基于STM32的超低功耗崩塌監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)崩塌監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)性、功耗和精度相矛盾的問題，文章采用基于STM32和高低精度傳感器相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、超低功耗、高精度的崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)，將崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)分為臨災(zāi)預(yù)警和趨勢(shì)監(jiān)測(cè)。利用低精度傳感器觸發(fā)模式，設(shè)備以超低功耗工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)崩塌監(jiān)測(cè)臨災(zāi)預(yù)警功能；利用高精度傳感器觸發(fā)模式，設(shè)備以周期性數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)崩塌趨勢(shì)監(jiān)測(cè)功能。試驗(yàn)表明，高低精度雙加速度計(jì)崩塌監(jiān)測(cè)傳感器，超低功耗狀態(tài)可達(dá)13 μA，喚醒狀態(tài)可達(dá)31.92 μA，臨災(zāi)預(yù)警可在1 s內(nèi)將預(yù)警命令發(fā)出，趨勢(shì)監(jiān)測(cè)傾斜角度可達(dá)0.1%FS。

關(guān)鍵詞：崩塌監(jiān)測(cè)；STM32；超低功耗

中圖分類號(hào)：TN98 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

崩塌是一種在陡坡上的巖石體在自身重力作用下，脫離山體崩落，然后滾至山體坡腳的災(zāi)害活動(dòng)［1-3］，是地質(zhì)災(zāi)害中較為常見的突發(fā)性災(zāi)害類型。崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警，一直是巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外用于崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)的技術(shù)包括天基監(jiān)測(cè)技術(shù)、空基監(jiān)測(cè)技術(shù)和陸基監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中，天基監(jiān)測(cè)技術(shù)是依靠衛(wèi)星雷達(dá)、光學(xué)影像等技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況進(jìn)行分析監(jiān)控，主要包括光學(xué)衛(wèi)星影像技術(shù)、SAR圖像技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、星載雷達(dá)技術(shù)等。空基監(jiān)測(cè)技術(shù)主要指遙感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、GPS技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息。路基監(jiān)測(cè)技術(shù)主要利用一些物理變量、氣象參數(shù)等分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，包括測(cè)距、裂縫、測(cè)斜、地下水等監(jiān)測(cè)。

根據(jù)災(zāi)害體所處位置的重要性、威脅人數(shù)以及可能造成的經(jīng)濟(jì)損失，崩塌監(jiān)測(cè)分為3個(gè)級(jí)別險(xiǎn)情。一級(jí)監(jiān)測(cè)是指威脅人數(shù)100人以上或威脅資產(chǎn)在500萬(wàn)元以上的重大地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情，監(jiān)測(cè)手段主要是遙感衛(wèi)星、攝影測(cè)量、便形成兩、深部位移等天-空-地一體化監(jiān)測(cè)。二級(jí)監(jiān)測(cè)是指威脅人數(shù)在10人以上或威脅資產(chǎn)在100萬(wàn)元以上的中等地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情，監(jiān)測(cè)手段主要以高精度地表位移、GPS技術(shù)［4］、遙感技術(shù)和氣象監(jiān)測(cè)等為主。三級(jí)監(jiān)測(cè)是指威脅人數(shù)在10人以下或威脅資產(chǎn)在100萬(wàn)元以下的一般地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情，監(jiān)測(cè)手段主要是以地表變形為主的監(jiān)測(cè)。三級(jí)監(jiān)測(cè)，又稱為普適型監(jiān)測(cè)。在普適型監(jiān)測(cè)中，首選成本低、功耗低、安裝便捷的普適型產(chǎn)品，其中位移監(jiān)測(cè)設(shè)備、傾角監(jiān)測(cè)設(shè)備等最為適用［5-6］。

1 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有崩塌監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)備功耗高、通信距離近和設(shè)備流程復(fù)雜等問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于LoRa技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有雙加速度計(jì)的崩塌監(jiān)測(cè)傳感器，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)體進(jìn)行多點(diǎn)布設(shè)監(jiān)控。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

