Автоматизированная система мониторинга гравитационных склоновых процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа

Автоматизированная система мониторинга гравитационных склоновых процессов

Погорелова Мария Дмитриевна

Москва 2020



Аннотация

Представленная выпускная квалификационная работа посвящена разработке автоматизированной системы мониторинга гравитационных склоновых процессов. В работе приводится обзор существующих геологических систем мониторинга, с выявлением недостатков каждой из них. Произведен обзор электронных компонентов, составляющих систему мониторинга. Проектирование автоматизированной системы мониторинга гравитационных склоновых процессов включало в себя следующие этапы: создание электрических схем элементов системы, топологий печатных плат, разработка устройства питания, написание программного кода для функционирования системы, а также создание макета.

In the presented graduation work an automated system for monitoring landslide displacements was developed. The paper provides an overview of existing geological monitoring systems, identifying the shortcomings of each of them. A review of the electronic components that make up the monitoring system. The development of an automated system for monitoring gravitational slope processes included the following stages: creating electrical circuits of system elements, topologies of printed circuit boards, developing a power device, writing program code for the system to function, and creating a layout.



Введение

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, в течение прошлого десятилетия более 2,6 миллиарда человек были затронуты стихийными явлениями. Оползни являются самым распространенным геологическим явлением, приводящим к высокой смертности и травмам среди населения. На территории Российской Федерации оползни широко распространены в южных регионах.

Системы мониторинга могут помочь снизить оползневой урон, так как своевременная осведомленность позволяет принять соответствующие превентивные меры. Целью этого исследования является создание современной автоматизированной системы мониторинга, которая будет собирать соответствующую геологическую информацию и предоставлять возможность для изучения кинематики исследуемого региона. Выявление закономерностей и механизмов движения грунта в различных погодных условиях обеспечит более глубокое понимание оползневых процессов в целом. Увеличение выборки данных приводит к более точным прогнозам и улучшенным алгоритмам оповещения.

Есть множество факторов, которые провоцируют оползни. Не все из них могут быть измерены с использованием существующего оборудования. Однако доступные приборы обеспечивают достаточную точность.

В настоящее время известны несколько показателей, по наблюдению за которыми устанавливают катастрофическую фазу оползня. Такими показателями выступают данные о погодных условиях и данные о движении грунта. Метод измерения поверхностных движений, который будет применяться в этом проекте, хорошо известен и признан международным сообществом (Macek et al., 2014). Он основывается на механике сдвигов грунта на потенциально опасных участках. В большинстве случаев катастрофической фазе предшествует постепенное скольжение платформы (Демин, 1997). Для повышения достоверности прогноза и упрощения мониторинга разработанная система измеряет во времени угол наклона к горизонту верхней площадки в зоне между верхней бровкой и трещиной отрыва. Угол наклона верхней площадки определяется по формуле:

,

где - вертикальная осадка верхней бровки уступа, м;

- ширина захвата оползня, т.е. расстояние от верхней бровки уступа, м;

Рис. 1 Схема к определению угла наклона верхней площадки

Существующие аналогичные системы имеют ряд ограничений, которые снижают точность прогноза. Более того, в России этот сегмент практически не представлен. Таким образом, существует необходимость создания такой системы мониторинга.

Система должна соответствовать ряду критериев, чтобы быть достаточно эффективной. Кроме того, гравитационные процессы могут быть быстро меняющимися. В связи с этим система мониторинга должна быть способна передавать данные в режиме реального времени.

Цель и задачи:

Цель работы: создание системы мониторинга, позволяющую предоставлять пользователю релевантные данные о состоянии оползневого участка. Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи:

выбор электронных компонентов, наиболее подходящих для мониторинга необходимых параметров;

создание электрической схемы устройств;

сборка макета;

написание программного кода для корректной работы системы мониторинга.

Анализ систем мониторинга

Опубликованные исследования чаще всего предлагают построение сетей, осуществляющих слежение за сдвигами грунта. Тем не менее, большинство из этих работ не затрагивают вопрос стабильной работы в различных условиях, что является важным критерием при долгосрочной эксплуатации.

Исследование китайских учёных (Wu et al., 2019) ставит под вопрос структуру традиционной сети мониторинга оползней. Предполагается, что связь через общедоступную сеть ведет к плохой устойчивости системы. В случае выхода из строя одной точки все данные по этой области будут утрачены. Технология «ad-hock» предлагается в качестве решения этой проблемы. Элементы такой сети могут связываться между собой, поэтому, когда один элемент выходит из строя, сеть найдет другие способы передачи информации. Система предназначена для мониторинга оползневой активности в местах уже случившихся оползней. Она не предназначена для сбора других данных, кроме как положения в пространстве через терминалы «Beidou» и устройство мониторинга разломов на поверхности. Однако комплексные и точные геологические характеристики района, такие как температура и влажность воздуха, атмосферное давление, могут быть крайне полезными при прогнозировании.

