MPU9250九軸傳感器的危巖危石監測系統

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(西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710021)

引 言

危巖危石等邊坡地質災害因其多發性、突發性、隨機性、災害發生時生存周期短的特點，長期以來，一直威脅著公路鐵路運行安全，給公路/鐵路運營部門的工作造成不便。傳統的工程防護手段并不能完全解除危巖危石對公路/鐵路安全運行的威脅,因此危巖危石監測是保障運行安全的最后屏障[1]。

目前常用的監測方法主要有3種：基于視頻監測[2-3]系統雖然造價低廉，但視頻數據不僅存儲量大、易受惡劣天氣及周邊環境影響，存在一定比例的誤報；基于紅外激光[4]的危巖危石監測系統雖能在夜間及惡劣天氣下工作，但系統仍會受到飛鳥及動物干擾而存在誤報，且不能監測越過行車界限的危石；光纖光柵振動探測方法[5-7]雖然能全天24小時工作，但系統需要沿監測路線布設大量光纜線路，多達數十公里，監測效率低，布設傳感器數量較大，日常作業時，路基兩側需挖溝布線，施工不便。

公路/鐵路邊坡防護應與物聯網技術相結合，充分發揮無線通信的技術優勢，發展遠程監測系統是邊坡危巖危石的發展要求。為滿足公路/鐵路邊坡危巖危石監測需求，需要有較高的監測精度和實時性、分布式監測功能、方便安裝布設等特性，因此本文提出一種采用姿態傳感器，利用無線通信技術方法實現對公路/鐵路邊坡危巖危石的遠程分布式監測。

1 系統結構

監測系統由兩種功能設備組成：一種是危巖危石監測節點，負責采集危巖危石狀態信息；另一種是分中心，功能是將周邊監測節點數據利用2G/3G/4G網絡傳回監測中心。

危巖危石監測節點通過nRF24L01無線模塊將報警信息發送至分中心，分中心連接2G/3G/4G網絡將周邊監測數據傳回監測中心，系統結構圖如圖1所示。

圖1 危巖危石監測系統結構圖

2 硬件設計

系統監測節點原理框圖如圖2所示，采用I2C通信協議獲取危巖危石監測傳感器MPU9250的九軸信息，經內置運動處理引擎(DMP)處理后，提取危石姿態四元數，解算危巖危石姿態，用nRF24L01模塊將危巖危石九軸信息(加速度、角速度、磁場強度)和姿態信息發送到分中心，分中心將信息傳回監測中心，系統采用太陽能充電或者超級電容供電。

圖2 系統監測節點硬件原理框圖

(1)

(2)

① 供電。供電系統采用單晶體太陽能電池板，尺寸為84 mm×39 mm×2 mm，充電最大電流為100 mA、工作在5.5 V的SC5R5105Z-H型超級電容組，電容大小為20 F。

② 采集。危巖危石狀態監測采用Invensen公司的MPU9250九軸姿態傳感器模塊，其由三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸磁力計組成，在加速度低功耗模式下，檢測到高于系統設定值的軸向運動數值時，觸發中斷(INT引腳輸出高電平，持續周期為0.98 Hz)喚醒系統主控制器，發送預警信息。

③ 主控制器。系統采用STM32L476完成系統危巖危石信息處理，其具有低功耗、高性能等特點，工作狀態下電流消耗為10 mA。

④ 傳輸。監測節點與分中心通信采用nRF24L01近距無線通信技術實現，覆蓋半徑為1 km，分中心與監測中心的數據交互采用SIM7600CE模塊，其是一款小體積、高性能的2G/3G/4G無線通信模塊。

3 系統軟件程序設計

系統工作流程圖如圖3所示，STM32L476完成系統算法執行。系統軟件分為兩種工作模式：正常工作模式下，系統定時執行測量、上報任務；系統在正常工作模式的休眠期，進入危石滾落報警模式，一旦危石滾落觸發運動中斷喚醒系統，監測節點立即采集一組危巖危石狀態信息，并將測量數據傳輸到分中心，分中心上報數據給監測中心，通知相關人員危石滾落位置、方向信息，否則休眠等待下一次定時任務。