針對(duì)崩塌災(zāi)害發(fā)生前期的相對(duì)位移和變形等特征，本文首先利用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mech-anical System， MEMS）技術(shù)，設(shè)計(jì)具有低精度觸發(fā)、高精度測(cè)量的崩塌監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖石的同時(shí)，降低設(shè)備功耗；其次，利用集成光伏充電技術(shù)，設(shè)計(jì)易攜帶、易安裝的小型化崩塌監(jiān)測(cè)傳感器，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備持續(xù)工作時(shí)間；再次融合以LoRa為主的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)以被動(dòng)發(fā)送為主的私有協(xié)議工作模式，簡(jiǎn)化設(shè)備工作流程；最后，利用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，提高無線通信距離，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，硬件設(shè)計(jì)主要包括處理控制單元、充電管理單元、電源管理單元、時(shí)鐘與復(fù)位單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、低精度傳感器單元、高精度傳感器單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、LoRa通信單元、溫度采集單元、調(diào)試接口單元。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 處理控制單元設(shè)計(jì)

處理器選用意法半導(dǎo)體推出的STM32L475。STM32L475基于Cortex-M4內(nèi)核的ARM系列芯片，片內(nèi)FLASH為512 KB，片內(nèi)RAM為128 KB，主頻可達(dá)80 MHz。

STM32L475內(nèi)部集成了16 bit DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)行單元，采用自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)加速器（Adaptive Real-Time Memory Accelerator， ART）技術(shù)以及內(nèi)部的 "多重AHB總線矩陣和多通道DMA模塊，提升算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

2.2 低精度傳感器單元設(shè)計(jì)

低精度傳感器單元采用ADI公司的ADXL362傳感器，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。ADXL362供電設(shè)計(jì)采用獨(dú)立電源3.3 V供電，可通過MCU獨(dú)立控制。ADXL362需要2種電，一種是VDDIO，用于IO供電，一般為數(shù)字電，使用0.1 μF去耦即可；一種是VS供電，須要使用磁珠和電容去耦，磁珠內(nèi)阻須小于100 。布局設(shè)計(jì)主要考慮到在實(shí)際使用中，確保ADXL362應(yīng)安裝在印刷電路板牢固安裝點(diǎn)附近位置，避免由印刷電路板振動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換單元主要是用于采集高精度傳感器。高精度傳感器采用SCA100T雙軸MEMS加速度傳感器。該傳感器芯片工作電壓為5 V，使用模擬輸出，分辨率達(dá)0.0035°。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司推出的ADS1256芯片。該芯片是一款微功耗、高精度、8通道、24位Δ-Σ高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能夠提供23 bit的無噪聲精度、數(shù)據(jù)率30 kSPS、內(nèi)置輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路如圖4所示。

供電設(shè)計(jì)主要包括模擬供電和數(shù)字供電。模擬供電采用5 V電源，主要用于芯片工作電壓，最后一級(jí)采用LDO優(yōu)化電源質(zhì)量，數(shù)字地和模擬地采用磁珠進(jìn)行隔離。數(shù)字電采用3.3 V電源供電，與處理器進(jìn)行數(shù)字通信。

參考電源VREF=VREFP-VREFN，根據(jù)手冊(cè)，參考電壓為2.5 V。根據(jù)實(shí)際使用需求，VREFP采用5 V，VREFN采用2.5 V。同時(shí)使用VREFP給須要采集的傳感器（SCA100T）供電。優(yōu)點(diǎn)是傳感器帶來的電壓波動(dòng)同樣會(huì)反饋到參考電壓，消除誤差，最后換算的數(shù)字量是準(zhǔn)確的。

針對(duì)輸入信號(hào)處理，本次設(shè)計(jì)主要采用差分設(shè)計(jì)方法，芯片內(nèi)置高阻抗緩沖器，外部?jī)H做簡(jiǎn)單的RC濾波處理即可。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件模塊化設(shè)計(jì)

