无线加速度传感器在地质位移监测中的应用

余文君

（武汉钢铁集团公司第三子弟中学，湖北武汉，430080）

无线加速度传感器在地质位移监测中的应用

余文君

（武汉钢铁集团公司第三子弟中学，湖北武汉，430080）

介绍了一种基于加速度传感器ADXL362和zigbee无线通信模块的低成本地质位移在线监测系统。并着重介绍了无线加速度传感器的组成。

地质灾害；位移监测；ADXL362；加速度传感器；zigbee

0 引言

我国自然地理、地质构造、气候条件复杂，地质灾害分布广、发生频繁，是世界上地质灾害严重的国家之一。其中，山体滑坡、泥石流等灾害所占比例非常高，分布面非常广泛。

2014年8月27日晚上8点30分左右，贵州省黔南州福泉市发生了一起山体滑坡，导致两个村民小组房屋被掩埋。此次山体滑坡共造成23人遇难、22人受伤。

2015年12月20日11时40分，广东省深圳市光明新区凤凰社区恒泰裕工业园发生的山体滑坡。截至2016年1月12日晚间，现场救援指挥部发布消息称，已发现69名遇难者，经核实全部为此前公布的失联人员。另外还有8人失联。

2017年6月24日5时45分，阿坝州茂县叠溪镇新磨村的清晨，被垮塌的富贵山击碎。短短100秒时间，特大滑坡呼啸着冲向山脚的新村组。截至26日23时，“6·24”茂县叠溪镇新磨村山体高位垮塌灾害共造成10人遇难、93人失联、3人受伤。

因此在线监测地表位移显得非常必要。而现有技术中的山体滑坡等位移监测传感器都比较昂贵，而且功耗很高，在野外安装对供电要求也比较苛刻，不利于广泛使用。本文设计一种成本低廉的无线加速度传感器用于地表位移的在线检测。

1 传感器原理

针对待监测现场条件，本文设计的传感器，它由三部分构成供电单元、加速度传感器单元、无线网络传输单元。如图1所示。

图1 传感器原理

其中供电单元与其他各单元相连接，用于给设备供电，选用一次性电池；加速度传感器单元包含单轴或者多轴轴加速度传感器用于测量设备的重力方向的倾斜度；无线网络传输单元与加速度传感器单元连接，用于与上位机进行无线通信，将无线传感器的状态信号通过无线方式传输到上位机系统。

在实际实施方式中，该无线加速度传感器设备，包含辅助锚杆的安装附件，安装方式为：该锚杆垂直钉入地面下可以深入地质稳定层，其顶端通过绳索连接无线加速度传感器顶端，保持绳索为拉直状态，然后用水泥或者沙石或者胶水等固定，使无线加速度传感器掩埋在地面之下，如图2所示。

图2 实际实施安装图

其工作原理：地质灾害监测无线加速度传感器设备，通过加速度传感器单元周期性测量重力加速度的方向及大小。由于特定的安装方式，当地表出现位移时，固定锚杆不会移动，而传感器随着地表进行移动，而锚杆上的绳索拉住了其顶端，导致其出现翻滚。这样传感器检测到的重力方向发生变化，当重力方向变化超过设定阈值时，通过无线网络传输单元发射出预警信号；并且周期性发送心跳信号，心跳信号包含设备ID及测量到的加速度的方向值。

2 传感器的具体实现

供电单元使用一次性锂亚电池。加速度传感器单元使用 ADXL362三轴MEMS加速度传感器、无线网络传输单元使用CC2530低功耗2.4G Zigbee芯片。

ADXL362是一款超低功耗加速度芯片，其特征如下。

（1）超低功耗：

1.8 µA @ 100 Hz 2.0 V电源。

3.0 µA @ 400 Hz 2.0 V电源。

270 nA运动唤醒模式。

10 nA待机电流。

（2）高分辨率：1mg/LSB。

（3）内置系统级节能功能包括：

阈值可调的静止休眠/运动唤醒模式。

自主中断处理，无需微控制器干预，系统其余部分电路可以完全断电。

深度嵌入式FIFO最大程度地减轻主机处理器负荷。

唤醒状态输出支持实现独立的运动激活开关。

（4）噪声低至 175 µg/ √ Hz。

（5）宽电源和I/O电压范围：1.6 V至3.5 V。

（6）支持外同步采样。

（7）片上温度传感器。

（8）SPI数字接口：可通过SPI命令选择测量范围。

（9）小尺寸、薄型(3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm)封装。

CC2530是一款经典的zigbee无线网络芯片，其特征如下。

（1）内嵌8051核:

8K RAM。

32K/64K/128K/256K FLASH。

（2）低功耗:

睡眠状态低于1uA。

RX 24mA。

TX 29mA。

（3）RF:

2.4 GHz IEEE802.15.4。

输出最大功率4.5dBm。

（4）外设：

非常丰富的外设如看门狗。

IEEE802.15.4MAC定时器等。

（5）开发工具：Zigbee协议栈

3 无线网络协议栈

该地质灾害监测无线加速度传感器设备，其无线网络传输单元主要由CC2530构成的MESH网络中的一个节点，能够连接MESH网络中继器或者接入点AP并进行数据传输。

该网络协议栈使用TI的ZStack-CC2530-2.5.1a。它非常完备，而且简单易用。它使用IAR编译器，工程目录如图3所示。

图3 工程目录

4 应用实施

地质灾害监测系统在实际实施中，其系统构成如图4所示。

图4 系统构成图

其中：SN为传感器节点；RP为中继器；AP为接入点。

一个MESH网络中有一个AP接入点，它接收RP中继器发过来的信号，并转发到云端网络。RP主要作用是在SN与AP之间转发消息。SN在前面已经详细介绍，此处不在累述。

5 本设计的优缺点分析

本设计缺点：对于地表位移没有进行量化测量，只能进行阈值报警。优点：本系统架构决定了整个系统的功耗非常低（一定条件下，7200mAH电池可工作5-8年）；无线传输方式决定了系统安装容易；辅助锚杆及安装方式的设计极大的提高了监测相对位移的灵敏度和可靠性；该设备的低成本导致该系统可以进行广泛安装，对潜在危险地区进行大面积监测。

[1] “A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE802.15.4 and ZigBee Applications ” TI.

[2] “Z-Stack User’s Guide For SmartRF05EB and CC2530 ” TI.

[3] “ADXL362 Datasheet” ADI.

[4] 马忠梅等.单片机C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社,2003年修订版.

Application of wireless acceleration sensor in geological displacement monitoring

Yu Wenjun
(Wuhan Iron and Steel Group Corp third children’s middle school,Wuhan Hubei, 430080)

A low cost geological displacement on-line monitoring system based on acceleration sensor ADXL362 and ZigBee wireless communication module is introduced The composition of wireless acceleration sensor is also introduced

geological hazard; displacement monitoring; ADXL362; acceleration sensor; ZigBee