摘要 為了克服現(xiàn)有加速度傳感器精度較低、功耗大和智能化不足的缺陷，文章提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快、能夠?qū)λ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基于邊緣計(jì)算的三軸MEMS數(shù)字加速度智能傳感器。該傳感器與一般傳感器相比，具有體積小、靈敏度高以及易于大規(guī)模批量生產(chǎn)的突出特點(diǎn)，擁有低噪聲、高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)，在正常溫度范圍內(nèi)具有失調(diào)漂移小和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器廣泛應(yīng)用于各類基礎(chǔ)設(shè)施健康檢測(cè)，擁有廣闊的應(yīng)用前景及商業(yè)價(jià)值。

關(guān)鍵詞 邊緣計(jì)算；MEMS；加速度傳感器

中圖分類號(hào) TH824.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0008-04

0 引言

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作中，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)傳感器扮演著極為重要的角色，所以傳感器的開發(fā)研究工作一直是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作的熱點(diǎn)。無(wú)線傳感技術(shù)能有效地解決“有線”傳感技術(shù)布線工作量大和成本高等問題，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)讓監(jiān)測(cè)傳感器的集成度更高、功耗更小、性能更強(qiáng)。該技術(shù)有望解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器笨重、價(jià)格高昂、安裝復(fù)雜和無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題。對(duì)這些傳感技術(shù)做進(jìn)一步的探索與研究能夠促進(jìn)橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展并推動(dòng)它成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)。該研究的主要背景便是基于橋梁檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)明一種基于MEMS技術(shù)的數(shù)字加速度智能傳感器。在現(xiàn)有技術(shù)中，大多數(shù)MEMS傳感器的精度較低，該文要研究的加速度傳感器核心為MEMS加速度芯片，與一般傳感器相比，具有體積小、靈敏度高以及易于大規(guī)模批量生產(chǎn)的突出特點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，三軸加速度傳感器可廣泛應(yīng)用于航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)、軍工產(chǎn)品、汽車行駛、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)也誕生了一系列卓有成效的研究成果。20世紀(jì)70年代，我國(guó)便研制出了應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)中的“開環(huán)型”和“閉環(huán)型”兩種加速度傳感器[1]。之后，西安交通大學(xué)提出了一種帶有軸向應(yīng)力感應(yīng)梁的加速度傳感器[2]。該傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括由鉸鏈連接的兩個(gè)質(zhì)量塊、兩個(gè)平衡質(zhì)量塊、兩個(gè)支撐梁和四個(gè)對(duì)稱制作在支撐梁兩側(cè)的壓敏電阻。中國(guó)科學(xué)院提出了一種三軸高沖擊加速度傳感器結(jié)構(gòu)[3]，其具有高的諧振頻率和高的帶寬。西安交通大學(xué)后來(lái)又提出了一種低交叉干擾、低溫漂移的三軸加速度傳感器[4]，其硅基板由一個(gè)質(zhì)量塊、一個(gè)柔性鉸鏈和外部框架組成。暨南大學(xué)提出了一種具有低交叉干擾特性的壓阻式三軸加速度傳感器[5]。2019年，福州大學(xué)提出了一種可應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的壓阻式三軸加速度傳感器[6]，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)中間質(zhì)量塊及四個(gè)支撐梁。2019年，中北大學(xué)提出了一種橫向靈敏度較低的壓阻式加速度傳感器[7]，其芯片基于MEMS技術(shù)，通過陽(yáng)極鍵合技術(shù)將襯底硅與高硼硅玻璃進(jìn)行鍵合完成芯片封裝。文獻(xiàn)[8]針對(duì)物體空間加速度監(jiān)測(cè)問題，給出一種采用MEMS技術(shù)制作的壓阻式三軸加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)。

以上都是針對(duì)三軸加速度傳感器設(shè)計(jì)的研究報(bào)道，但主要聚焦于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于MEMS數(shù)字加速度傳感器中加入邊緣計(jì)算算法的研究較少。因此，將先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法融入MEMS數(shù)字加速度傳感器中用來(lái)提高傳感器檢測(cè)的自校準(zhǔn)能力，進(jìn)一步提升傳感器檢測(cè)精度，是當(dāng)前業(yè)界面臨的當(dāng)務(wù)之急。在此，該研究針對(duì)三軸MEMS數(shù)字加速度傳感器的標(biāo)定算法展開研究，利用邊緣計(jì)算、嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出一個(gè)基于邊緣計(jì)算的三軸MEMS數(shù)字加速度智能傳感器。

1 系統(tǒng)整體方案

為了克服現(xiàn)有加速度傳感器精度較低、功耗大、智能化不足的缺陷，研究設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快、能夠?qū)λ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基于邊緣計(jì)算的三軸MEMS數(shù)字加速度智能傳感器。

