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。

（参见中期成果）3、2、节点信息处理器模块TI公司超低功耗微处理器MSP430F149。

MSP430F149内置12位ADC，具有8路外部采样电路和内部参考电源；拥有5种低功耗模式，以适应不同需要。

MMA7260Q 的供电电压在2.2—3.6V之间，输出信号在0—3V以内，电源可与430单片机共用，而且输出的信号可直接输入MsP430的A／D通道而不必对信号电压进行变换。

MMA7260Q与MSP430单片机的接口电路下所示。

3、3、无线通信模块和电源模块无线收发模块主要是由TEXAS INSTRUMENTS 的射频芯片CC2420 和天线组成. CC2420 是低成本收发机,特别设计用于2. 4GHz 无须授权的ISM 频带内的低功耗、低电压RF 应用,且支持ZigBee/ IEEE802.15.4RF 收发机. CC2420采用0. 18μm CMOS 工艺,基于标准的网络解决方案的协同工作能力支持了系统的低数据率、低功耗、安全及可靠,故采用它作为本系统的无线通信芯片。

射频芯片与微处理器的SPI 等引脚相连,用来对RF 芯片的初始化及数据的收发,CC2420 通过阻抗匹配网络与天线相连。

在整个节点消耗的能量中,CC2420 进行数据的接收和发送所消耗的能量最大。

所以节点平时处于掉电状态,当有数据需要发送或接收时才唤醒节点工作,这样可以达到节能的目的。

电源模块采用3V纽扣锂电池供电，采用美信MAX1795作为DC-DC稳压电路的核心，在电池电压不足时，该芯片可以升压输出，保证传感器、微处理器、无线发射等模块的正常工作。

由于电池容量有限，而且稳压电路也会有效率损失，导致电池提前失效,但是在整个使用周期中预测工作的优势还是比较明显的，今后的改进中可能会在每一个节点处外置太阳能充电模块，为内置锂电池充电，保证系统的长期工作。

Max1795电源芯片针脚定义传感器网络节点制作且调试完后,在计算机上编写调试好的程序,通过MSP430F149 的JTAG口将程序烧写入单片机内。

此时,节点自动运行程序,由传感器板的各个传感器采集的数据,过微处理器的处理再通过CC2420 由天线将数据辐射出去。

3、4、基站模块基站模块硬件结构如图所示主控器是一个16 位微控制器MSP430F1611，其具有极低的功耗和丰富的片内资源。

它有48KB 的Flash，10KB 的RAM，两个16 位的定时/计数器，一个12位A/D，一个12位D/A，片内比较器，两个UART 口，SPI 口，DMA 方式和JTAG 接口。

它除了正常的操作模式外，MSP430F1611 还具有5 种低功耗模式。

CC2420 是符合工作在2．4GHz 频段IEEE802．15．4 标准的射频（RF）收发器，它实现了IEEE 802．15．4 协议的媒体访问控制器（MAC）层，兼有发射和接收的功能，具有250kb/s 的传输速率、以及低电压、低耗电的特性，而且还非常适用于无线传感器网络的应用。

基站模块平常是处于休眠状态，当检测到有数据发来时，MSP430F1611 立刻唤醒CC2420 收发器，开始接收数据，接收完一组数据之后，MSP430F1611 通过串口，经电平转换电路，把数据发送给GPRS 模块。

4、结语本文提出的无线网络传感器监测系统在上文中已经做了详细的介绍，是边坡监测技术中的一个创新。

本系统在理论上是设计出来了，由于本人所学专业知识、实验经费、实验条件以及时间的限制，目前还无法做出一套成品。

本系统理论上是可行的，但是由于边坡地质条件的复杂性，系统制作出来后能否真正应用在工程上面还有待论证和试验。

展望未来，该系统将会得到补充和完善，以适应不同工程条件的需要，并在边坡长期监测中发挥巨大作用。

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