Одно из немногих исследований, которые также уделяют внимание изучению состояния окружающей среды, - это система раннего предупреждения оползней в Индонезии (Fathani, Karnawati, 2017). Система состоит из трех датчиков - экстензометра, датчика наклона и автоматического регистратора количества осадков. Такой подход позволяет собирать информацию о корреляции между оползнями и количеством осадков. Сравнение климатических данных в реальном времени с математическими расчетами может быть полезно для количественной оценки вероятности схода оползня в районах со схожим составом грунта. Этот проект, однако, имеет ряд потенциальных ограничений. Он включает в себя только регистратор осадков, что достаточно важно при прогнозировании катастрофических фаз, но не достаточно. Более того, экстензометры используются для измерения значительных смещений и разломов поверхностей. Для индикации незначительных движений используется дополнительное оборудование, такое как лазерный сканнер, позволяющий проводить трехмерный анализ.

Некоторые разработчики для выявления небольших сдвигов используют GPS-модули. Исследования, проведенные в 2016 году, направлены на разработку новой модели прогнозирования оползней (Huang, et al., 2016). После декодирования GPS-сигналов значения смещения рассчитываются и используются в качестве входных данных для загрузки в нейронную сеть. Однако при определенных условиях GPS-сигнал может не доходить до приемника. Густая листва и большие облака значительно влияют на качество приёма спутникового сигнала. Сигнал GPS также может быть искажен магнитными бурями и радиоисточниками. Кроме того, подобные системы полностью контролируются Министерством обороны США.

L. Awaludin и O. A. Dhewa (2018) в своей работе используют недорогие сенсорные устройства, работа которых не зависит от сигналов со спутников. Предлагается развернуть целую систему, построенную на сети таких устройств. Цифровые акселерометры и гироскопы определяют положение в пространстве, также релевантную информацию собирают датчики температуры и влажности. Полученные данные хранятся картах microSD в формате txt, что является существенным недостатком мониторинга оползневых процессов.

С учётом всех достоинств и недостатков существующих исследований ниже представлена разработанная в этой работе система мониторинга гравитационных склоновых процессов.

Аппаратная часть

Разрабатываемая система мониторинга должна иметь в своём составе несколько передающих устройств, составляющих сеть для определения наклона площадки, и блок, который помимо обработки получаемых из сети данных регистрирует гидрометеорологическую обстановку и пересылает собранную информацию для её последующей обработки в персональный компьютер. Передатчик должен иметь компактные размеры, автономную систему питания и небольшую стоимость, чтобы в случае катастрофической активизации оползневого процесса сеть в короткие сроки могла быть восстановлена. Структурная схема передатчика представлена на рис. 2.

Рис. 2 Структурная схема передающего устройства (угол наклона площадки)

Климатический блок по своему составу напоминает передатчик положения в пространстве. На рис. 3 представлена структурная схема климатического блока. За сбор информации о погодных условиях (температура, атмосферное давление, влажность) отвечает датчик BME280.



Рис. 3 Структурная схема климатического блока

Технические характеристики компонентов

В этом разделе рассматриваются электронные компоненты, использующиеся в системе мониторинга, собраны их краткие характеристики и алгоритмы работы.

Микроконтроллер STM32F103

Микроконтроллер STM32F103 включает в себя 32-разрядное ядро ARM Cortex-M3, работающее на частоте 72 МГц, высокоскоростную встроенную флэш-память (64 КБ), широкий спектр входов / выходов и периферийных устройств, подключенных к двум шинам APB (STMicroelectronics…, 2015). Данный микроконтроллер обладает низким энергопотреблением в рабочем режиме, что делает его привлекательным как для любителей, так и для разработчиков промышленного оборудования. Ядро Cortex-M3 микропроцессора построено на Гарвардской архитектуре: 3-уровневый конвейер с умножителем и аппаратным делителем обеспечивают исключительно высокую производительность. В отличие от архитектуры фон Неймана, в которой процессор либо читает инструкцию, либо читает данные из памяти, в устройстве, использующем Гарвардскую архитектуру, возможно считывание команды и обращение к памяти одновременно, так как передача команд и данных происходит на физически не связанных между собой каналах. Адресная область Cortex-M3 разделена на строго определенные области для пользовательского кода, SRAM (статической памяти с произвольным доступом), периферийных и системных устройств. Также в ядре реализован NVIC (контроллер вложенных векторных прерываний). Его задачей является быстрая обработка прерываний. Если прерывания следуют друг за другом, то контроллер прерываний использует метод постановки в очередь. Логика прерывания работает в режиме сниженного энергопотребления.

Устройство имеет два 12-разрядных АЦП, три 16-разрядных таймера общего назначения и один ШИМ-таймер, а также стандартные интерфейсы связи: I2C, SPI, USART, USB и CAN. SPI включает в себя CRC (аппаратный генератор избыточного циклического кода), который используется при подключении к SD и MMC картам памяти. Любой таймер можно объединять с другими для образования сложных массивов таймеров.

