摘 要: 給出了一種無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)，結合MEMS微傳感器和無線通信技術，研究了MEMS微加速度計檢測信號的測量與無線傳輸技術，設計了系統(tǒng)電路，并完成了原型裝置的制作與調試。通過無線、有線傳感器的時頻響應特性比較表明，無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足橋梁健康監(jiān)測的要求。
關鍵詞: 無線傳感器; ADXL202E; MEMS; 橋梁健康監(jiān)測
傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測采用有線檢測方案，各種傳感器(加速度傳感器或應變傳感器等)都是通過導線連接到數據采集設備，即各個傳感器采集的數據均通過導線傳輸到中央處理器進行集中處理和診斷。尤其對于大跨橋梁結構等大型結構物，其測試點之間、測試斷面之間相距較遠，進行有效的檢測和監(jiān)測的各種傳感器數量有數百個之多，檢測和監(jiān)測的參數在四、五種以上。首先，在這樣大規(guī)模的多點、多參數、遠距離測試試驗中，需鋪設大量的信號電纜，尤其是在一次性試驗和環(huán)境條件危險惡劣的情況下，操作起來十分復雜而煩瑣，占用了大量的人力和物力。其次，常用無線電傳輸模式又極易受外界和內部各種環(huán)境因素的干擾，電磁場和濕度等環(huán)境干擾將破壞傳輸導線中的信號的質量。再次，龐大的有線數據傳輸系統(tǒng)的可靠性差，傳感器和線路完好率降低。此外，大量傳輸導線還存在布設空間的問題?；谝陨戏治觯_發(fā)一個可靠性好、準確性高、兼容性好、適于遠距離對橋梁進行測控的系統(tǒng)是十分必要的，而其實現的最好選擇就是研制開發(fā)一個無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。
本文主要闡述無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研制開發(fā)工作。無線傳感器是利用現有的基于MEMS技術和嵌入技術的電子器件組成，無線傳感器采用模塊化方法進行設計，各模塊之間預留接口，這樣可以對各模塊進行單獨調試，更容易發(fā)現和解決問題，也使設計更加趨于標準化，實現各模塊“即插即拔”的集成。
1 系統(tǒng)的硬件結構
傳感器及數據電路主要有3個電路設計部分：加速度計傳感器及其數據采集電路；位移傳感器及其數據采集電路；應變傳感器及其數據采集電路。在這里主要介紹設計中最復雜的加速度計傳感器及其數據采集電路設計模塊，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轉換電路。
1.1 加速度傳感器芯片ADXL202Ｅ
ADXL202E[2]的帶寬選擇決定測量精度(測量最小的加速度)。濾波可降低噪音，提高加速度測量儀的分辨率。分辨率取決于XFILT和YFILT的濾波帶寬以及微控制器的計算速度。
ADXL202E的模擬信號輸出具有典型的5 kHz帶寬，需對信號進行濾波處理以減少頻率混疊。同時，為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應比DCM的頻率低1/10。在實際應用中，模擬帶寬可提高至DCM頻率的1/2，但這可能導致DCM的動態(tài)誤差增大。
模擬帶寬可進一步減小，從而降低噪聲，提高分辨率。ADXL202E的噪聲特點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，噪聲與加速度信號帶寬平方根成正比。因此，將帶寬限制為實際應用所需的最低頻率，可以使分辨率和加速度計的動態(tài)范圍達到最大[3]。
ADXL202E的典型噪聲值可用公式(1)計算，例如：100Hz時的噪聲均方值計算為2.53 mg。
通常噪聲峰值是確定的，可通過均方值來估計噪聲峰值。通過以上分析設計出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單片機中一款非常特殊的單片機，它的芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機 MEGA 系列的全部性能和特點，但由于采用了小引腳封裝（為DIP28和TQFP/ML32），所以其價格僅與低檔單片機相當，成為具有極高性價比、深受用戶喜愛的單片機。Atmega單片機具有以下特點：8 KB的在線編程Flash程序存儲器，512 B E2PROM,1KB SRAM，32個通用工作寄存器，23個通用I/O口，3個帶有比較模式靈活的定時器/計數器，18個內外中斷源，一個可編程的SUART接口，1個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器，1個SPI接口和5種可通過軟件選擇的節(jié)電模式。
1.3 無線模塊
