一种用于滑坡相关结构健康监测的新型低成本倾斜仪

《Frontiers in Earth Science》：A new low-cost inclinometer for landslide related structural health monitoring

滑坡监测低成本三轴倾角传感器设计与测试。

　　监测活动对于准确评估滑坡动态以及评估滑坡风险区域中基础设施的安全性至关重要。考虑到专业仪器的成本较高，建立密集的传感器网络以收集分布式数据往往面临较大挑战。本文提出了一种基于低成本Arduino平台的三轴倾角测量仪，为预算有限的项目提供了一种实用且有价值的替代方案。该传感器专门用于结构健康监测（SHM），通过测量结构的角位移来评估其损坏程度及增长速率。该设备能够在三个方向（x、y和z轴）上进行全范围的旋转测量，具有非常紧凑的体积和低功耗特性，这些特点使其在多数专业倾角测量仪（通常只能在小于90°的范围内测量倾斜角度）相比具有显著优势。该设备结合了开源的物联网（IoT）技术，配备了基于电容式3D-MEMS（微机电系统）技术的传感器和SPI（串行外设接口）数字接口芯片，同时具备在线数据发送系统和本地数据存储功能，适用于多种环境条件下的应用。初步的现场测试已在不同的滑坡场景中进行，以评估该设备的可靠性和适用性。

在滑坡和基础设施监测的背景下，将滑坡监测与基础设施监测相结合是评估自然过程如何影响人类工程结构安全性的关键。为了防止未来可能出现的结构失效和潜在风险，结构健康监测（SHM）技术至关重要。近年来，许多SHM系统已在民用基础设施上安装，但这些技术的应用通常受到高成本的限制。因此，开发创新型低成本传感器在滑坡不稳定区域变得尤为重要。已有多个研究探讨了低成本传感器在结构健康监测中的应用，包括用于评估结构在动态和静态条件下的行为的传感器。其中，倾角测量仪因其在结构稳定性监测中的广泛使用而受到特别关注。大多数专业倾角测量仪通常只能测量一个或两个方向的倾斜角度，并且其测量范围通常不超过90°。相比之下，本文提出的设备能够在三个方向上进行全范围测量，这使其在复杂环境中的适应性更强。

该设备的设计旨在提供一种在环境适应性、用户友好性和成本效益之间取得平衡的解决方案。其架构基于一种具有高度可定制性的硬件和软件接口，支持本地数据存储和在线数据传输。开发该设备的主要目标是尽可能降低成本，并克服大规模监测活动中的核心问题，即专业仪器的高昂费用。通过成本降低、低功耗需求以及与多种传感器网络配置的兼容性，该设备能够广泛适用于各种监测场景。此外，设备的开发和维护只需要基本的电子和编程知识，这使得该项目具有较高的可行性。通过对比表格，可以更直观地看到该低成本传感器与主流专业设备在关键性能指标上的差异。

该设备的硬件部分主要包括传感单元、嵌入式数据管理系统和电源供应单元。传感单元采用了Murata公司的SCL 3300-D01三轴倾角测量传感器，该传感器适用于需要高可靠性和精度的应用，如结构健康监测、水准测量、机械控制和机器人技术。传感器基于电容式3D-MEMS技术，通过SPI数字接口芯片进行数据采集和传输，同时具备本地数据存储和在线数据发送功能。这种传感器的优势在于其能够测量三个方向上的倾角，且测量范围更广，同时功耗低，具备较宽的温度稳定性范围，适用于恶劣环境。该设备还提供了四种用户可选的操作模式，以适应不同的测量需求，其中全范围测量（±180°）被设置为最优的安装模式。

嵌入式数据管理系统由一个10 × 10 cm的电子板组成，通过连接引脚或焊接点与传感单元相连。该系统包括一个DS1307实时时钟模块，用于提供准确的时间信息；一个微SD卡用于本地数据存储；以及一个SIM 800L GPRS/GSM模块，用于通过移动网络将数据发送到专用的PHP网络服务器。所有组件由Arduino Nano Every板管理，该板以其低功耗、高计算能力和小型化特点，成为该项目的理想选择。

电源供应单元设计灵活，支持直接连接市电或使用太阳能供电。考虑到测试地点的良好日照条件，本研究采用了太阳能供电方式。该电源系统包括一个30 W的光伏板、一个由两块12 V 10 Ah电池并联组成的12 V 20 Ah电池组，以及一个12 V 10 A的太阳能充电控制器。由于电子板的电压不能超过7 V，因此安装了一个降压DC-DC转换器。此外，FUTURA ELETTRONICA AL3005电源单元在不同负载条件下进行了基准测试，结果显示该设备在启动GSM数据发送时，最大功耗约为0.14 A（12 V），持续几秒钟；而在其他时间，最小连续功耗约为0.05 A（12 V）。平均功耗可估算为约0.10 A，每天大约需要29 Wh的电能。考虑到南意大利的年平均日照时间约为每天3小时，光伏板可以提供约90 Wh的电力，这大约是设备所需电能的三倍，即使在阴天也能保证系统正常运行。电池组可以提供约8天的自主运行时间，若需要更大容量，可以添加额外的光伏板或电池。

