基于MEMS 加速度傳感器MPU-6050 的滑坡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王文鑫，姚 璐，胥 鈞

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 燕郊 101601）

0 引 言

隨著地殼運(yùn)動、暴雨所導(dǎo)致的山體滑坡越來越多，尤其是處于地震帶、人類工程活動較為頻繁的地區(qū)，滑坡所帶來的后果，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，以及周圍道路的破壞，還會導(dǎo)致人員傷亡，有的甚至是毀滅性的災(zāi)難。因此，對山體滑坡情況的檢測是十分必要的，應(yīng)得到更廣泛的關(guān)注。

傳統(tǒng)的滑坡檢測方法是需要人工到現(xiàn)場，利用經(jīng)緯儀、全站儀和GPS 等儀器進(jìn)行測量，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅測量數(shù)據(jù)的精度低，工作量巨大，同時(shí)還存在很大的安全隱患。

目前，用于滑坡的智能性檢測主要是通過宏觀測量、激光光纖、攝影等方法來完成，這些檢測方法均屬于非接觸式測量，雖然測量結(jié)果高速、直觀、具體，但易受周圍環(huán)境的影響，且所需要的成本也較高。

針對目前邊坡測量實(shí)效性差、精度低、成本高等問題，本文提出了一種利用MEMS 加速度傳感器測量滑坡的方法。

MEMS 技術(shù)是目前一個(gè)重要的研究課題，利用MEMS 加速度傳感器進(jìn)行測量，因其技術(shù)具有成本低、精密度高、不受外界條件的限制等特點(diǎn)，多用于姿態(tài)檢測和位移估算。

本文利用MEMS 加速度傳感器MPU-6050 進(jìn)行加速度的采集，通過ZigBee 無線通信模塊進(jìn)行信號的傳輸，再將得到的加速度的信號經(jīng)過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)絇C 端，對所測量的加速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再將采集到的加速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，即可達(dá)到檢測滑坡情況的目的。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的滑坡檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分、遠(yuǎn)程控制中心和PC顯示端組成。

數(shù)據(jù)采集終端的主要目的是對目標(biāo)山體進(jìn)行檢測，將采集到的山體位移和液位信號進(jìn)行處理和分析，然后轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的數(shù)字信號。

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分中的ZigBee 通信的作用是將采集終端采集到的數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，同時(shí)還能接收協(xié)調(diào)器的指令。

串口通信主要是用于連接終端和PC 端，通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 端，以便對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析轉(zhuǎn)化，同時(shí)，串口通信還要接收來自PC 端的一些相關(guān)指令。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

MPU-6050 電路設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖 1 MPU- 6050 電路設(shè)計(jì)Fig.1 MPU-6050 circuit design

數(shù)據(jù)采集終端采用的測試元件是MEMS 加速度傳感器MPU-6050。

MPU-6050 是集成了運(yùn)動處理傳感器芯片、MEMS 加速度計(jì)、陀螺儀、以及內(nèi)置溫度傳感器于一體的整合性6 軸運(yùn)動處理組件。

MPU-6050 是一種基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的傳感器，使用的是I2C 通信協(xié)議。

MPU-6050 屬于IMU 系列傳感器，即測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率） 以及加速度的傳感器。

IMU 傳感器可以在三維空間中獲取物體當(dāng)前三維位置的具體信息，這些信息可以用來進(jìn)一步確定物體的精確位置。

通過MPU-6050 也可以檢測出具體物體的水平或傾斜狀態(tài)，也可以使用IMU 傳感器來追蹤物體的運(yùn)動狀態(tài)。

MEMS 加速度傳感器的電學(xué)原理示意圖如圖2所示。

圖2 MEMS 加速度傳感器電學(xué)原理示意Fig.2 Schematic diagram of electrical principle of acceleration sensor

