一种无线传感器监测系统的设计和研究

    摘  要: 给出了一种无线传感器监测系统的设计与开发，结合MEMS微传感器和无线通信技术，研究了MEMS微加速度计检测信号的测量与无线传输技术，设计了系统电路，并完成了原型装置的制作与调试。通过无线、有线传感器的时频响应特性比较表明，无线传感器监测系统能够满足桥梁健康监测的要求。 

    关键词: 无线传感器; ADXL202E; MEMS; 桥梁健康监测

       传统的桥梁健康监测采用有线检测方案，各种传感器(加速度传感器或应变传感器等)都是通过导线连接到数据采集设备，即各个传感器采集的数据均通过导线传输到中央处理器进行集中处理和诊断。尤其对于大跨桥梁结构等大型结构物，其测试点之间、测试断面之间相距较远，进行有效的检测和监测的各种传感器数量有数百个之多，检测和监测的参数在四、五种以上。首先，在这样大规模的多点、多参数、远距离测试试验中，需铺设大量的信号电缆，尤其是在一次性试验和环境条件危险恶劣的情况下，操作起来十分复杂而烦琐，占用了大量的人力和物力。其次，常用无线电传输模式又极易受外界和内部各种环境因素的干扰，电磁场和湿度等环境干扰将破坏传输导线中的信号的质量。再次，庞大的有线数据传输系统的可靠性差，传感器和线路完好率降低。此外，大量传输导线还存在布设空间的问题。基于以上分析，开发一个可靠性好、准确性高、兼容性好、适于远距离对桥梁进行测控的系统是十分必要的，而其实现的最好选择就是研制开发一个无线传感器监测系统。 

    本文主要阐述无线传感器监测系统研制开发工作。无线传感器是利用现有的基于MEMS技术和嵌入技术的电子器件组成，无线传感器采用模块化方法进行设计，各模块之间预留接口，这样可以对各模块进行单独调试，更容易发现和解决问题，也使设计更加趋于标准化，实现各模块“即插即拔”的集成。 

1 系统的硬件结构 

    传感器及数据电路主要有3个电路设计部分：加速度计传感器及其数据采集电路；位移传感器及其数据采集电路；应变传感器及其数据采集电路。在这里主要介绍设计中最复杂的加速度计传感器及其数据采集电路设计模块，如图1所示该部分电路由3部分组成：MEMS^[1]加速度传感器ADXL202E、滤波及频率选择电路及16位A/D转换电路。 

1.1 加速度传感器芯片ADXL202Ｅ  

    ADXL202E^[2]的带宽选择决定测量精度(测量最小的加速度)。滤波可降低噪音，提高加速度测量仪的分辨率。分辨率取决于X_FILT和Y_FILT的滤波带宽以及微控制器的计算速度。 

    ADXL202E的模拟信号输出具有典型的5 kHz带宽，需对信号进行滤波处理以减少频率混叠。同时，为了使脉宽占空比的误差最小，模拟带宽应比DCM的频率低1/10。在实际应用中，模拟带宽可提高至DCM频率的1/2，但这可能导致DCM的动态误差增大。 

    模拟带宽可进一步减小，从而降低噪声，提高分辨率。ADXL202E的噪声特点是在所有频率下都是同样大的白色高斯噪声，以μg/(Hz)^1/2为单位。换句话说，噪声与加速度信号带宽平方根成正比。因此，将带宽限制为实际应用所需的最低频率，可以使分辨率和加速度计的动态范围达到最大^[3]。 

    ADXL202E的典型噪声值可用公式(1)计算，例如：100Hz时的噪声均方值计算为2.53 mg。 

    通常噪声峰值是确定的，可通过均方值来估计噪声峰值。通过以上分析设计出ADXL202E电路原理如图2所示，图中输出端直接与微处理器I/O口相连。 

1.2 微处理单元模块 

    Atmega是AVR单片机中一款非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备 AVR 高档单片机 MEGA 系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装（为DIP28和TQFP/ML32），所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比、深受用户喜爱的单片机。Atmega单片机具有以下特点：8 KB的在线编程Flash程序存储器，512 B E2PROM,1KB SRAM，32个通用工作寄存器，23个通用I/O口，3个带有比较模式灵活的定时器/计数器，18个内外中断源，一个可编程的SUART接口，1个8位I²C 总线接口，4通道的10位ADC，2通道8位ADC，可编程的看门狗定时器，1个SPI接口和5种可通过软件选择的节电模式。 

