摘 要: 給出了一種無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，結(jié)合MEMS微傳感器和無(wú)線通信技術(shù)，研究了MEMS微加速度計(jì)檢測(cè)信號(hào)的測(cè)量與無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電路，并完成了原型裝置的制作與調(diào)試。通過(guò)無(wú)線、有線傳感器的時(shí)頻響應(yīng)特性比較表明，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足橋梁健康監(jiān)測(cè)的要求。
關(guān)鍵詞: 無(wú)線傳感器; ADXL202E; MEMS; 橋梁健康監(jiān)測(cè)
傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)采用有線檢測(cè)方案，各種傳感器(加速度傳感器或應(yīng)變傳感器等)都是通過(guò)導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)街醒胩幚砥鬟M(jìn)行集中處理和診斷。尤其對(duì)于大跨橋梁結(jié)構(gòu)等大型結(jié)構(gòu)物，其測(cè)試點(diǎn)之間、測(cè)試斷面之間相距較遠(yuǎn)，進(jìn)行有效的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的各種傳感器數(shù)量有數(shù)百個(gè)之多，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的參數(shù)在四、五種以上。首先，在這樣大規(guī)模的多點(diǎn)、多參數(shù)、遠(yuǎn)距離測(cè)試試驗(yàn)中，需鋪設(shè)大量的信號(hào)電纜，尤其是在一次性試驗(yàn)和環(huán)境條件危險(xiǎn)惡劣的情況下，操作起來(lái)十分復(fù)雜而煩瑣，占用了大量的人力和物力。其次，常用無(wú)線電傳輸模式又極易受外界和內(nèi)部各種環(huán)境因素的干擾，電磁場(chǎng)和濕度等環(huán)境干擾將破壞傳輸導(dǎo)線中的信號(hào)的質(zhì)量。再次，龐大的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性差，傳感器和線路完好率降低。此外，大量傳輸導(dǎo)線還存在布設(shè)空間的問(wèn)題?；谝陨戏治?，開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠性好、準(zhǔn)確性高、兼容性好、適于遠(yuǎn)距離對(duì)橋梁進(jìn)行測(cè)控的系統(tǒng)是十分必要的，而其實(shí)現(xiàn)的最好選擇就是研制開(kāi)發(fā)一個(gè)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
本文主要闡述無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)工作。無(wú)線傳感器是利用現(xiàn)有的基于MEMS技術(shù)和嵌入技術(shù)的電子器件組成，無(wú)線傳感器采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊之間預(yù)留接口，這樣可以對(duì)各模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，更容易發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，也使設(shè)計(jì)更加趨于標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)各模塊“即插即拔”的集成。
1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
傳感器及數(shù)據(jù)電路主要有3個(gè)電路設(shè)計(jì)部分：加速度計(jì)傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路；位移傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路；應(yīng)變傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路。在這里主要介紹設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的加速度計(jì)傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)模塊，如圖1所示該部分電路由3部分組成：MEMS[1]加速度傳感器ADXL202E、濾波及頻率選擇電路及16位A/D轉(zhuǎn)換電路。
1.1 加速度傳感器芯片ADXL202Ｅ
ADXL202E[2]的帶寬選擇決定測(cè)量精度(測(cè)量最小的加速度)。濾波可降低噪音，提高加速度測(cè)量?jī)x的分辨率。分辨率取決于XFILT和YFILT的濾波帶寬以及微控制器的計(jì)算速度。
ADXL202E的模擬信號(hào)輸出具有典型的5 kHz帶寬，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理以減少頻率混疊。同時(shí)，為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應(yīng)比DCM的頻率低1/10。在實(shí)際應(yīng)用中，模擬帶寬可提高至DCM頻率的1/2，但這可能導(dǎo)致DCM的動(dòng)態(tài)誤差增大。
模擬帶寬可進(jìn)一步減小，從而降低噪聲，提高分辨率。ADXL202E的噪聲特點(diǎn)是在所有頻率下都是同樣大的白色高斯噪聲，以μg/(Hz)1/2為單位。換句話說(shuō)，噪聲與加速度信號(hào)帶寬平方根成正比。因此，將帶寬限制為實(shí)際應(yīng)用所需的最低頻率，可以使分辨率和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大[3]。
ADXL202E的典型噪聲值可用公式(1)計(jì)算，例如：100Hz時(shí)的噪聲均方值計(jì)算為2.53 mg。
通常噪聲峰值是確定的，可通過(guò)均方值來(lái)估計(jì)噪聲峰值。通過(guò)以上分析設(shè)計(jì)出ADXL202E電路原理如圖2所示，圖中輸出端直接與微處理器I/O口相連。
1.2 微處理單元模塊
Atmega是AVR單片機(jī)中一款非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) MEGA 系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝（為DIP28和TQFP/ML32），所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性價(jià)比、深受用戶喜愛(ài)的單片機(jī)。Atmega單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：8 KB的在線編程Flash程序存儲(chǔ)器，512 B E2PROM,1KB SRAM，32個(gè)通用工作寄存器，23個(gè)通用I/O口，3個(gè)帶有比較模式靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，18個(gè)內(nèi)外中斷源，一個(gè)可編程的SUART接口，1個(gè)8位I2C 總線接口，4通道的10位ADC，2通道8位ADC，可編程的看門狗定時(shí)器，1個(gè)SPI接口和5種可通過(guò)軟件選擇的節(jié)電模式。
1.3 無(wú)線模塊