1.2 ZigBee 無線通信模塊

針對在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，有線傳輸存在不僅布線繁瑣，且成本高等情況，本設(shè)計(jì)采用低功耗ZigBee 模塊來作為協(xié)調(diào)器搭建無線網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸模式。

通過采用以CC2530 為核心處理器的低功耗ZigBee 模塊作為協(xié)調(diào)器搭建無線網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳輸?shù)姆绞?，在一定程度上能較好地解決人工及現(xiàn)場布線存在的問題，并且還極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x、穩(wěn)定性以及安全性。

數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)的接收和發(fā)射模塊，是由Chipcon 公司研發(fā)的以CC2530F256RHAR 芯片為核心的ZigBee 模塊。

CC2530 芯片具有強(qiáng)大的無線前端，集成了適應(yīng) 2.4 GHz 頻段的 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn) RF 收發(fā)器DSSS 射頻調(diào)制模式（直接序列擴(kuò)頻模式）。

CC2530 芯片采用UART 串口通信（支持8 種常用的波特率），其傳輸方式為完全透明傳輸，速率為3 300 bps（最快為3 300 字節(jié)/s），接收靈敏度為-97 dbm。

CC2530 芯片核心電路如圖3 所示。

圖 3 CC2530 核心電路Fig.3 CC2530 core circuit diagram

2 加速度位移監(jiān)測原理

涉及到地震、山體滑坡等情況下的振動位移的處理非常繁瑣，并且這種情況下的振動位移也是無法直接進(jìn)行測試的。

因此，在實(shí)際測量過程中所需的目標(biāo)物理量，往往需要經(jīng)過采集其他物理量進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化才能得到。本設(shè)計(jì)是利用采集到的加速度信號轉(zhuǎn)化為位移信號而進(jìn)行檢測的。

由于 MPU-6050 中的 3 軸 MEMS 陀螺儀和 3軸MEMS 加速度計(jì)分別輸出的是角速度和線加速度，將加速度轉(zhuǎn)化成位移需做相應(yīng)的積分處理。

積分處理包含頻域積分和時(shí)域積分。時(shí)域積分時(shí)，積分一次就要去趨勢，會降低信號的能量，得到的結(jié)果往往要比真實(shí)幅值要低。通過二次積分時(shí)，位移振幅值會產(chǎn)生較嚴(yán)重的偏移趨勢項(xiàng)。頻域積分時(shí)，首先需將被積分信號進(jìn)行傅里葉變換，然后，在頻域里做積分計(jì)算，最后，進(jìn)行傅里葉逆變換。

經(jīng)過實(shí)際對比測試，發(fā)現(xiàn)頻域積分比時(shí)域積分得出的結(jié)果更好。

加速度轉(zhuǎn)化為位移的運(yùn)算方法，利用加速度的傅里葉分量公式可以表達(dá)為：

式中：a（t） 為加速度信號在頻率為ω 的傅里葉分量；A為系數(shù)；j為虛數(shù)

當(dāng)初始速度v0=0 時(shí)，對加速度信號a（t） 的時(shí)間進(jìn)行積分，可以算出速度信號v（t） 為：

式中：v（t）為速度信號在頻率為ω 的傅里葉分量；V為系數(shù)。故

當(dāng)初速度v0和位移分量均為0 時(shí)，對加速度的傅里葉分量進(jìn)行二次積分，即可求出位移分量x（t） 為：

式中：x（t） 為位移信號在頻率為ω 的傅里葉分量；X為對應(yīng)的系數(shù)。故

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，主要作用是請求加入組網(wǎng)、收集信息和數(shù)據(jù)。上電后，先對組件和Zigbee 協(xié)議初始化，請求加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

在成功加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)受內(nèi)部的定時(shí)器控制，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)按時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，掃描入網(wǎng)請求。入網(wǎng)成功后，開始收集終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)通過串口進(jìn)行傳輸。

數(shù)據(jù)接收和無線傳輸軟件流程如圖4 所示。

圖 4 數(shù)據(jù)接收和無線傳輸軟件流程Fig.4 Flowchart of data receiving and wireless transmission software