Устройство работает от источника питания напряжением от 2,0 до 3,6 В с тактовой частотой ядра 72 МГц. Со всеми включенными периферийными устройствами STM32F103 потребляет только 36 мА. Рабочий диапазон температур от -40 до +85 ° C. Внутренний RC- осциллятор с частотой 8 МГц позволяет быстро переходить из режима сниженного энергопотребления, пока внешний осциллятор стабилизируется. Оперативный переход из одного режима в другой сокращает общее энергопотребление системы. Такая реализация позволяет проектировать маломощные приложения. Распиновка микроконтроллера представлена на рис. 4.

Часто используется внешний генератор импульсов, который нужен для синхронизации ядра и периферийных устройств. Такой генератор обозначается как HSE (High Speed External Oscillator). Он может быть представлен кварцевым или керамическим резонатором. Также сигнал может генерироваться пользователем. Если для тактирования используется пользовательский сигнал, то он должен иметь форму синуса, меандра или треугольника. Длительность импульса должна составлять половину от периода и иметь максимальную частоту 25 МГц. Если применяется внешний кварцевый или керамический резонатор, то его частота должна лежать в пределах от 4 МГц до 16 МГц. Так как ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) производит операцию умножения HSE на целочисленное значение, частота внешнего сигнала должна быть целочисленным делителем 72 МГц.

Рис. 4 Распиновка STM32F103

Также STM32F103 имеет второй внешний низкочастотный осциллятор (LSE), который нужен для тактирования часов реального времени. Как и в случае HSE, возможно использование как внешнего резонатора, так и пользовательского сигнала в форме меандра, синуса или треугольника, продолжительностью импульса в половину периода. В обоих случаях LSE работает на частоте 32.768 КГц.

STM32F103 помимо активного режима работы может функционировать в режимах сниженного энергопотребления, что позволяет продлить срок службы источника питания. Во время перехода в режим сниженного потребления, STM32F103 передаёт сигнал SLEEPDEEP для остальных устройств. Режим, в котором работает микропроцессор, определяется настройками регистра управления режимом энергопотребления.

Программатор UART CP2102

UART (универсальный асинхронный приемник-передатчик) - аппарат, упорядочивающий данные для передачи по одному физическому каналу связи. UART обычно поставляется на рынок отдельной интегральной схемой, передающей или получающей данные последовательно через порт компьютера.

Связь может быть односторонней (только в одном направлении, без возможности для приемного устройства отправлять информацию обратно на передающее устройство), полнодуплексной (оба устройства отправляют и получают одновременно) или полудуплексной (устройства передают и принимают по очереди).

В режиме ожидания данные не находятся под высоким напряжением или питанием. Стартовый бит сигнализирует получателю, что ожидается новый символ. Следующие пять-девять битов, в зависимости от используемого кодового набора, представляют собой символ. Если используется бит четности, он будет помещен после всех битов, содержащих данные. Следующие один или два бита всегда используются как метки (высокий логический уровень, т.е. «1») и называются стоп-битами. Они сигнализируют получателю, что приём завершен. Поскольку начальный бит имеет низкий логический уровень (0), а стоповый бит имеет высокий логический уровень (1), между символами всегда есть как минимум два гарантированных изменения сигнала. Если линия удерживается в состоянии низкого логического уровня дольше, чем обозначено, то это является условием прерывания для UART.

В качестве программатора использовалось устройство UART CP2102, внешний вид которого представлен на рис. 5. Программатор подключается к платам по шинам UART с TTL логикой.

Программатор UART CP2102

CP2102 - это высокоинтегрированный мостовой контроллер USB-UART (Silicon Laboratories…, 2017). CP2102 включает в себя полнофункциональный контроллер функций USB 2.0, приемопередатчик USB, генератор, EEPROM и асинхронную последовательную шину данных (UART) с полными управляющими сигналами модема в корпусе MLP-28 5 x 5 мм. Никаких других внешних USB-компонентов не требуется. Функциональный контроллер USB управляет всеми передачами данных между USB и UART, а также командными запросами, генерируемыми хост-контроллером USB, и командами для управления функцией UART (Silicon Laboratories Inc.).

Модуль радиосвязи LoRa

LoRa (Long Range) - это метод модуляции и технология глобальной сети с низким энергопотреблением (Semtech Corp…, 2019).

Модуль на рис. 6 подключается через SPI интерфейс, к используемому микроконтроллеру. Радиолинк работает на частоте 433МГц.

Модуль радиосвязи LoRa(LongRange) на микросхеме SX1278

Обратимся к блок-схеме на рис. 7, чтобы понять алгоритм работы. SX1278 - полудуплексный приемопередатчик с низкой ПЧ. Здесь полученный РЧ-сигнал сначала усиливается МШУ. После усиления выполняется преобразование в дифференциал для улучшения линейности второго порядка и подавления гармоник. Затем сигнал преобразуется с понижением в синфазные и квадратурные (I & Q) составляющие на промежуточной частоте (IF) в смесителе. Пара сигма-дельта АЦП затем выполняет преобразование данных, причем вся последующая обработка сигнала и демодуляция выполняются в цифровой области. Цифровой конечный автомат также управляет автоматической коррекцией частоты (AFC), индикатором уровня принимаемого сигнала (RSSI) и автоматической регулировкой усиления (AGC). Он также обладает функциональностью более высокого уровня на уровне пакетов и протоколов секвенсора верхнего уровня (TLS), доступной только в традиционных схемах частотной модуляции (FSK) и модуляции включением/выключением (OOK).

