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山區(qū)地帶最為常見、最易發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，能在短時間內(nèi)迅速掩埋或摧毀鐵路公路、涵洞、路基橋梁等設(shè)施，嚴(yán)重影響道路運輸安全。近年來，國內(nèi)高速公路的建設(shè)步伐不斷加快，通車?yán)锍滩粩嘞蚱h地區(qū)延伸，山區(qū)路段受地理地質(zhì)因素限制，建設(shè)過程中不可避免會出現(xiàn)一些危險巖石。如何根據(jù)偏遠地區(qū)特殊的地形地貌因素，對公路危巖體災(zāi)變進行有效的監(jiān)測和脫落預(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)和運營期間人員傷亡事件與社會經(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(jiān)測現(xiàn)狀
滑坡監(jiān)測內(nèi)容主要是以下幾個方面：地面變形、地下變形、應(yīng)力觀測、降水、地下水觀測、地震、環(huán)境因素和宏觀觀測等。隨著技術(shù)的發(fā)展，觀測方式也逐漸向高精度化、定量化發(fā)展，觀測方法有了較大的發(fā)展。常用的觀測方法及特點見下表1。
表1 滑坡監(jiān)測技術(shù)方法
由上表可以看出，不同監(jiān)測方法的監(jiān)測重點不同，還有各自的適用性及不足。就宏觀觀測來看，工程師一般選擇簡單經(jīng)濟，直觀可靠，且判斷較為準(zhǔn)確的方式來實現(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)測解決方案，該方案可以利用傾斜儀測量法來判定滑坡狀態(tài)。
二、ADI滑坡監(jiān)測解決方案
1.測量原理
傾斜類儀器通常分為測斜儀和傾斜儀兩類：用于鉆孔中測斜管內(nèi)的儀器，習(xí)慣上稱之為測斜儀；而設(shè)置在基巖或者建筑物表面，用做測定某一轉(zhuǎn)動量，或者某一點相對于另一點垂直位移量的儀器稱之為傾斜儀，即表面傾角計。
滑坡變形下滑過程中必然會導(dǎo)致滑坡體表面的角度值變化。因此對表面傾角的監(jiān)測也可以在另一個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來計算。傾斜儀是監(jiān)測坡體水平傾斜或者垂直傾斜的觀測儀器，一般應(yīng)用場景如下圖：
圖1 危巖體監(jiān)測
圖2 滑坡監(jiān)測
2.系統(tǒng)框圖
下圖3為ADI滑坡監(jiān)測的信號鏈。利用高精度加速度計ADXL355/7和低功耗MCU MAX32660來完成傾角計算和滑坡監(jiān)測判斷。
圖3 系統(tǒng)框圖
3.方案介紹
加速度計介紹
常見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)的不斷進步，其在溫漂、抗腐蝕性和長期穩(wěn)定性上更有優(yōu)勢，在很多應(yīng)用上已經(jīng)開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)品來滿足不同的應(yīng)用場景監(jiān)測，同時能保持優(yōu)良的噪聲性能。
表2 ADI加速度計產(chǎn)品參數(shù)對比
如表2所示，通過上表的對比可以很直觀地看出ADI加速度計產(chǎn)品的主要特點。ADXL355和ADXL357高精度、低噪聲、寬量程范圍以及ADXL367低功耗等特點。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(yīng)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)時能檢測極低的震動頻率，同時具有更高分辨率、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)測系統(tǒng)中基本都是太陽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。ADI滑坡監(jiān)測方案中推薦的MAX32660主要特點是性價比較高，可以滿足客戶對低成本設(shè)計的需求，但是處理器性能和資源表現(xiàn)不突出。如果用戶對產(chǎn)品設(shè)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(nèi)部集成12位ADC和加密算法。另外對于有藍牙通信應(yīng)用的設(shè)計需求，推薦使用MAX32666，該處理器集成有藍牙5.0協(xié)議棧，用戶可直接開發(fā)應(yīng)用程序，外部可省去單獨藍牙模塊。MAX32660，MAX32672和MAX32666的詳細參數(shù)對比參考下表3：
表3 MAX32660，MAX32672和MAX32666詳細參數(shù)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(shù)字遙測系統(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
—適用于太陽能板輸入的輸入 MPPT
（2）開關(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）
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受到重力作用，因此會有1g 的重力加速度。利用這個性質(zhì)，通過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(jù)以上原理，一個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。可是由于物體在空間傾斜的時候，很難保證傾斜完全在 X-Y 平面上，這樣只使用2 軸加速度傳感器進行測量會存在局限性，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：這個公式就是本文中用來測量物體傾斜角度的基本原理。需要說明的是，這里利用的是物體在靜止時受到重力的性質(zhì)，如果物體同時也有運動加速度的話，那么這個公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個限制條件，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(shù)字輸出的加速度傳感器，直接通過I2C 或SPI 總線讀取；對于模擬輸出的加速度傳感器，需要通過ADC 進行采樣。在算法說明部分將不對此加以區(qū)分。）
b、計算AX2+ AZ2+ AY2如果這個平方和接近1g 的平方，那么說明這組采樣值是有效的可以用來計算；否則將該采樣值丟棄，重復(fù)第一步。
c、利用有效的采樣值，通過開平方和反正切函數(shù)等數(shù)學(xué)計算，求出傾斜角度
四、總結(jié)
ADI可以為滑坡監(jiān)測這類產(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，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)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。