董翰川, 宋繼武, 龐麗麗

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071051)

0 引 言

凍土一般是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤，按土的凍結(jié)狀態(tài)保持時間的長短，凍土又可分為短時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土三類[1～3]。張家口崇禮冬奧會場區(qū)地表均為季節(jié)性凍土覆蓋，對季節(jié)性凍土的演化規(guī)律及對工程建設(shè)場地的致災(zāi)因素尚不清晰，因此，對冬奧會場區(qū)的季節(jié)性凍土的溫度場[4]進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，評估凍土層演化對場區(qū)穩(wěn)定性的影響是十分必要的。溫度和含水率成分[5]是描述凍土區(qū)域程度的重要參數(shù)，通過專業(yè)監(jiān)測，可實現(xiàn)冬奧會場區(qū)凍土層溫度和水分的精細(xì)立體刻畫，為評估2022年冬奧會場區(qū)地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

本文依托中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“京津唐張交通廊道規(guī)劃建設(shè)區(qū)1︰5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”，在張家口市崇禮縣、北京市延慶地區(qū)開展了分層凍土監(jiān)測野外試驗[6]。

1 多通道溫度含水率監(jiān)測儀總體設(shè)計

所研制的多通道溫度含水率監(jiān)測儀主要包括電容式雙參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集單元(data acquisition unit,DAU)、數(shù)據(jù)傳輸單元(data transmission unit,DTU)、太陽能供電模塊、軟件管理平臺。該設(shè)備可對凍土層溫度和土壤水分含量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)長期、連續(xù)、無人值守自動化監(jiān)測。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動保存在本地SD卡上作為備份。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)[7]或北斗方式[8](GPRS和北斗傳輸自動切換避免數(shù)據(jù)丟失)傳輸至軟件監(jiān)控管理平臺，供監(jiān)測管理人員分析判斷，極大方便了監(jiān)測部門的相關(guān)工作[5,6]。

1.1 系統(tǒng)功能

1)可遠(yuǎn)程設(shè)定工作模式：實時模式(具有響應(yīng)快、及時喚醒特點)、間歇模式(按照省電模式)；

2)可遠(yuǎn)程設(shè)定采集時長：可自主設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率，如30 min/次、60 min/次等；

3)可遠(yuǎn)程設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方式：GPRS、碼分多址(code division multiple access,CDMA)、GPRS/北斗、CDMA/北斗、北斗5種方式。

4)可遠(yuǎn)程調(diào)取野外存儲在硬件SD卡中的數(shù)據(jù)：當(dāng)數(shù)據(jù)有丟失時，可遠(yuǎn)程調(diào)取存儲在現(xiàn)場設(shè)備中的任意制定時間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

5)軟件平臺可遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)的接收、設(shè)備的工作狀態(tài)及進(jìn)行儀器的配置管理。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

工作電壓為10.5～14.5 V；工作溫度為-40～60 ℃；傳輸方式為GPRS、CDMA、北斗、GPRS/北斗、CDMA/北斗5種方式；供電方式為太陽能供電；工作電流為100～120 mA(GPRS/CDMA模式工作)，1～2A(北斗模式工作)，25～400 μA(12 V)(休息狀態(tài))；測量精度為含水率±0.1 %(體積分?jǐn)?shù))、溫度±0.05 ℃。

1.3 傳感器選型

凍土層溫度含水率感知設(shè)備選用頻域反射(frequency domain reflectometry,FDR)四針式溫度含水率傳感器，使用時將傳感器的鋼針插入被凍土層，水分感應(yīng)范圍由周邊3根鋼針?biāo)鶉膱A柱體組成。溫度傳感部分采用高精度的溫度感知模擬集成電路，其測量精度在-30～30 ℃的常見測量范圍內(nèi)可以達(dá)到±0.05 ℃。溫度感知元件鑲嵌在接地鋼針底部的金屬圓環(huán)上，直接感知插入凍土層中鋼針的溫度。傳感器供電穩(wěn)定后，在水分信號端和溫度信號端分別輸出一個4～2 0mA的電流信號，該電流信號傳輸至采集主機，經(jīng)內(nèi)部分析處理即可測得凍土層溫度和含水率情況。

