660主要特点是性价比较高，可以满足客户对低成本设计的需求，但是处理器性能和资源表现不突出。如果用户对产品设计性能有较高的要求，推荐使用MAX32672，功耗只有48μW/MHz At 12Mhz，并且内部集成12位ADC和加密算法。另外对于有蓝牙通信应用的设计需求，推荐使用MAX32666，该处理器集成有蓝牙5.0协议栈，用户可直接开发应用程序，外部可省去单独蓝牙模块。MAX32660，MAX32672和MAX32666的详细参数对比参考下表3：

表3 MAX32660，MAX32672和MAX32666详细参数对比


电源介绍

（1）电池充电控制器

LTC4162：
—采用 PowerPath 和 I2C 遥测技术 35V/3.2A 多电池锂离子降压电池充电器
—采用端接技术的锂离子/聚合物电池充电器
—宽充电输入电压范围：4.5V 至 35V
—16 位数字遥测系统可监控 VBAT、IBAT、RBAT、TBAT、VIN、IIN、VOUT
—可为 1-8 节锂离子/聚合物电池充电
—输入欠压充电电流限制环路
—适用于太阳能板输入的输入 MPPT

（2）开关电源和LDO

LT8606：
—具有 2.5μA 静态电流的 42V、350mA 同步降压型稳压器，
—输出纹波<10mVP-P，
—高效率2MHz同步操作：>92%效率（0.35A，12VIN至5VOUT时）
ADP162:
—超低静态电流( 560 nA)、150 mA CMOS线性调节器
—输入电压范围：2.2 V至5.5 V
—低关断电流：小于50 nA（典型值）
—低压差：195 mV（150 mA负载）
—初始精度：±1%

三、倾角计算

1.原理

由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X 轴和Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。



如上图所示，有



根据以上原理，一个2 轴加速度传感器可以测量在X-Y 平面上的倾斜角度。

需要注意的是，2 轴加速度传感器只能测量 X 轴和Y 轴上的重力分量，因而只能测量 X-Y平面上的倾斜角度。可是由于物体在空间倾斜的时候，很难保证倾斜完全在 X-Y 平面上，这样只使用2 轴加速度传感器进行测量会存在局限性，因此，我们考虑使用3 轴加速度传感器。如下图所示，3 轴加速度传感器可以测量X 轴、Y 轴和Z 轴的重力分量，计算空间倾斜角度。





注：这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。需要说明的是，这里利用的是物体在静止时受到重力的性质，如果物体同时也有运动加速度的话，那么这个公式将不再准确。所以必须为公式增加一个限制条件，即：（新增加如下公式）



2.步骤

a、测量X、Y、Z 轴的加速度Ax 、Ay 、Az 。（对于数字输出的加速度传感器，直接通过I2C 或SPI 总线读取；对于模拟输出的加速度传感器，需要通过ADC 进行采样。在算法说明部分将不对此加以区分。）

b、计算AX2+ AZ2+ AY2如果这个平方和接近1g 的平方，那么说明这组采样值是有效的可以用来计算；否则将该采样值丢弃，重复第一步。

c、利用有效的采样值，通过开平方和反正切函数等数学计算，求出倾斜角度



四、总结

ADI可以为滑坡监测这类产品的应用提供完整的方案。包括低功耗，低噪声和高精度加速度计，低功耗高性能的MCU以及低功耗电源。用户可根据产品实际应用环境选择最合适器件以及最优方案。Excelpoint世健为客户提供技术支持，有助于客户缩短产品开发周期，加快产品应用部署。