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，利用有一定速度的小車在水平面或斜面上的運(yùn)動來模擬山體滑動的位移。

將數(shù)據(jù)采集終端固定于小車上，使終端始終與小車保持平行。設(shè)備處于配置模式時(shí)，首先記錄小車處于靜止時(shí)的數(shù)據(jù)，然后，分別測出當(dāng)小車處于不同速度下的位移和時(shí)間。

終端采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee 通信傳輸?shù)絇C端顯示。將所采集到的數(shù)據(jù)繪制到坐標(biāo)系中，便能直觀地得到發(fā)生位移時(shí)加速度的具體變化。

在監(jiān)測狀態(tài)下，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸應(yīng)滿足：

式中：V為小車的平均速度；L為小車的移動距離；T為移動時(shí)間；F為采集頻率；N為采集點(diǎn)數(shù)，故

對具體測試結(jié)果的精確度進(jìn)行驗(yàn)證，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)（采集頻率F=6 Hz）Table 1 Test data(acquisition frequency f=6 Hz)

在整個(gè)測試過程中，從靜止?fàn)顟B(tài)下開始加速，然后開始減速，直至靜止。根據(jù)不同的速度，分別測得在水平面和斜面上時(shí)的加速度，其曲線如圖5 所示。

圖5 加速度值變化曲線Fig.5 Acceleration value change curve

由圖5 可以得出以下結(jié)論。

（1） 在0～15 個(gè)采集點(diǎn)時(shí)，加速度全部處于0.05～0.35 m/s（重力加速度g），未發(fā)生位移改變。

（2） 在第15 個(gè)采集點(diǎn)之后，加速度已經(jīng)超出0.05～0.35 m/s 范圍，并且產(chǎn)生了位移。

由此可得出，當(dāng)運(yùn)動方向的加速度值處于0.05～0.35 m/s 之外時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端產(chǎn)生了位移變化。

根據(jù)加速度轉(zhuǎn)化為位移的算法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和處理，然后經(jīng)過二次頻域積分，即可得到關(guān)于位移的變化曲線，如圖6 所示。

圖 6 位移變化曲線Fig.6 Displacement curve

根據(jù)小車位移變化，對測試的結(jié)果進(jìn)行精確度驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其測量結(jié)果見表2。

表2 測量結(jié)果Table 2 Measurement results

由表2 可以看出：通過與標(biāo)準(zhǔn)位移進(jìn)行比較，系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定。忽略靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，最大相對誤差為1.91%，最小誤差為1.15%，能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，能準(zhǔn)確的監(jiān)測位移的變化，因此，應(yīng)用本設(shè)計(jì)可以對有可能發(fā)生的山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)利用MEMS 加速度傳感器對山體滑坡中出現(xiàn)的位移進(jìn)行監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)和分析對比，得出以下結(jié)論：

（1） 利用MEMS 技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù)路線的監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理和信號特征來識別預(yù)測滑坡發(fā)生的可能性。

通過使用MPU-6050 加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用低功耗、且傳輸穩(wěn)定的ZigBee 無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，在一定程度上增強(qiáng)了傳感器安裝的靈活性，擴(kuò)大了監(jiān)測地區(qū)的范圍，極大地減少了人工現(xiàn)場測量，降低了危險(xiǎn)性。

（2） 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出監(jiān)測的相對誤差＜2%，保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，提高了對山體滑坡監(jiān)測的可靠性和實(shí)時(shí)性。具有遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，提高了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和范圍。

本設(shè)計(jì)還需在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1） 提高無線傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。

（2） 提高數(shù)據(jù)處理速度。

（3） 為數(shù)據(jù)采集終端提供更加穩(wěn)定持久的供電方式。

（4） 需在軟件數(shù)據(jù)處理算法上進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高數(shù)據(jù)的精度，減少誤差。