崩塌災(zāi)害主要發(fā)生在條件惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，對(duì)軟件的可靠性和強(qiáng)健性有較高要求。本系統(tǒng)采用基于Cortex-M4內(nèi)核的程序設(shè)計(jì)，利用ST提供的函數(shù)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)。為了優(yōu)化系統(tǒng)功耗與資源利用，本系統(tǒng)采用后臺(tái)任務(wù)輪詢和前臺(tái)任務(wù)中斷相結(jié)合的運(yùn)行模式并對(duì)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。軟件模塊劃分如圖5所示。

軟件模塊主要包括初始化模塊、電源管理模塊、傳感器采集模塊、異常處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LoRa通信模塊、協(xié)議解析模塊、硬件自檢模塊、調(diào)試接口模塊、中斷服務(wù)模塊。

其中，初始化模塊主要是在系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行頻率、硬件接口、IO管腳等進(jìn)行初始化處理。電源管理模塊主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電池充電管理、多種低功耗運(yùn)行狀態(tài)管理等。傳感器采集模塊主要是對(duì)高低精度微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)傳感器配置與采集。異常模塊主要是提高軟件運(yùn)行可靠性。LoRa通信模塊主要是處理LoRa通信MAC協(xié)議以及參數(shù)配置。協(xié)議解析模塊主要是處理LoRa通信應(yīng)用層協(xié)議以及參數(shù)配置。硬件自檢模塊主要是對(duì)設(shè)備內(nèi)部溫度、電池電壓、太陽(yáng)能電壓進(jìn)行采集。調(diào)試接口模塊主要包括TTL串口和JTAG接口。中斷服務(wù)模塊主要包括低精度傳感器中斷、通信接收中斷、RTC定時(shí)中斷。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)設(shè)備硬件和其他外設(shè)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行硬件自檢并將自檢結(jié)果打印、保存。初始化成功后，系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)配置，然后根據(jù)硬件自檢結(jié)果設(shè)置低功耗模式標(biāo)記，進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式。

通過中斷服務(wù)，系統(tǒng)可從低功耗模式中退出并進(jìn)行主程序任務(wù)輪詢。首先進(jìn)行軟件狀態(tài)檢查，主要是對(duì)軟件狀態(tài)的一些監(jiān)控，包括看門狗重啟狀態(tài)、主程序計(jì)時(shí)、軟件重啟等情況并作出相應(yīng)處理，保證軟件運(yùn)行的可靠性。主程序任務(wù)主要包括觸發(fā)任務(wù)處理、周期任務(wù)處理和命令任務(wù)處理。其中，觸發(fā)任務(wù)的條件為低精度傳感器觸發(fā)中斷，須要對(duì)低精度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，確認(rèn)是否為真實(shí)觸發(fā)。如果是真實(shí)觸發(fā)，則須要對(duì)高精度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，然后發(fā)送到指定數(shù)據(jù)云平臺(tái)，以便于相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行預(yù)警分析。周期任務(wù)的條件為RTC定時(shí)周期時(shí)間，須要將當(dāng)前高精度傳感器數(shù)據(jù)、硬件狀態(tài)等信息發(fā)送到指定數(shù)據(jù)云平臺(tái)，以便于數(shù)據(jù)分析與設(shè)備維護(hù)。命令任務(wù)處理?xiàng)l件為通信接收中斷，主要包括對(duì)設(shè)備參數(shù)配置與狀態(tài)提取。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 傾斜精度測(cè)試

為提高傳感器傾斜測(cè)量精度，本文采用標(biāo)定臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行傾斜標(biāo)定。產(chǎn)品傾斜測(cè)量范圍為±30°，分別在0°、1°、2°、4°、8°、10°、14°、18°、22°、26°、30°、-1°、-2°、-4°、-8°、-10°、-14°、-18°、-22°、-26°、-30°數(shù)值時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)點(diǎn)多次測(cè)量取平均值，然后進(jìn)行3次曲線標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出該無線傾角傳感器測(cè)量精度均在0.1%FS內(nèi)，能夠滿足大多數(shù)領(lǐng)域?qū)嵌葴y(cè)量精度的要求。