Синтезаторы частот генерируют частоту гетеродина как для приемника, так и для передатчика, один из которых охватывает нижние полосы УВЧ (до 525 МГц), а другой - верхние полосы УВЧ (от 779 МГц). При передаче частотная модуляция выполняется цифровым способом в пределах полосы пропускания ФАПЧ.

SX1278 имеет три различных усилителя мощности частоты. Два из них, подключенные к RFO_LF и RFO_HF, могут выдавать до +14 дБм, не регулируются для обеспечения высокой энергоэффективности и могут быть подключены непосредственно к своим соответствующим входам РЧ-приемника через пару пассивных компонентов для формирования высокоэффективного приемопередатчика с одним антенным портом. Третий усилитель, подключенный к выводу PA_BOOST и может выдавать до +20 дБм через выделенную сеть согласования. SX1278 также включает в себя два опорных реле, RC-генератор и кварцевый генератор с частотой 32 МГц.

SX1278 оснащен как стандартными модемами FSK, так и модемами с расширенным спектром (LoRa). В зависимости от выбранного режима может использоваться обычная модуляция OOK/FSK или модем с расширенным спектром LoRa.

Рис. 5 Блок-схема SX1278

Датчик абсолютного давления, температуры и влажности BME280

BME280 представляет собой комбинированный цифровой датчик влажности, давления и температуры (Bosch Sensortec…, 2018). Сенсорный модуль поставляется в корпусе LGA с металлической крышкой. Внешний вид поставляемого на рынок устройства представлен на рис. 8.

Внешний вид поставляемого датчика BME280

Датчик поддерживает интерфейсы SPI и I2C и может питаться от 1,71 до 3,6 В питания для VDD и от 1,2 до 3,6 В для VDDIO. Измерения могут запускаться хостом или выполняться через равные промежутки времени. Когда датчик отключен, потребление тока падает до 0,1 мкА.

BME280 может работать в трех режимах:

режим сна

нормальный режим

принудительный режим

Чтобы адаптировать скорость передачи данных, шум, время отклика и потребление тока к потребностям пользователя, можно выбрать различные режимы дискретизации, режимы фильтрации и скорости передачи данных. Структурная схема BME280 представлена на рис. 9.

Рис. 6 Структурная схема BME280

BME280 имеет два отдельных вывода питания:

VDD является основным источником питания для всех внутренних аналоговых и цифровых функциональных блоков

VDDIO - это отдельный вывод питания, используемый для питания цифрового интерфейса.

BME280 имеет встроенный генератор сброса при включении питания (POR): он сбрасывает логическую часть и значения регистров после того, как VDD и VDDIO достигают своих минимальных уровней. После включения питания датчик переходит в режим сна. В режиме сна измерения не выполняются, а энергопотребление (IDDSM) минимально. Нет ограничений на время пребывания в таком режиме.

Сброс датчика возможен путем циклического изменения уровня VDD или путем записи команды мягкого сброса.

Поддерживаемые переходы режимов показаны на рис. 10. Если устройство выполняет измерения, то выполнение команд переключения режимов откладывается до конца текущего периода проведения измерений.

Рис. 7 Диаграмма переходов состояний датчика BME280

Нормальный режим представляет собой автоматический бесконечный цикл между активным периодом измерений и режимом сна.

Измерения выполняются в соответствии с выбранными параметрами измерений. Время сна настраивается пользователем, может быть установлено в диапазоне от 0,5 до 1000 мсек.

В принудительном режиме выполняется единичное измерение в соответствии с выбранными параметрами измерения и фильтрацией. Когда измерение закончено, датчик возвращается в спящий режим, и результаты измерений могут быть получены из регистров данных.

Цикл работы BME280 состоит из измерения температуры, давления и влажности с возможностью выборочной передискретизации. Данные о давлении и температуре могут передаваться через дополнительный БИХ-фильтр, который удаляет кратковременные колебания давления (например, вызванные захлопыванием двери). Для влажности такой фильтр не нужен и не был реализован, поскольку значение влажности не является быстро изменяющейся величиной и не требует фильтрации низких частот.

В данной работе необходимо реализовать наблюдение за погодными условиями. Производителем для этих целей рекомендованы настройки, представленные в таблице 1.

Таблица 1 Настройки BME280

Рекомендованные настройки
Режим работы сенсора	Принудительный
Настройка БИХ-фильтра	Не включать

Датчик абсолютной ориентации в пространстве BMX055

BMX055 - это 9-осевой датчик для обнаружения движений, поворотов и магнитного курсового угла (Bosch Sensortec…, 2013). Он включает в себя все функции трехосного датчика ускорения, трехосного датчика угловой скорости и трехосного геомагнитного датчика.

