基于MEMS的滑坡长期监测仪器研发

潘彦文 王宝军

摘要：我国滑坡灾害多发，滑坡灾害的实时监测能够对灾害进行有效预警。为了实现野外长期监测，文章设计了一款基于MEMS的滑坡监测仪器，同时设计了一种无源唤醒的低功耗动态调整方案。目前，该仪器已应用于野外灾害点，并获取长期稳定的数据，实现了对滑坡灾害的连续监测。

关键词：滑坡；监测；预警；MEMS

中图分类号：P64  文献标志码： A

0 引  言

我国是滑坡灾害多发的国家，对滑坡进行科学的监测预报能够减少人员伤亡和经济损失。滑坡监测内容包括地表变形、地下变形、地声、应变、水文及降水量等因素［1］。而滑坡形成过程中的力（如土压力、支挡结构受力等）和位移（变形）的动态变化可直接反映滑坡的动态发展过程，是监测预警的主要指标［2］。MEMS加速度传感器可用于倾斜度检测、运动检测、定位侦测、振动侦测等各种侦测活动［3］。

因此，本文设计了一款基于MEMS的滑坡监测仪器，通过加速度指标对滑坡动态进行实时监测，同时通过低功耗设计，实现野外长期监测。

1 主控板电路

基于MEMS的滑坡监测仪器的主控板电路系统如图1所示，其功能主要有3方面内容：一是对环境信息采集、处理，并上传云平台；二是通过云端下发指令以达到远程唤醒4G DTU模块；三是设置采集间隔和上传间隔。该系统由主控板、4G DTU模块、电量采集模块、MPU6050模块组成。

4G DTU模块主要用于仪器与云平台的通信，实现数据的上传；电量采集模块用于监测仪器的耗电情况，主要用于侧面判断仪器是否正常工作、剩余电量等；MPU6050模块为MEMS传感器，为报警仪器提供实时实地的加速度数据，是智能预警参数的主要来源之一。

主控板电路设计内容包括：主控芯片、通信连接、传感器设计、供电模块和存储模块。

1.1 主控芯片

本主控板采用STM32F103ZET6芯片，该模块采用精简指令集，同时具有标准和高级两种通信接口，兼容多种通信协议，外设较为丰富可以满足多种功能开发，具备低功耗优势并在低功耗模式下提供3种选择以便适合多种场景的开发，内部存储空间较大［4］，并且电路板结构简单、尺寸小、易搭建，可实现动态调节采集频率。

1.2 通信连接

本系统通信涉及主控板与MEMS加速度传感器之间的通信以及系统远程通信。为达到结构小尺寸、结构简单的目的，MEMS传感器集成于主板上，通过主控自带的TTL口配置MEMS传感器并获取其数据。系统远程通信通过接在主机上的4G DTU实现。4G DTU模块通过MQTT与云平台进行连接［5］。

1.3 传感器设计

MEMS加速度传感器用于测量实地加速度和倾角，所得数据作为判断滑坡的依据之一。传感器基于MPU6050六轴姿态角度传感芯片，可实时测量物体的运动姿态，并采用了卡尔曼滤波算法，有效过滤噪声，提高精度，具有低功耗、高性能、高稳定性等特点［6］。

1.4 供电模块

本主控板板载3类供电，分别为12 V，5 V，3.3 V。12 V为输出电压，通过DC-DC稳压器输出5 V电压，为继电器、温湿度传感器供电。5 V电压通过LT1585CM-3.3V稳压器输出3.3 V电压，为主控芯片、通信模块、存储模块供电。电路如图2所示。

1.5 存储模块

本主控板使用的存储芯片为W25Q64，可以保存设备的配置信息，以保证此类数据掉电不丢失［7］。

存储芯片的容量为64 Mb，并将8 M字节的容量分为128个块，每块分为16个扇区，每个扇区4 K个字节。W25Q64的最小擦除单位为一个扇区，因此，需要给W25Q64开辟一个至少4 K的缓存区，这要求芯片必须有4 K以上的SRAM。其原理如图3所示。

2 低功耗设计

MEMS监测仪器的动态监测与实时数据传输将消耗大量电能，监测参数的增加会导致电能消耗更加严重，增大电池容量又会增加仪器配重与仪器成本。因此，本文进行了低功耗智能MEMS电路板研发，以智能微处理器为核心数据采集及处理单元，通過选用低功耗器件，采用智能触发设备工作模式，提高主芯片效率，降低系统的整体功耗。此外，通过主控指标连续监测、动态唤醒以及安全睡眠等参数与信号传输方案对比，实现最佳功耗方案［8-10］。

2.1 功能设计

为了使设备在户外滑坡环境下以低功耗方式长期工作，本文设计了低功耗动态调整机制，逻辑如图4所示。

传感器通常布设在无人值守、无供电支持的野外环境中，若要实现不断电连续工作，需要一种无源唤醒系统。正常情况下系统处于低功耗运行模式，只有当传感器判断需要加密采集数据时，系统才会被唤醒，进而获得实时测量数据。

