摘 要: 給出了一種無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，結(jié)合MEMS微傳感器和無線通信技術(shù)，研究了MEMS微加速度計檢測信號的測量與無線傳輸技術(shù)，設(shè)計了系統(tǒng)電路，并完成了原型裝置的制作與調(diào)試。通過無線、有線傳感器的時頻響應(yīng)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(guān)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(yīng)變傳感器等)都是通過導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即各個傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過導(dǎo)線傳輸?shù)街醒胩幚砥鬟M行集中處理和診斷。尤其對于大跨橋梁結(jié)構(gòu)等大型結(jié)構(gòu)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(shù)量有數(shù)百個之多，檢測和監(jiān)測的參數(shù)在四、五種以上。首先，在這樣大規(guī)模的多點、多參數(shù)、遠距離測試試驗中，需鋪設(shè)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(fù)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(nèi)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(dǎo)線中的信號的質(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)空間的問題。基于以上分析，開發(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(xiàn)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(xiàn)有的基于MEMS技術(shù)和嵌入技術(shù)的電子器件組成，無線傳感器采用模塊化方法進行設(shè)計，各模塊之間預(yù)留接口，這樣可以對各模塊進行單獨調(diào)試，更容易發(fā)現(xiàn)和解決問題，也使設(shè)計更加趨于標(biāo)準化，實現(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個電路設(shè)計部分：加速度計傳感器及其數(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)計中最復(fù)雜的加速度計傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路設(shè)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(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(yīng)比DCM的頻率低1/10。在實際應(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(yīng)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(shè)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(nèi)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(dāng)，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(shù)器，18個內(nèi)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(wǎng)絡(luò)的保證，在本文的射頻電路模塊設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)可以全部通過軟件設(shè)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(shù)使nRF2401可以用一根天線同時接收兩個不同頻道的數(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開關(guān)電源均能達到很好的通信效果；每個芯片通過軟件可設(shè)置最多40 bit地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)；其中糾檢錯是無線通信設(shè)計的難點，nRF2401內(nèi)置了CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議，大大減輕了軟件設(shè)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，必須采用高速的無線收發(fā)芯片以滿足橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中加速度傳感器數(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(jié)構(gòu)
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(wù)程序、無線通信子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、PC 機通信RS232子程序5部分組成。
在程序設(shè)計中,使用C 語言開發(fā),使用AVR STUDIO 語言編譯器編譯、調(diào)試程序。運用了模塊化與結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計技術(shù),各模塊之間既各自獨立又相互聯(lián)系,提高了效率,節(jié)省了內(nèi)存,也有利于程序的調(diào)試。各個程序模塊的功能如下：
主程序：系統(tǒng)上電或復(fù)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(xié)調(diào)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(jié)合的方法來實現(xiàn)這些定時。
定時器中斷服務(wù)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(nèi)中斷程序,去完成整個系統(tǒng)功能，使整個傳感器節(jié)點協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)采集及處理子程序：讀取各傳感器數(shù)據(jù)值,并進行一定的處理及存儲。
PC機通信子程序：實現(xiàn)串口通信，便于節(jié)點開發(fā)初期調(diào)試使用及系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，通過以有線方式傳輸數(shù)據(jù)的測試系統(tǒng)和以無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)的無線測試系統(tǒng)及理論計算值,對比分析多組測試數(shù)據(jù),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(jié)構(gòu)的振動，其中結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)特性，圖6、圖7給出了有線、無線傳感器濾波前頻域響應(yīng)特性，圖8、圖9給出了有線、無線傳感器濾波后時域響應(yīng)特性，這與控制的正弦波信號差別不大；從圖4～圖10中對結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集的時刻不一致引起的;(2)前端信號的濾波和調(diào)理模塊不一樣; (3)采集信號時傳感器不是緊挨在一起。總之從以上的分析和圖中的時域、頻域的波形比較得知，無線加速度傳感器可以反映出結(jié)構(gòu)的振動特性，能夠滿足大型土木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)布線工作復(fù)雜、成本高等問題，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)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(shù)增加，并杜絕了有線方式易受人為破壞而導(dǎo)致監(jiān)測失敗的問題；提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、配置的靈活性以及節(jié)點設(shè)備的易維護性。
參考文獻
[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] 黃僑,李忠龍,沙學(xué)軍,等.基于應(yīng)變式傳感器的橋梁無線測試系統(tǒng)的試驗[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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.