Программируемый внутрисхемный контроллер позволяет регистрировать движение в пространстве без постоянного обращения к микроконтроллеру. Встроенная память FIFO позволяет буферизовать данные инерциального датчика. Датчик BMX055 оснащен цифровыми двунаправленными интерфейсами SPI и I2C. Диапазон напряжений питания VDDIO от 1,2 В до 3,6 В.

Рис. 8 Структурная схема инерциального датчика BMX055

Из рис. 11 понятно, что BMX055 состоит из трёх сенсоров: акселерометра, гироскопа и магнитометра. При подключении по I2C каждому сенсору присваивается свой адрес. Полученные данные обрабатываются готовой библиотекой.

BMX055 имеет два отдельных вывода питания:

VDD является основным источником питания для внутренних блоков

VDDIO - это отдельный вывод питания, используемый в основном для питания интерфейса.

Нет ограничений на уровни напряжения обоих контактов относительно друг друга, пока каждый из них находится в пределах своего рабочего диапазона. Кроме того, устройство может быть полностью выключено (VDD = 0 В) при сохранении питания VDDIO (VDDIO> 0 В) и наоборот.

Разработка устройства питания

Многие зарубежные разработчики систем мониторинга в качестве источника питания используют солнечные панели. Величина солнечной инсоляции, достигающей поверхности планеты, зависит от широты интересующей местности. Россия располагается между 41 и 82 градусами северной широты, следовательно выдаваемая мощность одинаковых солнечных панелей разнится в зависимости от местонахождения. Однако определённую часть регионов можно считать пригодной для использования солнечных панелей. микроконтроллер радиосвязь датчик давление

Для того чтобы оценить целесообразность использования солнечных панелей в системе мониторинга гравитационных склоновых процессов обратимся к таблице 2, где представлена суммарная солнечная радиация (кВтч/м2) для города Сочи, в окрестностях которого часто наблюдается оползневая активность.

Таблица 2 Сумма солнечной радиации в г. Сочи

Сумма солнечной радиации, кВтч/м2
Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь
44,6	64,4	106,0	130,8	180,4	202,5
Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
217,3	186,0	140,7	95,8	54,3	38,8
Итого в год:	1461,6

Теперь произведем расчёт фактической мощности солнечного модуля (Подковальников, Поломошина, 2018). Фактическая мощность, вырабатываемая солнечными панелями, обычно составляет 75-85 % от заявленной производителем. Это обусловлено воздействием погоды, углом падения солнечных лучей на поверхность панели и ориентации на юг. В городе Сочи, расположенном на 43 градусах северной широты оптимальный угол составляет 46 градусов (Boxwell, 2019).

Рассмотрим распространённую солнечную панель мощностью 1.2 Ватт, напряжением 5В и размерами 135x65мм. Чтобы рассчитать реальную мощность одной такой солнечной панели воспользуемся формулой (1):



(1)

Где E - фактическая мощность одной панели, Вт;

I - количество солнечной энергии, падающее на горизонтальную поверхность Земли, кВтч/м2 (дано в таблице 1);

V - номинальная мощность панели, Вт;

k0 - поправочный коэффициент, равный 0,5 и 0,7 в летний и зимний периоды соответственно;

kпот - коэффициент, характеризующий потери (принимается равным 0,94 и включает в себя потери из-за затенения и загрязнения солнечных панелей);

U - интенсивность солнечной радиации, при которой тестируются солнечные панели, кВтч/м2 (стандартная величина равна 1 кВтч/м2).

Полученные результаты собраны в таблице 3.

Таблица 3 Фактическая мощность заданной солнечной панели в г. Сочи

Фактическая мощность одной панели, Вт
Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь
35,2	50,9	83,7	73,8	101,7	114,2
Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
122,6	104,9	79,3	75,6	42,9	30,6
Итого в год:	915,4

Сделаем аналогичные расчёты для некоторых других городов Российской Федерации. Критерием выбора является разброс по географическим координатам и большое количество жителей. Данные были взяты из открытых источников NASA. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4 Суммарная солнечная радиация в городах РФ

Месяц	Владивосток	Новосибирск	Якутск	Москва	Петрозаводск	Мурманск
Январь	72,9	24,2	8,7	23,3	9,0	0,6
Февраль	95,5	46,2	32,5	44,0	28,3	11,5
Март	138,0	93,3	87,1	88,0	70,4	52,1
Апрель	150,3	132,0	136,8	116,7	116,1	106,8
Май	164,6	172,1	167,7	158,4	157,5	147,3
Июнь	160,8	179,1	189,6	156,3	171,9	154,2
Июль	141,1	182,9	184,5	159,0	163,1	142,0
Август	133,3	146,0	141,7	133,3	125,9	104,5
Сентябрь	123,0	91,2	78,6	80,4	71,4	56,1
Октябрь	101,4	53,9	42,2	47,1	34,7	20,8
Ноябрь	69,9	28,2	13,2	24,6	12,6	2,4
Декабрь	61,4	15,2	3,7	15,5	4,7	0,0
Итого в год:	1412,0	1164,3	1086,2	1046,6	965,4	798,2

Далее будем производить расчеты согласно формуле 1. Возьмем те же значения мощности солнечной панели, которые использовались для расчетов в городе Сочи. Полеченные значения представлены в таблице 5.