射頻電路是連接各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的紐帶，是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)的保證，在本文的射頻電路模塊設(shè)計(jì)中，射頻電路模塊的無(wú)線收發(fā)芯片采用NORDIC公司的nRF2401，nRF2401是NORDIC公司推出的低功耗單片無(wú)線收發(fā)芯片，它利用全球開(kāi)放的2.4 GHz頻段，多達(dá)125個(gè)操作頻道，滿足多頻及跳頻需要，信道交換時(shí)間小于200 μs；具有高數(shù)據(jù)吞吐量，通信速率可達(dá)1 Mb/s，高于藍(lán)牙[4]；只要兩個(gè)外圍元件一個(gè)晶振和一個(gè)電阻）就可正常工作；其發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)可以全部通過(guò)軟件設(shè)置完成；在-5 dBm的發(fā)射功率時(shí)，最大的工作電流只要10.5mA，接收時(shí)最大工作電流只要18 mA；DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以用一根天線同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)；芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開(kāi)關(guān)電源均能達(dá)到很好的通信效果；每個(gè)芯片通過(guò)軟件可設(shè)置最多40 bit地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)；其中糾檢錯(cuò)是無(wú)線通信設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，nRF2401內(nèi)置了CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，大大減輕了軟件設(shè)計(jì)人員的工作量。如圖3所示是一個(gè)典型的nRF2401電路原理圖，選用nRF2401的目的是因?yàn)槎鄠€(gè)加速度傳感器同步采集時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，必須采用高速的無(wú)線收發(fā)芯片以滿足橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中加速度傳感器數(shù)據(jù)采集的需要。
1.4 能量單元
能量供應(yīng)模塊的主要功能是為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，一般情況下使用微型電池。
2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的軟件主要由主程序、延時(shí)子程序及定時(shí)器中斷服務(wù)程序、無(wú)線通信子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、PC 機(jī)通信RS232子程序5部分組成。
在程序設(shè)計(jì)中,使用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā),使用AVR STUDIO 語(yǔ)言編譯器編譯、調(diào)試程序。運(yùn)用了模塊化與結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)技術(shù),各模塊之間既各自獨(dú)立又相互聯(lián)系,提高了效率,節(jié)省了內(nèi)存,也有利于程序的調(diào)試。各個(gè)程序模塊的功能如下：
主程序：系統(tǒng)上電或復(fù)位后,即進(jìn)入主體模塊,其功能是初始化、開(kāi)中斷、連接各個(gè)子模塊并協(xié)調(diào)它們工作。
延時(shí)子程序：無(wú)線通信傳輸要有合適的時(shí)間,使之能及時(shí)通信。為此采用定時(shí)器中斷和軟件延時(shí)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這些定時(shí)。
定時(shí)器中斷服務(wù)程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)ATmega128L分時(shí)地控制各個(gè)單元電路，通過(guò)定時(shí)器在給定的時(shí)間內(nèi)中斷程序,去完成整個(gè)系統(tǒng)功能，使整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作起來(lái)。
無(wú)線通信子程序：無(wú)線收發(fā)模塊的功能開(kāi)啟和切換都需要無(wú)線通信子程序來(lái)進(jìn)行。
數(shù)據(jù)采集及處理子程序：讀取各傳感器數(shù)據(jù)值,并進(jìn)行一定的處理及存儲(chǔ)。
PC機(jī)通信子程序：實(shí)現(xiàn)串口通信，便于節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)初期調(diào)試使用及系統(tǒng)使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)維修硬件時(shí)使用。
3 無(wú)線傳感器的性能檢測(cè)
在工程中，一般使用有線傳感器監(jiān)測(cè)大型土木結(jié)構(gòu)，通過(guò)以有線方式傳輸數(shù)據(jù)的測(cè)試系統(tǒng)和以無(wú)線通信方式傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)及理論計(jì)算值,對(duì)比分析多組測(cè)試數(shù)據(jù),驗(yàn)證無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際傳輸中的可靠性[5]。為了檢測(cè)無(wú)線傳感器使用的有效性，測(cè)試采用有線與無(wú)線兩種方式分別對(duì)遷西縣彩虹橋進(jìn)行檢測(cè)，采樣頻率均為20 Hz，控制器輸出頻率為3 Hz、幅值為0.5 cm的正弦波信號(hào)來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，其中結(jié)構(gòu)振動(dòng)包括在信號(hào)作用下的受迫振動(dòng)以及信號(hào)作用后的自由振動(dòng)。取前面1～4 096個(gè)點(diǎn),結(jié)果如圖4～圖10所示。
其中，圖4、圖5給出了無(wú)線、有線傳感器的時(shí)域響應(yīng)特性，圖6、圖7給出了有線、無(wú)線傳感器濾波前頻域響應(yīng)特性，圖8、圖9給出了有線、無(wú)線傳感器濾波后時(shí)域響應(yīng)特性，這與控制的正弦波信號(hào)差別不大；從圖4～圖10中對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度傳感器測(cè)試波形分析可知，無(wú)線加速度傳感器與有線加速度傳感器的時(shí)域波形一致，雖然它們的頻域有點(diǎn)不同，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)原因：(1)數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻不一致引起的;(2)前端信號(hào)的濾波和調(diào)理模塊不一樣; (3)采集信號(hào)時(shí)傳感器不是緊挨在一起?？傊畯囊陨系姆治龊蛨D中的時(shí)域、頻域的波形比較得知，無(wú)線加速度傳感器可以反映出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，能夠滿足大型土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一種要求。
本文針對(duì)傳統(tǒng)的有線大型土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線工作復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)中布線難度隨傳感器的增多而成幾何級(jí)數(shù)增加，并杜絕了有線方式易受人為破壞而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)失敗的問(wèn)題；提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、配置的靈活性以及節(jié)點(diǎn)設(shè)備的易維護(hù)性。
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