2.2 设计原理

本文设计了一款“传感器驱动开关”设备实现上述功能，设备的功能如图5所示。

2.2.1 设计技术参数

（1）传感器的输出为微弱电流，属于μA级别；

（2）电路设计输入电源为12 V/5 A；

（3）设计双路控制开关。

2.2.2 双路控制开关工作流程

（1）第一路（通断控制1）。

a. 使用μA级电流作为输入源，输出状态：导通/断开，控制负载设备的供电；

b. 初始默认：导通；

c. 当传感器的物理量达到阈值时，输出状态（通断控制2的状态）且状态被锁定；

d. 当通断控制1与通断控制2状态一致时，控制负载通电。

（2）第二路（通断控制2）。

a. 初始默认：断开；

b. 在负载通电后，可远程控制负载断开电源，此时通断控制2状态翻转，与通断控制1状态相反。

2.3 电路设计

低功耗设计第一路触发信号如图6所示。

第一路触发信号采用运算放大电路与开关电路。外接传感器的输出电流（sensor-in+）通过运算放大电路输出（SW1_CLK）。以振动检波器为例，在正常情况下，sensor-in+端没有电流源，则LM324的引脚7输出为0，Q1截止，SW1_CLK端输出为低电平；在发生震动时，则LM324的引脚7输出为输入电流源经过I/V转换后的放大电压，Q1导通，SW1_CLK端输出为高电平，即一次地震触发SW1_CLK端输出一次上升沿。

低功耗设计第二路触发信号如图7所示。

第二路触发信号采用运算放大电路与开关电路。设备接入电源，但默认负载未上电，Q2被截断，则SW2_CLK输出高电平；负载上电后，PD2为浮空输入模式，则U18截止，Q2被截断，则SW2_CLK输出高电平；负载初始化完成后，PD2为推完输出模式，则U18截止，Q2被截断，则SW2_CLK输出高电平；发送远程控制关机指令后，PD2=0，则U18导通，Q2导通，则SW2_CLK输出低电平。即SW2_CLK只有在负载上电后接收到远程关机操作时，才会触发一次下降沿，其他情况均为高电平。

通断控制采用D触发器（采用CD4013芯片，包含2路互相独立的D触发器）实现自锁开关，电路如图7所示。设备上电，C2两端电压不能突变，则R1=0，S1=1，Q1=1，即SW1为12 V，J1（开关1）导通。设备上电，C3两端电压不能突变，则R2=1，S2=0，Q2=0，即SW2为0 V，J1（开关2）断开，则负载断电。C2经过一段时间的充电，S1=0，之后保持S1=0，R1=0，实现触发一次，Q1=D1，即触发一次，使得两路开关保持一致，导致负载上电。C3经过一段时间的充电，R2=0，之后保持S2=0，R2=0，实现触发一次，Q1翻转，即触发一次，开关2状态翻转，导致负载断电。

2.4 4 G DTU模块

4 G DTU模块采用串口与主控进行通信，具备GPRS功能，可以实现数据的上传以及指令的下发。同时，该模块可以实现低功耗，通过减少系统的能量消耗，来增加系统总的工作时长。其休眠支持两种应用，一种是串口应用，另一种是USB应用。本次使用了串口应用，其与主控的连接如图8所示。

2.5 功耗测试

使用5 V电源供电对4G DTU和主控板分别进行测试，结果如表1所示。

2.6 仪器封装

本仪器为实现高集成、装配式、小体积、易安装、低功耗等设计理念，采用传感、采集、通信、供电一体化集成设计，具有防尘防水、防振和宽温适应性和可重复使用的特点［11-13］。外壳采用轻质、强度高、耐腐蚀ABS材质和不锈钢材质配合。

考虑到滑坡灾害易发期多为雨季，单一太阳能供电可能造成漏检，仪器额外配备了锂电池，内置电源系统确保连续工作3年以上。

仪器在设计上采用分层组装的方式，依次安装锂电池、语音报警模块、主板和天线，仪器四周及顶面均设计有太阳能板。封装仪器原型机渲染图及实物图如图9所示。

3 仪器应用

将本文所设计的仪器布设在甘肃省陇南市新声滑坡，对变形滑动的边坡进行长期监测。

通过观察监测数据，可以发现目前仪器运行状态良好，监测数据较为稳定。截取2023年2月17日—29日MEMS1传感器—加速度数据，通过系统导出数据曲线如图10所示。图10中曲线加密段为传感器检测到变动，自动唤醒加密监测。

4 结语

滑坡野外监测是一个长期的过程，为使监测设备能够长期运行，工作人员需频繁地对其更换电源，在增加工作量的同时，也增加了安全隐患。因此对监测仪器进行低功耗设计，使其在正常环境下处于休眠状态，当环境发生变化时，仪器“苏醒”开始采集数据，是今后野外监测的发展趋势。

本文基于MEMS传感器，设计了一款滑坡监测仪器，具有高集成、装配式、小体积、易安装、低功耗等特点，并且针对低功耗需求进行了优化，可实现野外长期监测。

参考文献

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（编辑 王雪芬）

Research and development of long-term landslide monitoring instrument based on MEMS

Pan  Yanwen， Wang  Baojun*

（School of Earth Sciences and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210213， China）

Abstract：  In China， there are many landslide disasters. The real-time monitoring of landslide disasters can effectively warn of landslide disasters. In order to realize long-term monitoring in the field， a landslide monitoring instrument based on MEMS is designed， and a low-power dynamic adjustment scheme with passive wake-up is designed. At present， the instrument has been applied to field disaster points， and long-term stable data has been obtained to achieve continuous monitoring of landslide disasters.

Key words： landslide; monitoring; early warning; MEMS