Таблица 5 Фактическая мощность заданной солнечной панели в городах РФ

Месяц	Владивосток	Новосибирск	Якутск	Москва	Петрозаводск	Мурманск
Январь	57,5	19,1	6,9	18,4	7,1	0,5
Февраль	75,4	36,5	25,6	34,7	22,3	9,1
Март	108,9	73,7	68,8	69,5	55,6	41,1
Апрель	84,8	74,4	77,2	65,8	65,5	60,2
Май	92,8	97,0	94,6	89,3	88,8	83,0
Июнь	90,7	101,0	106,9	88,2	97,0	87,0
Июль	79,6	103,2	104,0	89,7	92,0	80,1
Август	75,2	82,3	79,9	75,2	71,0	58,9
Сентябрь	69,4	51,4	44,3	45,3	40,3	31,6
Октябрь	80,0	42,6	33,3	37,2	27,4	16,4
Ноябрь	55,2	22,3	10,4	19,4	9,9	1,9
Декабрь	48,5	12,0	2,9	12,2	3,7	0,0
Итого в год:	917,9	715,5	654,9	645,0	580,5	469,9

Теперь рассмотрим величину тока, потребляемого созданной системой. Максимальный суммарный ток потребления системы мониторинга составляет ? 175 мА. На широте Сочи, Владивостока в худший месяц по показателям (декабрь) солнечная панель с указанными характеристиками способна обеспечить систему ? 200 мА тока. На широтах Новосибирска, Якутска, Москвы в этот же месяц наблюдается небольшая фактическая мощность заданной панели. Однако нужно учитывать тот факт, что пик оползневой активности наблюдается в весенне-летний период, когда выдаваемой мощности хватает для эффективной подзарядки аккумулятора. В городе Мурманске, расположенном за полярным кругом, применение солнечных панелей круглогодично нецелесообразно, так как с сентября по февраль мощность солнечной панели не сможет достигнуть номинального значения в 1,2 Вт, а следовательно обеспечить ток, необходимый для подзарядки аккумулятора. Солнечные панели следует использовать на экстремальных широтах в весенне-летний период времени с настройкой системы на минимальное потребление. При необходимости увеличения времени автономной работы системы в заполярных, полярных и приполярных широтах в схему необходимо ввести дополнительные солнечные панели, объединенные в каскады для увеличения выходных параметров или вводить в схему повышающие преобразователи. Однако сам по себе оползневой мониторинг не так актуален в этих широтах, так как склоновые процессы чаще наблюдаются в южных регионах страны. В связи с полученными результатами было принято решение использовать солнечные панели в качестве устройств подзарядки Li-Ion аккумулятора. Для этих целей была разработана схема устройства питания (Приложение А) в веб-ориентированной среде EasyEDA. Данное ПО включает в себя инструменты разработки принципиальных схем и создания топологии печатных плат, SPICE-симулятор, облачное решение, позволяющее хранить данные на серверах компании, а также средства заказа изготовления печатных плат.

Для контроля уровня заряда Li-Ion аккумулятора был выбран чип CN3065 (Consonance…). Благодаря встроенному МОП-транзистору с p-каналом, зарядное устройство использует постоянные ток и напряжение для зарядки аккумуляторов. Управление полевым транзистором происходит за счёт напряжения на затворе-истоке. При подключении МОП-транзистора применяется следующая обвязка: RC-цепочка, подключаемая параллельно истоку-стоку, быстрый защитный диод и резистор между истоком и затвором. RC-цепочка используется для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, которые имеют место быть во время переключения режима из-за индуктивности подводящих шин. Колебания высокой частоты и импульсные токи могут привести к перегреву устройства. Резистор между истоком и затвором нужен для сброса заряда с затвора. Диод предназначается для шунтирования импульса тока, который может появляться при отключении индуктивности. Однако устройство CN3065 не требует подключения блокирующего диода, о чём производитель предупреждает в технической документации. Встроенный 8-разрядный АЦП может регулировать зарядный ток автоматически в зависимости от выходной мощности источника питания, поэтому CN3065 подходит для систем на солнечных батареях. На рис. 12 представлена модель разработанной платы устройства питания. Значения конденсаторов C17 и C16 выбраны согласно технической документации и равны 22 мкФ и 4.7 мкФ соответственно. Входы P1 и P2 предназначены для подключения солнечной панели. Диоды LED1 (красный) и LED2 (зелёный) сигнализируют о текущем состоянии устройства питания. Значение сопротивления R5 подбирается таким, чтобы обеспечить необходимый ток заряда.