射頻電路是連接各個無線傳感器節(jié)點的紐帶，是無線傳感器節(jié)點組成網絡的保證，在本文的射頻電路模塊設計中，射頻電路模塊的無線收發(fā)芯片采用NORDIC公司的nRF2401，nRF2401是NORDIC公司推出的低功耗單片無線收發(fā)芯片，它利用全球開放的2.4 GHz頻段，多達125個操作頻道，滿足多頻及跳頻需要，信道交換時間小于200 μs；具有高數據吞吐量，通信速率可達1 Mb/s，高于藍牙[4]；只要兩個外圍元件一個晶振和一個電阻）就可正常工作；其發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數可以全部通過軟件設置完成；在-5 dBm的發(fā)射功率時，最大的工作電流只要10.5mA，接收時最大工作電流只要18 mA；DuoCeiverTM技術使nRF2401可以用一根天線同時接收兩個不同頻道的數據；芯片內部設置了專門的穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開關電源均能達到很好的通信效果；每個芯片通過軟件可設置最多40 bit地址，只有收到本機地址時才會輸出數據；其中糾檢錯是無線通信設計的難點，nRF2401內置了CRC糾檢錯硬件電路和協議，大大減輕了軟件設計人員的工作量。如圖3所示是一個典型的nRF2401電路原理圖，選用nRF2401的目的是因為多個加速度傳感器同步采集時產生的數據量大，必須采用高速的無線收發(fā)芯片以滿足橋梁結構健康監(jiān)測中加速度傳感器數據采集的需要。
1.4 能量單元
能量供應模塊的主要功能是為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，一般情況下使用微型電池。
2 系統(tǒng)的軟件結構
系統(tǒng)的軟件主要由主程序、延時子程序及定時器中斷服務程序、無線通信子程序、數據采集子程序、PC 機通信RS232子程序5部分組成。
在程序設計中,使用C 語言開發(fā),使用AVR STUDIO 語言編譯器編譯、調試程序。運用了模塊化與結構化的程序設計技術,各模塊之間既各自獨立又相互聯系,提高了效率,節(jié)省了內存,也有利于程序的調試。各個程序模塊的功能如下：
主程序：系統(tǒng)上電或復位后,即進入主體模塊,其功能是初始化、開中斷、連接各個子模塊并協調它們工作。
延時子程序：無線通信傳輸要有合適的時間,使之能及時通信。為此采用定時器中斷和軟件延時相結合的方法來實現這些定時。
定時器中斷服務程序：單片機ATmega128L分時地控制各個單元電路，通過定時器在給定的時間內中斷程序,去完成整個系統(tǒng)功能，使整個傳感器節(jié)點協調工作起來。
無線通信子程序：無線收發(fā)模塊的功能開啟和切換都需要無線通信子程序來進行。
數據采集及處理子程序：讀取各傳感器數據值,并進行一定的處理及存儲。
PC機通信子程序：實現串口通信，便于節(jié)點開發(fā)初期調試使用及系統(tǒng)使用過程中出現問題時維修硬件時使用。
3 無線傳感器的性能檢測
在工程中，一般使用有線傳感器監(jiān)測大型土木結構，通過以有線方式傳輸數據的測試系統(tǒng)和以無線通信方式傳輸數據的無線測試系統(tǒng)及理論計算值,對比分析多組測試數據,驗證無線測試系統(tǒng)在實際傳輸中的可靠性[5]。為了檢測無線傳感器使用的有效性，測試采用有線與無線兩種方式分別對遷西縣彩虹橋進行檢測，采樣頻率均為20 Hz，控制器輸出頻率為3 Hz、幅值為0.5 cm的正弦波信號來檢測結構的振動，其中結構振動包括在信號作用下的受迫振動以及信號作用后的自由振動。取前面1～4 096個點,結果如圖4～圖10所示。
其中，圖4、圖5給出了無線、有線傳感器的時域響應特性，圖6、圖7給出了有線、無線傳感器濾波前頻域響應特性，圖8、圖9給出了有線、無線傳感器濾波后時域響應特性，這與控制的正弦波信號差別不大；從圖4～圖10中對結構振動的加速度傳感器測試波形分析可知，無線加速度傳感器與有線加速度傳感器的時域波形一致，雖然它們的頻域有點不同，筆者認為有以下幾個原因：(1)數據采集的時刻不一致引起的;(2)前端信號的濾波和調理模塊不一樣; (3)采集信號時傳感器不是緊挨在一起?？傊畯囊陨系姆治龊蛨D中的時域、頻域的波形比較得知，無線加速度傳感器可以反映出結構的振動特性，能夠滿足大型土木結構健康監(jiān)測的一種要求。
本文針對傳統(tǒng)的有線大型土木結構健康監(jiān)測系統(tǒng)布線工作復雜、成本高等問題，利用無線傳感器網絡技術，設計了一種無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)有線監(jiān)測中布線難度隨傳感器的增多而成幾何級數增加，并杜絕了有線方式易受人為破壞而導致監(jiān)測失敗的問題；提高了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、配置的靈活性以及節(jié)點設備的易維護性。
參考文獻
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