該研究設(shè)計(jì)的基于邊緣計(jì)算的三軸MEMS數(shù)字加速度智能傳感器，包括以下幾個(gè)模塊：用于采集加速度信息的加速度傳感器、用以控制和處理信息的單片機(jī)控制模塊、用于時(shí)空同步及校準(zhǔn)功能的GPS（全球定位系統(tǒng)）+RTC（Real_Time Clock）模塊、用于遠(yuǎn)距離上傳服務(wù)器的NB-IoT/4G模塊和用以提高傳感器的測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輕量化校準(zhǔn)的溫度傳感模塊。所述加速度傳感器、GPS+RTC模塊、NB-IoT/4G模塊和溫度傳感模塊均與所述單片機(jī)控制模塊連接。原理框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)的傳感器中，加速度傳感器、單片機(jī)控制模塊和NB-IoT/4G模塊均與電源模塊連接。其中，各個(gè)模塊芯片具體的選用型號(hào)如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，硬件部分包括單片機(jī)控制模塊、加速度傳感器、GPS模塊、RTC模塊以及溫度傳感模塊等硬件設(shè)計(jì)模塊。

2.1 單片機(jī)控制模塊

功能模塊均由硬件電路實(shí)現(xiàn)。其中，所述MEMS傳感器與GD32F407單片機(jī)控制模塊的SPI1接口連接。所述GPS+RTC模塊與GD32F407單片機(jī)控制模塊的SPI2接口連接。所述NB-IoT/4G模塊與GD32F407單片機(jī)控制模塊的PA9/TX1和PA10/RX1接口連接。所述NAND Flash模塊與GD32F407單片機(jī)控制模塊的PC10/TX4和PC11/RX4接口連接。所述TMP275AID模塊與GD32F407單片機(jī)控制模塊的PB接口連接。單片機(jī)控制模塊硬件電路示意圖如圖2所示。

另外，MEMS傳感器、GD32F407單片機(jī)、NB-IoT/4G模塊以及NAND Flash模塊均焊接于一塊電路板上，電源模塊在該模塊的上方。

2.2 加速度傳感器

研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目選用了亞德諾半導(dǎo)體生產(chǎn)的ADXL355MEMS 傳感器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度的傳感器數(shù)據(jù)采集及傳輸組網(wǎng)，用來(lái)傳輸識(shí)別的數(shù)據(jù)和控制的命令。加速度傳感器的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 GPS模塊

研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目中使用L26T-S89芯片作為GPS模塊的核心部分，單片機(jī)每隔一段時(shí)間會(huì)使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模塊（GNSS）和時(shí)鐘模塊（RTC）進(jìn)行空間與時(shí)間的校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)間同步。GPS模塊硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.4 RTC模塊

研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目中使用RX4111CE芯片作為RTC模塊的核心部分。單片機(jī)每隔一段時(shí)間會(huì)使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模塊（GNSS）和時(shí)鐘模塊（RTC）進(jìn)行空間與時(shí)間的校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)間同步。RTC模塊硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.5 溫度傳感模塊

研究設(shè)計(jì)內(nèi)置了用以提高傳感器測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輕量化校準(zhǔn)的溫度傳感模塊。溫度傳感模塊硬件設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該文為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要進(jìn)行嵌入式、邊緣計(jì)算算法的開發(fā)，遠(yuǎn)期會(huì)開展微信小程序的開發(fā)。

3.1 嵌入式軟件開發(fā)

研究項(xiàng)目基于STM32架構(gòu)，用到單片機(jī)、傳感器、NB-IoT模塊和溫度傳感器等物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)施，該研究進(jìn)行了嵌入式程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)讀取、控制器接收、執(zhí)行控制命令以及無(wú)線數(shù)據(jù)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 邊緣計(jì)算算法

當(dāng)系統(tǒng)開始以后，MEMS加速度傳感器會(huì)按照當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)定的頻率開始采集數(shù)據(jù)，將所采集到的X軸、Y軸、Z軸的數(shù)據(jù)發(fā)送給GD32F407單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)首先會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法補(bǔ)償和邊緣計(jì)算。如果邊緣計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)前被檢測(cè)物的狀態(tài)異常，那么會(huì)喚醒遠(yuǎn)距離通信模塊（NB-IoT/4G模塊），將被檢測(cè)物的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)加上前后一段時(shí)間的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行分析，單片機(jī)也會(huì)將所有采集到的數(shù)據(jù)都保存到本地，以供后續(xù)分析。同時(shí)，單片機(jī)每隔一段時(shí)間會(huì)使用GNSS模塊進(jìn)行本地時(shí)鐘的校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)間同步。邊緣計(jì)算算法設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3.3 微信小程序開發(fā)

該研究遠(yuǎn)期展望設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)云平臺(tái)展示的微信小程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示與監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究針對(duì)當(dāng)下數(shù)字加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，開展了基于邊緣計(jì)算算法的MEMS數(shù)字加速度智能傳感器的研究。該技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器體積笨重、精度低、價(jià)格高昂、安裝復(fù)雜和無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題?；谠撗芯康漠a(chǎn)品技術(shù)集成度高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念新，已在多處基礎(chǔ)設(shè)施開展健康檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用，在未來(lái)會(huì)擁有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景及可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益吧。

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