2 硬件設(shè)計

多通道溫度含水率監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件是單片機(microcontroller unit,MCU)PIC32MX150F128，完成凍土層溫度和含水率數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和傳輸?shù)臅r序控制。系統(tǒng)硬件電路包括6部分：多通道DAU電路、太陽能供電模塊電路、電源管理電路、MCU處理器控制電路、SD數(shù)據(jù)存儲電路、DTU電路。MCU通過時序控制，使各電路協(xié)同工作完成溫度和含水率數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲和傳輸。硬件設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 多通道溫度含水率監(jiān)測系統(tǒng)框架

2.1 濾波調(diào)試電路

為去除溫度和含水率數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中高頻波的干擾，系統(tǒng)在電路上設(shè)計了二階低通有源濾波電路[9]，如圖2所示。增加TS912集成運算放大器組成有緣濾波，能夠更好地濾除大于100 kHz的高頻干擾波，使采集更準(zhǔn)確。在TS912輸出端并聯(lián)一只28 kΩ的精密電阻器，將電壓信號轉(zhuǎn)換為A/D芯片規(guī)定的3.3 V范圍內(nèi)信號后輸入給數(shù)據(jù)采集單元。

圖2 二階低通濾波調(diào)理電路

2.2 多通道數(shù)據(jù)采集單元電路

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了8個AD通道同時采集溫度和含水率，可連接8只傳感器。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS1256芯片，具有24 bit分辨率、高達(dá)23 bit的無噪聲精度，采樣速率達(dá)30 kHz，具有8路模擬量輸入通道，能夠滿足系統(tǒng)對高精度、低功耗、抗干擾的要求。電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路

2.3 太陽能供電控制電路

監(jiān)測系統(tǒng)供電方式采用太陽能浮充方式，使用太陽能極板對蓄電池進(jìn)行充電，保證系統(tǒng)的供電需求。系統(tǒng)在電路上設(shè)計了蓄電池過放保護(hù)電壓、過充保護(hù)電壓、防反接保護(hù)、過載保護(hù)等功能，并進(jìn)行了指示燈顯示狀態(tài)，有效保證了系統(tǒng)的供電需求。

2.4 電源管理電路

系統(tǒng)電源管理電路由PIC32單片機控制，為整個系統(tǒng)提供電源，包括CPU電源及外圍電源電路、A/D電源電路、12 V傳感器供電電路、12V GPRS/北斗供電電路。CPU電源主要提供給PIC32單片機所需的3.3 V電源；CPU外圍電路是提供給SD卡本地存儲和AD芯片所需的3.3 V電源；AD芯片為3.3 V和5 V雙電源供電芯片，A/D電源電路即為芯片提供所需5 V電源；12 V傳感器電路提供給溫度含水率傳感器所需的12 V電源，12 V GPRS/北斗供電電路是提供給數(shù)據(jù)發(fā)送單元所需的12 V電源，這2種12 V電源均由BTS716G芯片實現(xiàn)，該芯片輸出電壓和電流均能滿足傳感器、GPRS傳輸單元和北斗終端供電需求。電源電路如圖4、圖5所示。

圖4 AD電源輸出電路

圖5 12 V電源輸出電路

2.5 MCU單片機控制電路

系統(tǒng)的核心是單片機控制電路，MCU中央控制器芯片采用Microchip公司的PIC32MX150F128作為處理器，該芯片功耗低、內(nèi)存容量大，通過控制溫度含水率信號的模擬采集時序、本地SD卡存儲時序、數(shù)據(jù)處理時序、數(shù)據(jù)傳輸時序等，完成凍土層溫度含水率兩種參數(shù)的監(jiān)測，能夠滿足設(shè)備野外凍土監(jiān)測的需求。