1.3 无线模块 

    射频电路是连接各个无线传感器节点的纽带，是无线传感器节点组成网络的保证，在本文的射频电路模块设计中，射频电路模块的无线收发芯片采用NORDIC公司的nRF2401，nRF2401是NORDIC公司推出的低功耗单片无线收发芯片，它利用全球开放的2.4 GHz频段，多达125个操作频道，满足多频及跳频需要，信道交换时间小于200 μs；具有高数据吞吐量，通信速率可达1 Mb/s，高于蓝牙^[4]；只要两个外围元件一个晶振和一个电阻）就可正常工作；其发射功率、工作频率等所有工作参数可以全部通过软件设置完成；在-5 dBm的发射功率时，最大的工作电流只要10.5mA，接收时最大工作电流只要18 mA；DuoCeiver^TM技术使nRF2401可以用一根天线同时接收两个不同频道的数据；芯片内部设置了专门的稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均能达到很好的通信效果；每个芯片通过软件可设置最多40 bit地址，只有收到本机地址时才会输出数据；其中纠检错是无线通信设计的难点，nRF2401内置了CRC纠检错硬件电路和协议，大大减轻了软件设计人员的工作量。如图3所示是一个典型的nRF2401电路原理图，选用nRF2401的目的是因为多个加速度传感器同步采集时产生的数据量大，必须采用高速的无线收发芯片以满足桥梁结构健康监测中加速度传感器数据采集的需要。 

1.4 能量单元 

    能量供应模块的主要功能是为传感器节点提供运行所需的能量，一般情况下使用微型电池。 

2 系统的软件结构 

    系统的软件主要由主程序、延时子程序及定时器中断服务程序、无线通信子程序、数据采集子程序、PC 机通信RS232子程序5部分组成。 

    在程序设计中,使用C 语言开发,使用AVR STUDIO 语言编译器编译、调试程序。运用了模块化与结构化的程序设计技术,各模块之间既各自独立又相互联系,提高了效率,节省了内存,也有利于程序的调试。各个程序模块的功能如下： 

    主程序：系统上电或复位后,即进入主体模块,其功能是初始化、开中断、连接各个子模块并协调它们工作。 

    延时子程序：无线通信传输要有合适的时间,使之能及时通信。为此采用定时器中断和软件延时相结合的方法来实现这些定时。 

    定时器中断服务程序：单片机ATmega128L分时地控制各个单元电路，通过定时器在给定的时间内中断程序,去完成整个系统功能，使整个传感器节点协调工作起来。 

    无线通信子程序：无线收发模块的功能开启和切换都需要无线通信子程序来进行。 

    数据采集及处理子程序：读取各传感器数据值,并进行一定的处理及存储。 

    PC机通信子程序：实现串口通信，便于节点开发初期调试使用及系统使用过程中出现问题时维修硬件时使用。 

3 无线传感器的性能检测 

    在工程中，一般使用有线传感器监测大型土木结构，通过以有线方式传输数据的测试系统和以无线通信方式传输数据的无线测试系统及理论计算值,对比分析多组测试数据,验证无线测试系统在实际传输中的可靠性^[5]。为了检测无线传感器使用的有效性，测试采用有线与无线两种方式分别对迁西县彩虹桥进行检测，采样频率均为20 Hz，控制器输出频率为3 Hz、幅值为0.5 cm的正弦波信号来检测结构的振动，其中结构振动包括在信号作用下的受迫振动以及信号作用后的自由振动。取前面1～4 096个点,结果如图4～图10所示。 

    其中，图4、图5给出了无线、有线传感器的时域响应特性，图6、图7给出了有线、无线传感器滤波前频域响应特性，图8、图9给出了有线、无线传感器滤波后时域响应特性，这与控制的正弦波信号差别不大；从图4～图10中对结构振动的加速度传感器测试波形分析可知，无线加速度传感器与有线加速度传感器的时域波形一致，虽然它们的频域有点不同，笔者认为有以下几个原因：(1)数据采集的时刻不一致引起的;(2)前端信号的滤波和调理模块不一样; (3)采集信号时传感器不是紧挨在一起。总之从以上的分析和图中的时域、频域的波形比较得知，无线加速度传感器可以反映出结构的振动特性，能够满足大型土木结构健康监测的一种要求。 

    本文针对传统的有线大型土木结构健康监测系统布线工作复杂、成本高等问题，利用无线传感器网络技术，设计了一种无线传感器监测系统，避免了传统有线监测中布线难度随传感器的增多而成几何级数增加，并杜绝了有线方式易受人为破坏而导致监测失败的问题；提高了结构健康监测系统的可靠性、配置的灵活性以及节点设备的易维护性。 

参考文献 

[1] FABIO C, LUCIA F, FAUSTO B. Wireless links between sensor-device control stations in long span bridges[C].Conference on smart systems and nondestructive evaluation for civil infrastruct-ures.San Diego:[s.n.],2003:1-7. 

[2] 黄侨,李忠龙,沙学军,等.基于应变式传感器的桥梁无线测试系统的试验[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(10). 

[3] Analog Devices Inc. Low cost 2g/10g dual axis iMEMS Accelerometers with digital output ADXL202/ADXL210[EB/OL].NAM S H, SHIN O S, LEE K B. Transmit power allocation for a modified V-BLAST system[J]. 

[3] AKYILD IZIF,SUW,SANKARASUBRAMAN IAM Y,et al.A Survey on Sensor Network [J]. IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-11.  

[4] Nordic Semiconductor. Single chip 2.4GHz transceiver:nRF2401A, Product Specification.