无线传感器检测系统

边坡监测传感器系统的硬件设计

尧春燕余清华林兴立

（暨南大学土木工程系广州510632）

摘要：本文从系统组成、工作原理及硬件设计三个方面详细介绍本创新成果——边坡监测传感器系统。

无线传感器网络WSN是随着微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步而兴起的一项新技术，它由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集、和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。本课题将无线传感器网络应用于边坡稳定的长期监测，可以实现一天二十四小时自动监测，从而实时获取精确的监测数据，具有自动化、智能化程度高和效率高等特点。

1、边坡监测传感器系统组成

本边坡监测传感器系统基于无线传感器网络,其主要由硬件部分和软件部分组成，硬件部分包括监测区域内的节点模块、基站模块（中继）、GPRS模块和监测中心计算机；软件部分包括单片

机控制程序和监测中心计算机中的应用程序。系统中每一部分都是模块化的，具有结构紧凑、易于维护等优点。

传感器系统组成简图

2、系统的工作原理

本监测系统主要有数据采集、数据传输、数据转换并加入数据库、数据处理五项功能。数据采集由监测区域内各节点完成，监测区域内的节点组成数据采集网络，单个节点可以是加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、温度传感器等及其组合，用于测量该节点各层土体中的土压力、土体位移、孔隙水压力、土体温度等数据，并将数据通过传感器内置的单片机进行初步处理，再通过埋设的电缆把数据传递给埋设在表层的无线发射装置。各节点的无线发射装置将数据汇集到监测区域的基站中，数据采集过程完成。数据传输过程则由基站将数据通过GPRS发射装置发送到无线GSM网络，经由国际互联网，传递到数据接收终端（这里采用个人计算机）。终端接收到数据后，数据采集装换软件将数据纳入数据库。数据库处理软件便可以通过长期监测建立起来的数据库调用数据，列出供人查询，更进一步，软件可以根据数据绘制出边坡位移、压力、温度等曲线，直观的将边坡的变化呈现出来，通过设定位移等参数的阀值，并设置数据自动更新，可以动态地监测边坡的变化并在数据达到阀值时发出报警。

3、传感器系统硬件设计：

3、1、传感器模块（原理参照中期成果）

加速度传感器、电阻应变式土压力传感器以及温度传感器。由于本系统主要用来监测边坡位移，因此节点设计的重点放在加速度传感器上。

本设计采用MMA7260Q高集成度三轴加速度传感器。MMA7260Q是一种低成本单芯片三轴向高灵敏度加速度传感器，基于表面微机械结构，集成信号调理电路、单极点低通滤波器和温度补偿部分，并且具有4种不同的灵敏度选择模式。滤波器截止频率已在出厂前设定，不需要外部调整。同时它包含一种睡眠模式，使其成为小型电池供电便携式设备的理想之选。MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速器。主要具有以下特点：①XYZ：在一个设备中提供三轴向检测灵敏度。②可选灵敏度：1．5、2、4和6 g。③低功耗：500uA 。

④睡眠模式：3uA ，是电池供电的手持电子产品的理想之选。⑤低压运行：2．2—3．6 V。⑥快速启动：lms。⑦低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度。

⑧封装：16引脚6 mm×6 mm×1．45 mm方体扁平封装(QFN)。

传感器结构图

结构。MMA7260Q功能框图如上图所示。在IC内部主要由双芯片构成，即重力检测单元(负责加速度的侦测)与IC控制单元(负责信号处理)。重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到C—V转换电路，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。

原理。重力感测单元(G—CELL)由基于半导体材料的微机械结构构造而成。物理模型可以构造成一对固定的面板，中间包含一块可移动的面板，如下图所示。

当系统被给定一加速度

时，中间板就会漂移。中间

板移动时，它到一边(固定的

面板)的距离增加，而到另一

边的距离相应地减少，这种

距离的变化可用来表征加速度。G—CELL的面板构成了两个背对背的电容，当中间面板随着加速度移动时，两个面板之问的距离就会改变，因此电容值也随之改变，C=Aε／D。这里A是指

面板面积，ε是介电常数，D是面板间距。在ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)中使用开关电容测量出G— CELL的电容值，并从他们的差值中解析出加速度数据。&SIC再进行信号调理和信号滤波(使用开关电容)，最后输出正比于加速度的电压。

灵敏度选择(g—Select)。根据g—Selectl、g—Select2两脚输入电平的不同，MMA7260Q具有4种灵敏度选择模式。根据不同的产品应用可以选择不同的灵敏度，而且在应用时可以任意改变。

睡眠模式(Sleep Mode)。当要提供MMA7260Q 12引脚(Sleep Mode)低电平时，传感器在低功耗模式下运行，此时运行电流仅为3 L。当提供其高电平时，传感器就会保持正常的运行模式。

测量原理。此处略提，详见中期成果。MMA7260Q用于倾角测量是最典型的应用之一，它以重力(F=mg)为输入矢量来决定物体在空间的姿态。把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。

某点P在Oxyz坐标系的坐标是（x，y，z），P点在xOy平面上的投影P’点，如图2所示：如果x，y 轴绕Oz 逆时针旋转α角，形成OXYZ坐标系，设P’点在新坐标系中的坐标为（X，Y，Z），很显然Z=z，由解析几何原理知:

写成方程的形式为：

写成矩阵的形式为：

其中x,y,z为初始位置时传感器发出的信号。经过坐标变换，最终得出地层倾角θ和倾斜方位角Ψ。