2.6 SD數(shù)據(jù)存儲電路

系統(tǒng)設(shè)計了本地存儲功能，每次數(shù)據(jù)采集處理完成后將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在本地SD卡內(nèi)，存儲容量為4 GB，按2 h采集1次數(shù)據(jù)計算，可存儲2年的數(shù)據(jù)。存儲是通過單片機控制片選信號CS_SD、數(shù)據(jù)輸入信號SDI2_SD、數(shù)據(jù)輸出信號SDO2_SD和SD卡時鐘信號SCK2_SD來完成的。

2.7 數(shù)據(jù)傳輸單元電路

凍土溫度和含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸采用GPRS以太網(wǎng)傳輸和中國北斗二代通信衛(wèi)星[10]傳輸。系統(tǒng)在GPRS以太網(wǎng)傳輸上設(shè)計了傳輸模塊電路，選用MC52i傳輸模塊，將電信、移動、聯(lián)通手機通信卡插入SIM卡座進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計上留有2個RS—232通信接口，便于和北斗二代終端連接。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，完成溫度和含水率數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸功能，程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，包括清空發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、通信的初始化、系統(tǒng)時間的矯正、在RS—232端口上打印系統(tǒng)上電狀態(tài)、打印軟件版本號等。系統(tǒng)完成初始化后判斷設(shè)備工作狀態(tài)標(biāo)志位是否為“1”(“1”表示設(shè)備工作狀態(tài)良好)，為“1”則單片機給FDR傳感器供電，并啟動8通道A/D采樣時序，采集完成后將原始數(shù)據(jù)存儲于本地SD卡中，存儲完成后判斷通信標(biāo)志位是否為“1”:為“1”則進(jìn)行GPRS傳輸;否則，切換到北斗傳輸模式，監(jiān)控中心會給系統(tǒng)下發(fā)一個反饋指令表示數(shù)據(jù)接收成功，系統(tǒng)接收到反饋指令后進(jìn)行休眠狀態(tài)，整個過程結(jié)束。

圖6 軟件主程序流程

4 野外試驗與數(shù)據(jù)分析

依托中國地質(zhì)調(diào)查項目“京津唐張交通廊道規(guī)劃建設(shè)區(qū)1︰5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”，多通道凍土溫度含水率監(jiān)測儀的野外應(yīng)用選擇在2022年冬奧會場區(qū)張家口市崇禮縣四臺嘴鄉(xiāng)枯楊樹村東側(cè)某一凍土層地段。在凍土層地段開挖一個1.8 m深的試驗基坑，距離地面每相隔0.15 m埋設(shè)一只溫度含水率傳感器，總計埋設(shè)12只傳感器。監(jiān)測設(shè)備安裝于2017年10月15日，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1次/h，截止到2017年11月15日已取得4 300余組監(jiān)測數(shù)據(jù)，為便于數(shù)據(jù)分析，取11月10日24條數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，距離地面30 cm處2#傳感器監(jiān)測曲線如圖7所示。由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，11月10日監(jiān)測點地表以下30 cm處溫度范圍為-14.3～0.3 ℃，凌晨0︰00時刻溫度最低為-14.3 ℃，中午13︰01時溫度達(dá)最高為0.3 ℃。溫度逐漸升高情況下，含水率情況在16.6 %～18.2 %之間微小變化。

圖7 監(jiān)測點距離地表30 cm處2#傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

研制的多通道凍土溫度含水率監(jiān)測儀可監(jiān)測凍土地段不同層位的溫度和含水率情況，用于研究場區(qū)凍融作用下凍土層溫度與含水率的關(guān)系，為總結(jié)場區(qū)季節(jié)性凍土的演化規(guī)律提供技術(shù)手段，可實現(xiàn)冬奧會場區(qū)凍土層溫度場應(yīng)力場精細(xì)立體刻畫，為評估2022年冬奧會場區(qū)地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。