基于MEMS的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)周圍地質(zhì)層都會(huì)受到不同程度的振動(dòng)的特點(diǎn)，在當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)其振動(dòng)情況。為了給人們爭(zhēng)取逃生時(shí)間，在此基于MEMS加速度傳感器和GPRS模塊，采用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種小型、快速、低功耗的振動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)的解決方案。試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)靈敏、可靠。
關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；MSP430單片機(jī)；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；GPRS模塊

0 引言
    我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，地質(zhì)災(zāi)害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂縫等，而且地震還會(huì)引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，如汶川縣發(fā)生的強(qiáng)烈地震誘發(fā)產(chǎn)生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突發(fā)性和隱蔽性，往往造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的突然性，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方法無(wú)法有效地預(yù)防災(zāi)害，所以建立實(shí)時(shí)自動(dòng)化振動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)非常必要。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)是通過(guò)一定的監(jiān)測(cè)儀器或監(jiān)測(cè)手段對(duì)已知的地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行形變、位移等特征進(jìn)行測(cè)量，分析和了解地質(zhì)災(zāi)害體的變形、位移狀態(tài)及趨勢(shì)，為地質(zhì)災(zāi)害防治決策以及預(yù)報(bào)預(yù)警提供定量的數(shù)據(jù)。
    本文提出一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害振動(dòng)變化并發(fā)出報(bào)警的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的提前預(yù)報(bào)，為人們爭(zhēng)取逃生時(shí)間，使地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)采取相應(yīng)的疏散措施，從而避免更多的人員傷亡和損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)采用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加速度傳感器，利用微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)控制器將MEMS傳感器感應(yīng)的振動(dòng)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳送給無(wú)線傳輸GPRS模塊，振動(dòng)信息數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)去噪、放大，傳送給上位機(jī)，若超過(guò)設(shè)定的報(bào)警閾值則報(bào)警裝置啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
    整個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊，MCU模塊，無(wú)線傳輸模塊，上位機(jī)，電源模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件塊設(shè)計(jì)
2．1 傳感器模塊
    傳感器模塊主要由MEMS傳感器組成，MEMS傳感器集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及控制電路和I2C接口于一體，能很好地獲取周圍環(huán)境的振動(dòng)信息。由于地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的振動(dòng)是在各個(gè)方向上的都有分量的，所以采用三分量傳感器來(lái)測(cè)量三個(gè)正交方向的加速度變化，從而獲得振動(dòng)信息。本設(shè)計(jì)采用相互垂直放置的2個(gè)低成本雙軸加速度傳感器MXC6202來(lái)獲得3個(gè)方向的振動(dòng)信息，其電路圖如圖2所示。

2．2 MCU模塊
    MCU模塊采用MSP430系列單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是16位超低功耗的微控制器系列，可使用電池長(zhǎng)時(shí)間工作，具有強(qiáng)大的處理能力、高穩(wěn)定性；集成了豐富的片上外圍模塊；其開發(fā)工具簡(jiǎn)單，可以在線編程，廣泛應(yīng)用于各種檢測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等方面。
    該設(shè)計(jì)中采用MSP430F247單片機(jī)。單片機(jī)和傳感器兩者之間采用I2C總線傳輸，其連接如圖3所示。

2．3 無(wú)線傳輸模塊
    無(wú)線傳輸模塊可以使用GPRS模塊或CDMA模塊，應(yīng)當(dāng)根據(jù)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的具體情況選擇。在本設(shè)計(jì)中采用Motorola公司的GPRS模塊G24L。G24L是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模塊，具有2個(gè)物理UART和標(biāo)準(zhǔn)USB 2．0接口，可用于AT命令和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)默認(rèn)的波特率是9600b／s。
    設(shè)計(jì)中通過(guò)MSP430單片機(jī)初始化控制G24L的工作狀態(tài)，連接圖如圖4所示。MEMS傳感器監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由MCU控制模塊采集，再通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，當(dāng)振動(dòng)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息。
2．4 電源模塊
    由于本系統(tǒng)在野外工作，所以采用低功耗設(shè)計(jì)，使用鋰電池供電。同時(shí)設(shè)計(jì)了外接電源供電接口，在條件允許的情況下采用外接電源供電，可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 單片機(jī)程序
    發(fā)射端軟件流程圖如圖5所示，首先初始化串口、GPRS模塊G24L和傳感器，然后訪問(wèn)傳感器的地址并采集存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)包以一定的格式通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

3．2 上位機(jī)軟件程序
   設(shè)計(jì)所采用的通信協(xié)議為：一個(gè)數(shù)據(jù)包中10個(gè)字節(jié)，其中2位起始位，2位停止位，中間6位數(shù)據(jù)位，包含x軸、y軸、z軸3個(gè)方向的重力加速度信息。上位機(jī)的軟件流程圖如圖6所示。

4 測(cè)試結(jié)果
    用VC++編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制，通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。
    測(cè)試終端接收界面如圖7所示。

    選取水平面坐標(biāo)為x和y方向，垂直水平面的為z方向。由于加速度傳感器寄存器值和傳感器放置的位置有關(guān)，因此正常情況下x軸的標(biāo)準(zhǔn)值和其他2個(gè)方向值大小不一樣，但不影響獲取該方向的加速度振動(dòng)信息。水平面上移動(dòng)傳感器所處位置，x和y軸信息會(huì)相應(yīng)變化，垂直移動(dòng)時(shí)，z軸會(huì)有相應(yīng)變化。
    測(cè)試過(guò)程中，如果沒(méi)有振動(dòng)，傳感器讀取的數(shù)據(jù)是固定的，通過(guò)通信協(xié)議由串口接收的原始數(shù)據(jù)為：24 08 3 8 3 6 3 d a 76，其中24 0兩位為起始位，最后2位da為停止位，中間是數(shù)據(jù)位8 3 8 3 6 3(8 3為x方向接收的數(shù)據(jù)，8 3為y方向接收的數(shù)據(jù)，6 3為z方向接收的數(shù)據(jù))，76為校驗(yàn)和。所以上位機(jī)可以收到6個(gè)固定的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)水平移動(dòng)傳感器位置，x，y方向會(huì)有相應(yīng)的變化，變化量大于設(shè)定閾值時(shí)就會(huì)報(bào)警。
    測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果采取的校驗(yàn)方式不好，虛警概率很大，這主要和G24L無(wú)線模塊抗干擾性有關(guān)。后經(jīng)過(guò)多次比較校驗(yàn)方式，最后得到的結(jié)果基本無(wú)虛警，達(dá)到要求。

5 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)利用MSP430單片機(jī)實(shí)時(shí)采集兩個(gè)雙軸加速度傳感器構(gòu)成的三分量振動(dòng)信息，并通過(guò)GRPS無(wú)線傳輸模塊傳給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)基站信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。如果采用高精度三分量MEMS加速度傳感器，對(duì)該系統(tǒng)可稍加修改后還可以用于石油物探等領(lǐng)域。