4.2 LoRa通信距離

通信距離測(cè)試主要是針對(duì)相對(duì)空曠環(huán)境和遮擋環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，采用一對(duì)一雙向通信方式，每次發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)包，循環(huán)發(fā)送3次。測(cè)試記錄如表2所示?？諘纭⒄趽?、防火塔測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

4.3 低功耗測(cè)試

崩塌監(jiān)測(cè)傳感器主要分為4個(gè)工作狀態(tài)，分別是監(jiān)聽模式、運(yùn)行模式、接收模式和發(fā)送模式。公路運(yùn)輸試驗(yàn)條件如表3所示。

監(jiān)聽模式P1是傳感器長(zhǎng)期處于低功耗的一種狀態(tài)，一次完整的CAD監(jiān)聽過程需要32ms，過程如下（見圖8）。1-喚醒低速運(yùn)行：6.8ms，48mV@30ohm。2-低速運(yùn)行+LoRa休眠：8ms，88mV@30ohm。3-低速運(yùn)行+LoRa CAD監(jiān)聽：0.5ms，368mV@30ohm。4-低速運(yùn)行+LoRa待機(jī)：13.7ms，108mV@30ohm。5-MSI運(yùn)行，休眠：3ms，48mV@30ohm。

平均5 s進(jìn)行一次CAD監(jiān)聽，休眠功耗為13 μA，平均功耗：

（6.8×48+8×88+0.5×368+13.7×108+3×48）/（30×5000） μA+13 μA=18.92 μA+13 μA=31.92 μA

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)普適性監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的需求，設(shè)計(jì)了基于STM32和高低精度雙加速度計(jì)的崩塌監(jiān)測(cè)傳感器，其中低精度加速度計(jì)可以在相當(dāng)?shù)偷墓臓顟B(tài)下（約13 μA），保持觸發(fā)功能，適用于崩塌災(zāi)害在崩落時(shí)大幅度動(dòng)作的臨災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用LoRa無線傳輸技術(shù)，能夠在一定時(shí)間（1 s以內(nèi)）將預(yù)警信號(hào)發(fā)送給附近網(wǎng)關(guān)，從而及時(shí)預(yù)警。高精度加速度計(jì)傳感器能夠以一定周期（一般1 h間隔時(shí)間以上）精確地監(jiān)測(cè)崩塌災(zāi)害體的微變化，從而能夠提前關(guān)注并結(jié)合其他監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到趨勢(shì)預(yù)警的目的。該產(chǎn)品完成了防水防塵、溫循、濕熱、振動(dòng)等多種可靠性試驗(yàn)并成功應(yīng)用在全國(guó)多個(gè)項(xiàng)目和示范點(diǎn)。

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of landslip monitoring sensor of ultra-low power consumption based on STM32

ZHANG" Tingting， SUN" Guixin， DONG" Jianxun， DU" Wenheng

（Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co.， Ltd.， Beijing 100074， China）

Abstract：" In response to the contradiction between real-time performance， power consumption， and accuracy of traditional landslide monitoring equipment， the article adopts a method based on STM32 and high and low precision sensors to achieve high real-time， ultra-low power consumption， and high-precision landslide disaster monitoring. The monitoring of landslide disasters is divided into emergency warning and trend monitoring. By using low precision sensor triggering mode， the device achieves collapse monitoring and disaster warning function in an ultra-low power consumption working state. By utilizing high-precision sensors， the equipment achieves the monitoring of collapse trends through periodic data collection of working status. Experiments have shown that the high-precision dual accelerometer collapse monitoring sensor can achieve an ultra-low power consumption state of 13 μA and a wake-up state of 31.92 μA. The disaster warning command can be issued within 1 s， and the trend monitoring tilt angle can reach 0.1% FS.

Key words： landslip monitoring; STM32; ultra-low power consumption