基于MEMS的振动监测系统的设计

摘要：针对地质灾害发生时周围地质层都会受到不同程度的振动的特点，在当地质灾害发生时监测其振动情况。为了给人们争取逃生时间，在此基于MEMS加速度传感器和GPRS模块，采用MSP430单片机设计了一种小型、快速、低功耗的振动监测报警系统，给出了系统的基本结构和电路实现的解决方案。试验结果表明本系统灵敏、可靠。
关键词：MEMS传感器；MSP430单片机；振动监测；GPRS模块

0 引言
    我国是世界上地质灾害较为严重的国家之一，地质灾害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂缝等，而且地震还会引发次生地质灾害，如汶川县发生的强烈地震诱发产生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突发性和隐蔽性，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。由于地质灾害发生的突然性，传统的人工监测方法无法有效地预防灾害，所以建立实时自动化振动监测报警系统非常必要。地质灾害监测是通过一定的监测仪器或监测手段对已知的地质灾害体进行形变、位移等特征进行测量，分析和了解地质灾害体的变形、位移状态及趋势，为地质灾害防治决策以及预报预警提供定量的数据。
    本文提出一种实时监测地质灾害振动变化并发出报警的系统设计，对地质灾害发生时所产生的振动情况进行监测，实现地质灾害的提前预报，为人们争取逃生时间，使地质灾害发生后的短时间内采取相应的疏散措施，从而避免更多的人员伤亡和损失。

1 系统总体设计
    该设计采用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加速度传感器，利用微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)控制器将MEMS传感器感应的振动信息数据实时采集并传送给无线传输GPRS模块，振动信息数据信号经过去噪、放大，传送给上位机，若超过设定的报警阈值则报警装置启动，实现报警功能。
    整个系统由传感器模块，MCU模块，无线传输模块，上位机，电源模块构成，其结构框图如图1所示。

2 系统硬件块设计
2．1 传感器模块
    传感器模块主要由MEMS传感器组成，MEMS传感器集微型传感器、微型执行器以及控制电路和I2C接口于一体，能很好地获取周围环境的振动信息。由于地质灾害产生的振动是在各个方向上的都有分量的，所以采用三分量传感器来测量三个正交方向的加速度变化，从而获得振动信息。本设计采用相互垂直放置的2个低成本双轴加速度传感器MXC6202来获得3个方向的振动信息，其电路图如图2所示。

2．2 MCU模块
    MCU模块采用MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是16位超低功耗的微控制器系列，可使用电池长时间工作，具有强大的处理能力、高稳定性；集成了丰富的片上外围模块；其开发工具简单，可以在线编程，广泛应用于各种检测系统、导航系统、智能化仪器仪表、计算机网络与通信等方面。
    该设计中采用MSP430F247单片机。单片机和传感器两者之间采用I2C总线传输，其连接如图3所示。

2．3 无线传输模块
    无线传输模块可以使用GPRS模块或CDMA模块，应当根据监测地点的具体情况选择。在本设计中采用Motorola公司的GPRS模块G24L。G24L是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模块，具有2个物理UART和标准USB 2．0接口，可用于AT命令和数据传输，系统默认的波特率是9600b／s。
    设计中通过MSP430单片机初始化控制G24L的工作状态，连接图如图4所示。MEMS传感器监测到的振动信号经由MCU控制模块采集，再通过GPRS无线通信模块传输到上位机，当振动值超过设定阈值时，发出报警信息。
2．4 电源模块
    由于本系统在野外工作，所以采用低功耗设计，使用锂电池供电。同时设计了外接电源供电接口，在条件允许的情况下采用外接电源供电，可以延长电池的使用寿命。

3 系统软件设计
3．1 单片机程序
    发射端软件流程图如图5所示，首先初始化串口、GPRS模块G24L和传感器，然后访问传感器的地址并采集存储器的数据，最后将数据包以一定的格式通过串口发送给上位机。

3．2 上位机软件程序
   设计所采用的通信协议为：一个数据包中10个字节，其中2位起始位，2位停止位，中间6位数据位，包含x轴、y轴、z轴3个方向的重力加速度信息。上位机的软件流程图如图6所示。

4 测试结果
    用VC++编程实现上位机控制，通过串口发送AT指令控制GPRS模块的数据收发。
    测试终端接收界面如图7所示。

    选取水平面坐标为x和y方向，垂直水平面的为z方向。由于加速度传感器寄存器值和传感器放置的位置有关，因此正常情况下x轴的标准值和其他2个方向值大小不一样，但不影响获取该方向的加速度振动信息。水平面上移动传感器所处位置，x和y轴信息会相应变化，垂直移动时，z轴会有相应变化。
    测试过程中，如果没有振动，传感器读取的数据是固定的，通过通信协议由串口接收的原始数据为：24 08 3 8 3 6 3 d a 76，其中24 0两位为起始位，最后2位da为停止位，中间是数据位8 3 8 3 6 3(8 3为x方向接收的数据，8 3为y方向接收的数据，6 3为z方向接收的数据)，76为校验和。所以上位机可以收到6个固定的十六进制数据。当水平移动传感器位置，x，y方向会有相应的变化，变化量大于设定阈值时就会报警。
    测试过程中发现，如果采取的校验方式不好，虚警概率很大，这主要和G24L无线模块抗干扰性有关。后经过多次比较校验方式，最后得到的结果基本无虚警，达到要求。

5 结语
    该系统利用MSP430单片机实时采集两个双轴加速度传感器构成的三分量振动信息，并通过GRPS无线传输模块传给上位机，从而实现对手机基站信号覆盖区域内的振动监测。如果采用高精度三分量MEMS加速度传感器，对该系统可稍加修改后还可以用于石油物探等领域。