無(wú)線傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

1、邊坡監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)堯春燕 余清華 林興立（暨南大學(xué)土木工程系 廣州 510632）摘要：本文從系統(tǒng)組成、工作原理及硬件設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳細(xì)介紹本創(chuàng)新成果邊坡監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN是隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步而興起的一項(xiàng)新技術(shù)，它由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集、和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。本課題將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)一天二十四小時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)獲取精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有自動(dòng)化、智能化程度高和效率高等特點(diǎn)。1、邊坡監(jiān)

2、測(cè)傳感器系統(tǒng)組成本邊坡監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),其主要由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分包括監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)模塊、基站模塊（中繼）、GPRS模塊和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)； 軟件部分包括單片機(jī)控制程序和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序。系統(tǒng)中每一部分都是模塊化的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖2、系統(tǒng)的工作原理本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并加入數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理五項(xiàng)功能。數(shù)據(jù)采集由監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)完成，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是加速度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、溫度傳感器等及其組合，用于測(cè)量該節(jié)點(diǎn)各層土體中的土壓力、土體位移、孔隙水壓力

3、、土體溫度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器內(nèi)置的單片機(jī)進(jìn)行初步處理，再通過(guò)埋設(shè)的電纜把數(shù)據(jù)傳遞給埋設(shè)在表層的無(wú)線發(fā)射裝置。各節(jié)點(diǎn)的無(wú)線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)匯集到監(jiān)測(cè)區(qū)域的基站中，數(shù)據(jù)采集過(guò)程完成。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程則由基站將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)射裝置發(fā)送到無(wú)線GSM網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，傳遞到數(shù)據(jù)接收終端（這里采用個(gè)人計(jì)算機(jī)）。終端接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)采集裝換軟件將數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)處理軟件便可以通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)建立起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用數(shù)據(jù)，列出供人查詢(xún)，更進(jìn)一步，軟件可以根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出邊坡位移、壓力、溫度等曲線，直觀的將邊坡的變化呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)設(shè)定位移等參數(shù)的閥值，并設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)更新，可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)邊坡的變化并在數(shù)據(jù)

4、達(dá)到閥值時(shí)發(fā)出報(bào)警。3、傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：3、1、傳感器模塊（原理參照中期成果）加速度傳感器、電阻應(yīng)變式土壓力傳感器以及溫度傳感器。由于本系統(tǒng)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)邊坡位移，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在加速度傳感器上。本設(shè)計(jì)采用MMA7260Q高集成度三軸加速度傳感器。MMA7260Q是一種低成本單芯片三軸向高靈敏度加速度傳感器，基于表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，集成信號(hào)調(diào)理電路、單極點(diǎn)低通濾波器和溫度補(bǔ)償部分，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。濾波器截止頻率已在出廠前設(shè)定，不需要外部調(diào)整。同時(shí)它包含一種睡眠模式，使其成為小型電池供電便攜式設(shè)備的理想之選。MMA7260Q能在XYZ三個(gè)軸向上以極高的靈敏度讀取低重力水平的

5、墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、震動(dòng)和搖擺，它是同類(lèi)產(chǎn)品中的第一個(gè)單芯片三軸向加速器。主要具有以下特點(diǎn)：XYZ：在一個(gè)設(shè)備中提供三軸向檢測(cè)靈敏度。 可選靈敏度：15、2、4和6 g。 低功耗：500uA 。 睡眠模式：3uA ，是電池供電的手持電子產(chǎn)品的理想之選。 低壓運(yùn)行：2236 V?？焖賳?dòng)：lms。低噪音：達(dá)到更高的分辨率、更高的精確度。 封裝：16引腳6 mm×6 mm×145 mm方體扁平封裝(QFN)。傳感器結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)。MMA7260Q功能框圖如上圖所示。在IC內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力檢測(cè)單元(負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè))與IC控制單元(負(fù)責(zé)信號(hào)處理)。重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到