圖3 系統軟件流程圖

3.1 正常模式

(3)

由此可以解算出危巖危石姿態角，其中俯仰角范圍為-90°～+90°，航向角范圍為-180°～+180°。

3.2 危石滾落報警模式

圖4 危石滾落報警模式下工作流程

危石滾落報警模式下，采用MPU9250加速度低功耗運動喚醒功能實現系統休眠喚醒，發送危巖危石信息到分中心。工作流程如圖4所示。

4 系統測試及數據處理

模擬危石滾落過程，多次采集危石狀態信息，發送至分中心，分析從“喚醒-采數-傳輸-報警”全過程的時間和能量消耗，并將得到的危巖危石九軸信息及姿態角數據導入到Matlab中分析。

4.1 危石滾落報警模式耗時分析

當傳感器感知到危石滾落，觸發運動中斷喚醒MCU，測量一組危巖危石狀態數據將其發送至分中心，分中心將其傳回監測中心。在“喚醒-采集-傳輸-報警”過程中，姿態解算耗時如表1所列。

表1 危巖危石姿態角解算數據耗時(單位：ms)

表2所列為危巖危石監測系統在危石滾落報警模式各階段耗時統計，耗時共計147.71 s，即完成將報警信息發送至分中心，確保有效傳輸監測數據，經分中心2G/3G/4G網絡遠程傳回監測中心。結果表明，系統傳輸耗時主要集中于數據遠程傳輸的入網和注冊過程，相比于“監測節點-監測中心”結構，系統采用“監測節點-分中心-監測中心”結構，提高了監測節點信息發送成功率，將危巖危石信息及時發送出去，避免因滾落過程中的物理損傷使得信息發送失敗，節點失去實時傳輸監測數據的能力。

表2 危石滾落報警模式各階段耗時

4.2 系統功耗及工作時間測試

軟/硬件配合完成低功耗方案如下：

① nRF24L01選擇合適的發送功率，0 dBm發射功率最大，但同時電流消耗也是最大。

② 監測節點的nRF24L01、MPU9250大部分情況處于休眠或掉電狀態。

③ 危石滾落報警模式階段，主控制器待機狀態只保留RTC時鐘，系統時鐘及wakeup引腳工作，切斷其余所有外設供電。

危巖危石監測系統各部分電流消耗如表3所列，經測量，監測節點電流消耗為25.9 mA。直接使用SIM7600CE遠傳模塊傳輸的電流消耗為252.3 mA，監測節點的功耗減少82%。分中心節點電流消耗如表4所列。

表3 監測節點危石滾落報警模式系統性能分析

表4 分中心節點電流消耗

計算說明：

最長待機時間=(最大電荷量-殘余電荷量)/系統休眠電流/3600 單位：小時

工作放電時間=(最大電荷量-殘余電荷量)/工作電流 單位：秒

根據表5的計算及實際工作驗證，一次性充電，系統最大待機時間約為37天。待機狀態系統電流消耗約為0.009 mA,低功耗特性較好，能夠適應長期監測要求。

表5 太陽能供電+超級電容供電系統參數

4.3 危巖危石姿態采集精度分析

圖5所示為監測中心接收到的遠程危石測試數據，數據依次是加速度、角速度、姿態角等。

圖5 遠程監測中心危巖危石監測數據

STM32L476平臺解算的危巖危石靜態橫滾角和俯仰角數據如圖6所示，實驗采集數據連續測量30分鐘，據統計分析，俯仰角和橫滾角的解算精度分別優于0.3°和0.2°。實驗結果表明，經DMP處理后，解算得到的危巖危石橫滾角和俯仰角精度相對較高，能夠滿足姿態測量需求。

圖6 DMP解算得到危巖危石姿態俯仰、橫滾角

磁力計校準后航向角數據如圖7所示。實驗表明，經校準后解算得到的危巖危石的航向角精度優于0.3°。

圖7 融合磁力信息后的危巖危石航向角

由此可知，監測節點獲取的危巖危石姿態角精度較好，可以作為滾落驗證標準，辨別是否誤報。

結 語