第三章 邊坡獨立智能感測器建立
第二節 邊坡獨立智能感測器構建
本邊坡獨立智能感測器可同時具備淺層邊坡破壞預警以及蒐集各項環境因 子功能，以利大數據分析使用，且為利於將來廣泛佈設、易於維護，以低成本、
低 功 耗 為 主 要 訴 求 ， 採 用 大 量 微 機 電 感 測 器 模 組(Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS)，包含有高精度傾斜儀(Inclinometer, INC)、絕對氣壓計(Barometer, BAR)、溫濕度計(Hygrometer, HYG)、微型雨量計(Rain Gauge, RG)、土壤含水量 計(Soil Moisture Sensor, SMS)、六軸慣性量測單元(Inertial measuring unit, IMU)。
圖 3-2 為感測器系統架構，以微控制器(Micro Control Unit, MCU)負責蒐集各感
現有市售具有開源軟體(Open Source Software, OSS)的主流微控制器有 Arduino、樹梅派(Raspberry Pi)、Linkit、Intel Edison 四種。其中 Arduino 為 微控制器，包含大量I/O 腳位，可直接與電子元件連結，開發難度相對較低，
且透過 USB 介面連結電腦便可刷入其韌體，使得 Arduino 在開發上較具優 勢；樹梅派係微型化電腦，運算能力上勝過Arduino，然而樹梅派需掛載擴 充面板方可提供足夠數量的輸入端，空間耗用較大；Intel Edison 成本較高，
且開源軟體少，開發難度與成本皆高；Linkit 則缺乏記憶體管理單元(Memory Management Unit, MMU)，故本計畫決定採 Arduino 作為微控制器。
Arduino Uno(圖3-3)搭載 ATmega328 微處理器，其時脈高達 16MHz，
且具14 支數位 I/O 接腳，其中包含有一組 SPI(Serial Peripheral Interface Bus) 介面以及一組 I2C(Inter-Integrated Circuit)介面，I2C 更支援單一匯流排最多 可和112 個節點通訊，足以應付多數模組間之數位資料傳輸。另外配有 6 支 類比訊號接腳，可透過微控制器內含之類比/數位轉換器(Analog/Digital Convert-er, A/DC)將類比訊號轉換成數位訊號，亦可作為數位 I/O 接腳使用，
滿足多數感測器的功能需求，且尺寸僅長2.7”(約 6.9cm)、寬 2.1”(約 5.4cm)，
易於收納，工作電壓5V，輸入電壓介於 7~15V 也適用多數市售充電電池。
二、高精度傾斜儀INC
傾斜儀可以觀察長期潛變下地表傾斜角度之變化，並做為最終評估邊坡 滑動之依據，因此邊坡預警對傾斜儀之解析度要求相當高。高精度傾斜儀採 以Murata Electronics 所生產之傾斜儀 SCA100T(圖3-4)，具有±90 度量測範 圍下最小之解析度，可達0.0035 度(10Hz BW 類比輸出)，並內建有 10bit 解 析度之A/DC，使其同時支援類比訊號與數位 SPI 雙輸出模式，與微控制器 間通訊相當彈性，其缺點為價格較為高昂。
根據Murata Electronics 建議之電路圖(圖3-5)製作一 SCA100T 測試板，
分別透過 Arduino 以及精密電錶與電源供應器進行比例類比電壓輸出標定 (圖 3-6)，並以一振弦式傾斜儀作為參考基準，Arduino 標定結果如圖 3-7，
電錶標定結果展示如圖 3-8，圖 3-9 則展示電錶量得電壓經過 Murata Elec-tronics 建議之電壓-角度關係轉換後之角度與振弦式傾斜儀量測角度間之關 係，結果顯示SCA100T 具有足夠之線性、重複性以及解析度。
故本計畫選用Argent Data Systems 推出之微型雨量計(圖3-12)，體積僅 4.75"
x 2.38" x 3"，且相當輕巧，易於與智能感測器之硬體整合，且售價僅工業級 雨量計的1/50，滿足本案低成本之需求。其量測精度為 0.011” (0.2794mm)。
五、土壤含水量計SMS