Теперь обратимся к рис. 13. Цикл зарядки начинается, когда напряжение на выводе VIN поднимается выше уровня UVLO (защита от защёлкивания при низких напряжениях питания и управления), резистор для установки тока подключается от контакта ISET к земле. На вывод выводится низкий логический уровень, указывающий, что цикл зарядки продолжается. В начале цикла зарядки, если напряжение на выводе FB ниже 3 В, зарядное устройство находится в режиме предварительной зарядки, чтобы поднять напряжение элемента до безопасного уровня для зарядки. Зарядное устройство переходит в режим постоянного тока, когда напряжение на выводе FB поднимается выше 3В. Когда батарея приближается к напряжению регулирования, зарядный ток начинает уменьшаться, а CN3065 входит в режим постоянного напряжения.

Рис. 9 Модель спроектированной платы устройства питания с CN3065

Когда ток падает до порога прекращения зарядки, цикл зарядки прерывается, внутренним переключателем переводится в низкий уровень, и вывод принимает состояние высокого сопротивления, чтобы указать, что цикл зарядки завершен. Порог прекращения заряда составляет 10% от тока в режиме постоянного тока. Когда входное напряжение отсутствует, зарядное устройство переходит в режим ожидания, снижая ток разряда аккумулятора до уровня ниже 3 мкА. Это значительно уменьшает потребление тока от аккумулятора. Также предусмотрена установка бокса для Li-Ion аккумулятора U4.

В среде разработки EasyEDA так же была разработана топология печатной платы, представленная в приложении Б. Плата является двусторонней, физический размер 73x68 мм. Возможно изготовление такой печатной платы на производстве, так как ПО позволяет осуществить экспорт в производственные файлы (Gerber).

Разработка схемы передающего устройства

Схема для автоматизированной системы мониторинга тоже была спроектирована в среде EasyEDA. В результате работы создана схема, представленная в приложении В. Для контроллера STM32F103 оптимальным напряжением питания являются 3.3 В. Устройства U3 и U7 служат стабилизаторами для поступающего с элемента питания напряжения и обеспечивают необходимое напряжение. Так как резервный источник питания отсутствует, вывод Vbat был подключен к общему источнику питания. Сглаживающие и блокирующие конденсаторы расположены на шинах питания в соответствии с рекомендациями производителя STMicroelectronics.

Рис. 10 Ток и напряжение зарядки

Микроконтроллер - это синхронный автомат, работающий от единого источника тактовых импульсов. На разработанной схеме микроконтроллер STM32F103 тактируется от высокочастотного осциллятора O1. Типовое подключение описано в технической документации и показано на рис. 14. Осциллятор и нагрузочные конденсаторы на плате расположены как можно ближе к контактам, чтобы минимизировать искажения на выходе и время стабилизации при запуске.



Рис. 11 Типовое подключение резонатора к STM32

Источник: Техническая документация STMicroelectronics

Датчик абсолютной ориентации в пространстве BMX055 было решено подключить через I2C, поэтому было реализовано прямое электрическое соединение между источником питания VDDIO и выводом PS.

Интерфейс I2C микроконтроллера STM32F103 несколько отличается от стандартного протокола связи I2C: когда несколько устройств подключены к шине I2C, невозможно выключить STM32F103, пока другой узел I2C остаётся включенным. В противном случае STM32F103 будет запитан от защитного диода. Типовая конфигурация выводов I2C представлена на рис. 15.

Рис. 12 Типовая конфигурация выводов SDA и SCL

Источник: Техническая документация STMicroelectronics

Беспроводной модуль LoRa был подключен к STM32 через интерфейс SPI. SPI представляет собой синхронный интерфейс, где обмен данными синхронизирован с общим тактовым сигналом, генерирующимся на микропроцессоре. Также на плате предусмотрен разъём для подключения антенны.

В среде разработки EasyEDA так же была разработана топология печатной платы, представленная в Приложении Г. Плата является двусторонней, физический размер 83x108 мм.

Разработка схемы климатического блока

Было решено заменить датчик BMX055 на BME280 без замены остальных элементов, так как схема климатического блока похожа на схему передающего устройства. Подключение BME280 так же осуществлялось по шине I2C. Схема устройства представлена в Приложении Д. Топология печатной платы представлена в Приложении Е. Плата двусторонняя, физический размер 103x60 мм. Модель спроектированной платы климатического блока представлена на рис. 16.

Рис. 13 Модель спроектированной платы климатического блока

Разработка программного обеспечения

Разработка внутреннего ПО микроконтроллера проводилась в среде STM32Cube IDE. В ней возможна конфигурация проекта, настройка периферии и тактирования микроконтроллера, генерация и компиляция кода с поддержкой языков C, C++. Также поддерживается библиотека HAL, разработанная компанией STMicroelectronics. Она позволяет сократить время разработки, так как пропадает необходимость работать с регистрами напрямую. При этом возможно создание сразу нескольких проектов, что позволяет быстро переносить файлы из одного в другой. Готовый проект загружается в память микроконтроллера в виде бинарных файлов.