6、的加速度變化量信號(hào)送到CV轉(zhuǎn)換電路，而后進(jìn)行取樣、保持及信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。原理。重力感測(cè)單元(GCELL)由基于半導(dǎo)體材料的微機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成。物理模型可以構(gòu)造成一對(duì)固定的面板，中間包含一塊可移動(dòng)的面板，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)被給定一加速度時(shí)，中間板就會(huì)漂移。中間板移動(dòng)時(shí)，它到一邊(固定的面板)的距離增加，而到另一邊的距離相應(yīng)地減少，這種距離的變化可用來(lái)表征加速度。GCELL的面板構(gòu)成了兩個(gè)背對(duì)背的電容，當(dāng)中間面板隨著加速度移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)面板之問(wèn)的距離就會(huì)改變，因此電容值也隨之改變，C=AD。這里A是指面板面積，是介電常數(shù)，D是面板間距。

7、在ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)中使用開(kāi)關(guān)電容測(cè)量出G CELL的電容值，并從他們的差值中解析出加速度數(shù)據(jù)。&SIC再進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和信號(hào)濾波(使用開(kāi)關(guān)電容)，最后輸出正比于加速度的電壓。靈敏度選擇(gSelect)。根據(jù)gSelectl、gSelect2兩腳輸入電平的不同，MMA7260Q具有4種靈敏度選擇模式。根據(jù)不同的產(chǎn)品應(yīng)用可以選擇不同的靈敏度，而且在應(yīng)用時(shí)可以任意改變。睡眠模式(Sleep Mode)。當(dāng)要提供MMA7260Q 12引腳(Sleep Mode)低電平時(shí)，傳感器在低功耗模式下運(yùn)行，此時(shí)運(yùn)行電流僅為3 L。當(dāng)

8、提供其高電平時(shí)，傳感器就會(huì)保持正常的運(yùn)行模式。測(cè)量原理。此處略提，詳見(jiàn)中期成果。MMA7260Q用于傾角測(cè)量是最典型的應(yīng)用之一，它以重力(F=mg)為輸入矢量來(lái)決定物體在空間的姿態(tài)。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí)，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會(huì)發(fā)生改變，因此可通過(guò)測(cè)量加速度的變化來(lái)反映物體姿態(tài)的變化。某點(diǎn)P在Oxyz坐標(biāo)系的坐標(biāo)是（x，y，z），P點(diǎn)在xOy平面上的投影P點(diǎn)，如圖2所示：如果x，y 軸繞Oz 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角，形成OXYZ坐標(biāo)系，設(shè)P點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y，Z），很顯然Z=z，由解析幾何原理知:寫(xiě)成方程的

9、形式為：寫(xiě)成矩陣的形式為：其中x,y,z為初始位置時(shí)傳感器發(fā)出的信號(hào)。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，最終得出地層傾角和傾斜方位角。（參見(jiàn)中期成果）3、2、節(jié)點(diǎn)信息處理器模塊TI公司超低功耗微處理器MSP430F149。MSP430F149內(nèi)置12位ADC，具有8路外部采樣電路和內(nèi)部參考電源；擁有5種低功耗模式，以適應(yīng)不同需要。MMA7260Q的供電電壓在2.23.6V之間，輸出信號(hào)在03V以?xún)?nèi)，電源可與430單片機(jī)共用，而且輸出的信號(hào)可直接輸入MsP430的AD通道而不必對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行變換。MMA7260Q與MSP430單片機(jī)的接口電路下所示。3、3、無(wú)線通信模塊和電源模塊無(wú)線收發(fā)模塊主要是由TEXAS IN