市售土壤含水量計可分為電阻式與電容式，並以電容式較經濟，故本計 畫採用由Catnip Electronics 所設計製作之電容式含水量計(圖3-13)，其具有 低成本、高解析度與高重複性等優勢，量測範圍為0~100%，圖3-14為含水 量計測得之讀值與土壤體積飽和度關係圖，測試之土壤為麥寮砂，土壤飽和 度係使用市售Decagon Devices 出廠之 EC-5 測得，圖中可見 Catnip 具備足 夠之線性度，解析度可達0.1777 %。與 EC-5 相比，EC-5 使用之量測頻率為 70MHz 高於 Catnip 的 16MHz，具有較佳之重複性與抗干擾性，但其售價約 為 Catnip 的 20 倍，且 EC-5 採用類比輸出，於訊號傳輸過程中亦受其他含 InvenSense 所生產之 MPU-6050 六軸 IMU(圖 3-15)內建一 MCU，除了同一 般六軸 IMU 可提供三軸向之線性加速度與角速度外，該 MCU 已嵌入運算 韌體，可將六軸資料轉換成軌跡運算所需之歐拉角(Euler angles)，大幅簡化 韌體開發難度並降低系統MCU 負擔，蒐集之六軸資料將來可運用於軌跡運 算，故本研究採用TDK InvenSense 所生產之 MPU-6050。此外 IMU 亦可提 供傾斜角度資訊，圖3-16顯示MPU-6050 所測得之 X 向與 Y 向線性加速度 與同向傾斜角度變化之關係，結果相當線性且高重複性，標定方法如圖3-17 所示。
七、無線傳輸模組
無線數據傳輸平台包含有wi-fi、藍牙、GSM、zigbee 等相關技術，選用 條件除考量低功耗之外，因邊坡滑動多發生於強降雨時，而水對電磁波的傳 遞具有相當程度的干擾，因此亦須考量穿透屏蔽能力，而傳輸距離以及傳輸 網路陣列則可降低中繼站數量，間接降低成本需求，亦為選擇上之考量。為
此，各種適用於本計畫之無線通訊模組條列如下：
(一) Radio frequency (RF)
最為廣泛使用之無線訊號傳輸模組，由於具有智能調整以及可延伸 之運作時間。相較於CC1200DK，RF 具有低功耗、高速率、多頻點、低應 用成本以及便於開發等優勢，故本計畫決定以 RF 傳輸技術的衍生技術
丟失數據包和自動產生應答信號，使其得以自動檢測並重發遺失的封包，重 Dip2.54mm 介面，便於嵌入式應用。NRF24L01 的 SPI 介面可以利用微控制 器的SPI 介面連接或以 I/O 接腳進行模擬，內部具有 FIFO(First In, First Out) 與各種高低速微處理器接腳，便於使用低成本微控制器。
八、模組化電路板
為整合上述各功能元件並提升系統穩定度以及減少空間需求，本計畫設 計二模組化之印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)如圖3-19所示，電路圖 如圖3-20。此二PCB 主要設計成擴充模組，可掛載於 Arduino Uno 上使用， (unplasticized Polyvinyl Chloride, uPVC)與含水量計外殼所構成，並採用 3D 印表 機製作外構。各項說明如下： nRF24L01 之天線，並於小孔周圍填滿矽利康防水膠以防止上蓋進水。由於 本計畫裝設於現地之邊坡獨立智能感測器數據資料係透過電線傳輸至資料 擷取器並統一彙整傳送遠端伺服器，故不須使用無線傳輸模組與天線，為增 加防水盒密封防水性，並未鑽孔裝設天線。下蓋如圖3-24，將Arduino 系統 黏於底部平面，儘量保持水平。下蓋側壁需鑽小孔用以拉入電源線，小孔周
邊亦使用矽利康防止進水。下蓋底面鑽有 4 個小孔以供微型百葉筒固定使
並以電子封裝膠進行封裝使其防水與絕緣，訊號線則採用防水耐油汙之耐候 型外披覆4 芯電子訊號線，故含水量計外殼以及 uPVC 皆無須考慮防水。
五、外構封膠組裝
邊坡獨立智能感測器各外構組件接合處皆使用環氧樹脂黏著AB 劑，接 合部分包含(1)防水盒與微型百葉筒，(2) 微型百葉筒與 uPVC 延伸桿件，(3) uPVC 延伸桿件與含水量計外殼。除此之外，含水量計上部保護空間內使用 環氧樹脂電子零件灌注膠封填，以防止含水量計外殼進水可能導致電子元件 損壞。
邊坡獨立智能感測器組裝容易，首先將含水量計焊接訊號線後置入含水 量計外殼內封膠，再將含水量計訊號線拉至上部防水盒內，用AB 劑接合各 部件，接著放入Arduino 系統至防水盒內並接上電源與訊號線，最後鎖上防 水盒即完成組裝，如圖3-21。