Рис. 14 Визуальное представление используемых выводов

Настройка функциональных выводов была сделана в одной из четырёх вкладок среды разработки STM32Cube IDE. Графическое представление микроконтроллера позволило быстро выбрать необходимые выводы и настроить их. Визуальное представление используемых выводов можно увидеть на рис. 17. Для разрабатываемой системы мониторинга были активированы следующие необходимые подключения: I2C, GPIO_output, UART, SPI, а также пины для загрузчика и тактирования микроконтроллера. К шине I2C подключаются датчики (атмосферного давления или положения в пространстве), SPI используется для подключения трансивера, на GPIO_output располагается светодиод.



Рис. 15 Конфигурация источников тактового сигнала

Следом была выполнена настройка тактирования. Графически в среде STM32Cube IDE отображаются связи между составными компонентами, что упрощает настройку. Увидеть настройки конфигурации можно на рис. 18. Так как ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) производит операцию умножения HSE на целочисленное значение, частота внешнего сигнала должна быть целочисленным делителем 72 МГц. В связи с этим было выбрано значение входной частоты равное 8 МГц. Также была активирована система CSS (Clock Security System). Она контролирует работу высокочастотного генератора HSE. Если генератор выходит из строя, то система тактирования автоматически переходит на работу от RC-генератора. В окне FCLK отображается значение тактирования ядра STM32F103, которое определяет время выполнения команд. Периферийное тактирование подбирается автоматически в зависимости от настроек тактирования ядра.

Далее был написан программный код с опорой на рекомендации, приведённые в технической документации соответствующих компонентов системы мониторинга. Для удобства были подключены все необходимые библиотеки HAL. Результат работы программного кода для климатического блока получен в терминале и представлен на рис. 19.



Рис. 16 Результат работы ПО для климатического блока

Ниже представлен программный код климатического блока, который позволяет получать данные о погодных условиях в режиме реального времени. Некоторая часть кода генерируется автоматически после выставления настроек тактирования микропроцессора и активации выводов связи. Для инициализации климатического датчика были подключены соответствующие библиотеки, содержимое которых предоставляется производителем Bosch Sensortec.



Ниже приведён программный код, обеспечивающий работу датчика положения в пространстве. Инициализация датчика положения в пространстве производилась с использованием библиотек, предоставляемыми производителем Bosch Sencortec.



Заключение

В результате выполнения работы по созданию автоматизированной системы мониторинга гравитационных склоновых процессов были получены следующие результаты:

разработаны электрические схемы климатического блока и датчиков, фиксирующих своё местоположение в пространстве;

разработаны печатные платы элементов системы, пригодные для промышленного производства;

создан программный код, обеспечивающий считывание, обработку и передачу данных с датчиков.

создан макет системы, наглядно демонстрирующий функционал системы.

На рис. 20 представлен макет разработанной системы.

Рис. 20 Макет автоматизированной системы мониторинга



Список литературы

1. Macek M., Petkovsek A., Majes B., Mikos M.: Landslide Monitoring Techniques Database: [Материалы конференции] "World Landslide Forum 3", Пекин, 2014, стр. 193-197.

2. Демин А.М.: Способ прогноза катастрофической фазы оползня в карьере: [Материалы симпозиума] "Неделя горняка - 97", Москва, 1997, стр. 26-28.

3. Wu Y., Niu R., Lu Z.: A fast monitor and real time early warning system for landslides in the Baige landslide damming event, Tibet, China: 11 марта 2019

4. Fathani T.F., Karnawati D.: A Landslide Monitoring and Early Warning System: [Журнал] Landslide Dynamics, 2017, стр. 297-308.

5. Huang F.M., Wu P., Ziggah Y.Y., GPS Monitoring Landslide Deformation Signal Processing using Time-series Model: [Журнал] International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition, Vol.9, No.3, 2016, стр. 321-332

6. Awaludin L., Dhewa O. A., Low Cost Sensor Node Device for Monitoring Landslide: [Журнал] Indonesian Journal of Electronics and Instrumentation Systems, (IJEIS) Vol.8, No.2, 2018, стр. 201-210.

7. STMicroelectronics, STM32F103x8: [Техническая документация], 2015.

8. Silicon Laboratories Inc., Single-chip USB to UART bridge: [Техническая документация], Austin, 2017.

9. Semtech Corp., SX 1276/77/78/79: [Техническая документация], 2019.

10. Bosch Sensortec, Combined humidity and pressure sensor BME280: [Техническая документация], Reutlingen, 2018.

11. Bosch Sensortec, 9-axis sensor module BMX055: [Техническая документация], Reutlingen, 2013.

12. Подковальников С.В., Поломошина М.А.: Интеграция возобновляемых источников энергии в систему электроснабжения промышленного предприятия: [Журнал] Вестник Иркутского государственного технического университета, том 22, №11, Иркутск, 2018, стр 182-198

13. Boxwell M.: Solar Electricity Handbook: [Книга], Greenstream Publishing, 2019.

14. Consonance, Lithium Ion Battery Charger for Solar-Powered Systems CN3065: [Техническая документация].



Приложение

Схема устройства питания



Разработанная печатная плата устройства питания

Схема передающего устройства



Разработанная печатная плата передающего устройства

Схема климатического блока



Разработанная печатная плата климатического блока



Размещено на Allbest.ru

...