软件部分使用了Arduino IDE（集成开发环境），这是一种基于C和C++语言的免费且开源的编程工具，专门用于编写和上传程序到Arduino开发板。该软件具有用户友好的界面，并且由一个庞大的支持社区不断更新，使得即使是不具备高级编程技能的用户也能轻松使用。程序代码是在Arduino IDE示例基础上开发的，并参考了多个在线论坛和GitHub平台的资源。软件设置部分将所有基本参数集中管理，提高了设备的易用性。

在滑坡监测领域，本研究选择了两个不同的现场测试地点：蒙塔戈托滑坡区域和布诺阿尔伯戈滑坡区域。蒙塔戈托滑坡属于土流类型，总长度约为3公里，体积约600万立方米，已有约100年的历史，自1946年以来多次发生活动，导致国家公路和区域铁路的损坏。在该区域安装了低成本倾角测量仪，用于监测岩块墙的变形情况。该设备被安装在岩块墙的顶部，以监测滑坡对结构施加的推力。设备的采样率为每6小时一次，采集的数据与GNSS测量结果进行了对比，以验证其可靠性。GNSS测量显示，钢梁顶部的运动幅度非常小，与测量仪记录的倾角变化范围（约0.2°）相比，可以认为这些运动属于仪器误差范围，而非有效的线性位移。分析表明，这些每日波动可能与钢梁的热变形有关。

在布诺阿尔伯戈滑坡区域，设备被安装在一个结构受损的房屋内，用于监测墙体的倾斜变化。该区域的滑坡涉及约500米的长度，导致主要道路和附近历史中心的严重损坏。该设备与一台专业双轴倾角测量仪同时安装，以进行对比测试。测试期间，设备记录了墙体在x轴和y轴方向上的倾斜变化，显示了一种一致的下降趋势，表明墙体在测试期间向内倾斜。相比之下，专业设备记录的倾斜变化更小，但两者的趋势方向一致，这说明低成本设备的运行是正确的。然而，两个设备记录的倾斜变化存在差异，这可能与安装系统有关。例如，设备采用的L形金属支架与专业设备的平面金属支架不同，这可能导致在某些热条件下支架结构的变形差异。因此，未来的测试可以考虑使用更稳定的支架结构，以减少这种影响。

数据分析表明，该低成本设备在不同环境下均表现出良好的性能。在蒙塔戈托滑坡测试中，设备检测到的倾角变化非常有限，与GNSS测量结果一致，表明该区域没有明显的结构变形。在布诺阿尔伯戈滑坡测试中，设备与专业设备的读数显示出一定的相关性，尤其是在x轴方向，两者记录的倾斜趋势几乎一致，这进一步验证了该设备的有效性。然而，y轴方向上的测量结果存在一定的差异，这可能与安装支架的设计有关。此外，测试结果还表明，该设备在不同季节和环境条件下的表现可能存在一定的波动，这提示未来需要进行更长时间的测试，以评估其在复杂环境中的长期可靠性。

尽管该设备在成本、功耗和性能方面具有显著优势，但其某些方面仍存在改进空间。例如，在极端环境条件下，如高热变化、强风、冰雪负载等，设备可能受到更多的外部干扰。因此，未来的改进可能包括采用双防水塑料箱和外部保护罩，以减少热变化和风的影响，提高测量精度。此外，为了防止设备被盗或破坏，可以考虑在户外和开放区域安装防盗装置，并在设备上标记其用途和负责单位，以增强当地居民对监测系统的接受度。这种社会与空间的整合对于提升监测系统的安全性和公众认知具有重要意义。

综上所述，本文提出的低成本三轴倾角测量仪是一种具有广泛应用前景的结构健康监测工具。其低成本、低功耗和高适应性使其在滑坡监测和其他结构监测领域具有重要的实用价值。虽然目前的测试结果表明该设备在多数情况下能够提供可靠的监测数据，但进一步的优化和改进仍需进行。特别是在极端环境条件下，设备的稳定性仍需加强。此外，随着技术的发展，未来的监测系统可以结合更多先进的通信技术，如LPWAN（低功耗广域网络），以提高远程数据传输的可靠性和覆盖范围。通过不断改进和优化，该设备有望成为结构健康监测领域的一种重要工具，为基础设施的安全评估和滑坡风险预警提供支持。