10、STRUMENTS 的射頻芯片CC2420 和天線組成. CC2420 是低成本收發(fā)機(jī),特別設(shè)計(jì)用于2. 4GHz 無(wú)須授權(quán)的ISM 頻帶內(nèi)的低功耗、低電壓RF 應(yīng)用,且支持ZigBee/ IEEE802.15.4RF 收發(fā)機(jī). CC2420采用0. 18m CMOS 工藝,基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)解決方案的協(xié)同工作能力支持了系統(tǒng)的低數(shù)據(jù)率、低功耗、安全及可靠,故采用它作為本系統(tǒng)的無(wú)線通信芯片。射頻芯片與微處理器的SPI 等引腳相連,用來(lái)對(duì)RF 芯片的初始化及數(shù)據(jù)的收發(fā),CC2420 通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與天線相連。在整個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量中,CC2420 進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送所消耗的能量最大。所以節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于

11、掉電狀態(tài),當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或接收時(shí)才喚醒節(jié)點(diǎn)工作,這樣可以達(dá)到節(jié)能的目的。電源模塊采用3V紐扣鋰電池供電，采用美信MAX1795作為DC-DC穩(wěn)壓電路的核心，在電池電壓不足時(shí)，該芯片可以升壓輸出，保證傳感器、微處理器、無(wú)線發(fā)射等模塊的正常工作。由于電池容量有限，而且穩(wěn)壓電路也會(huì)有效率損失，導(dǎo)致電池提前失效,但是在整個(gè)使用周期中預(yù)測(cè)工作的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的，今后的改進(jìn)中可能會(huì)在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處外置太陽(yáng)能充電模塊，為內(nèi)置鋰電池充電，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作。Max1795電源芯片針腳定義傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)制作且調(diào)試完后,在計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)調(diào)試好的程序,通過(guò)MSP430F149 的JTAG口將程序燒寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)。此時(shí)

12、,節(jié)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行程序,由傳感器板的各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù),過(guò)微處理器的處理再通過(guò)CC2420 由天線將數(shù)據(jù)輻射出去。3、4、基站模塊基站模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖所示主控器是一個(gè)16 位微控制器MSP430F1611，其具有極低的功耗和豐富的片內(nèi)資源。它有48KB 的Flash，10KB 的RAM，兩個(gè)16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)12位A/D，一個(gè)12位D/A，片內(nèi)比較器，兩個(gè)UART 口，SPI 口，DMA 方式和JTAG 接口。它除了正常的操作模式外，MSP430F1611 還具有5 種低功耗模式。CC2420 是符合工作在24GHz 頻段IEEE802154 標(biāo)準(zhǔn)的射頻（RF）收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)了IEEE

13、 802154 協(xié)議的媒體訪問(wèn)控制器（MAC）層，兼有發(fā)射和接收的功能，具有250kb/s 的傳輸速率、以及低電壓、低耗電的特性，而且還非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用?；灸K平常是處于休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)發(fā)來(lái)時(shí)，MSP430F1611 立刻喚醒CC2420 收發(fā)器，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，接收完一組數(shù)據(jù)之后，MSP430F1611 通過(guò)串口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，把數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS 模塊。4、結(jié)語(yǔ)本文提出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在上文中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，是邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)中的一個(gè)創(chuàng)新。本系統(tǒng)在理論上是設(shè)計(jì)出來(lái)了，由于本人所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)條件以及時(shí)間的限制，目前還無(wú)法做出一套成品。本系統(tǒng)理論上是可行的，但是由于邊坡地質(zhì)條件的復(fù)雜性，系統(tǒng)制作出來(lái)后能否真正應(yīng)用在工程上面還有待論證和試驗(yàn)。展望未來(lái)，該系統(tǒng)將會(huì)得到補(bǔ)充和完善，以適應(yīng)不同工程條件的需要，并在邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中發(fā)揮巨大作用。參考文獻(xiàn)1. 測(cè)斜傳感器設(shè)計(jì).【D】重慶科技學(xué)院專(zhuān)科生畢業(yè)設(shè)計(jì).指導(dǎo)教師吳英2. 齊丹、鄧中華、王川嬰、孫濤、唐新建.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用自動(dòng)化與儀表，2010(2)：28323.