一种超低功耗无线震动传感器设计

修威国， 唐胜武， 王　政， 咸婉婷， 周　胜

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)



一种超低功耗无线震动传感器设计

修威国， 唐胜武， 王政， 咸婉婷， 周胜

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要:为实现长期无人值守的震动测量与目标识别，设计了一种超低功耗无线震动传感器。该传感器采用磁电式敏感元件来获取震动信号，通过信号调理、数据采集、数据分析、数据存储和无线通信的软硬件设计，完成目标识别和数据传输。通过免供电传感和双处理器设计实现超低功耗工作，利用无线传感器网络监测模式构建无线、分布式震动监测网络。试验结果表明：该传感器能够完成震动信号测量并识别履带车和行人这两种典型目标，电流仅有30 μA，预计可连续工作200天以上。

关键词：传感器； 震动测量； 无线通信； 低功耗

0引言

在国防军事、交通管理等领域的目标监测与识别活动中，地面震动信号测量是重要的技术手段之一[1]。传统的有线分布式震动传感器存在布线复杂，隐蔽性差，易遭到破坏，缺少灵活性等缺点[2]。采用无线传感器网络(WSNs)构建无线分布式震动监测系统可以弥补传统有线方式的不足[3]。现有的无线通信技术主要有Zig Bee技术、Wi-Fi技术、蓝牙技术、GPRS/GSM等。Zig Bee技术作为一种低功耗、低成本、组网灵活的通信技术，在基于WSNs的传感器设计中具有巨大的优势[4]。

现有的无线传感器存在系统集成度低、各功能组件耦合性差，体积较大等问题，同时功耗过高，平均功耗一般在100 mW以上，不利于工作在长期无人值守的环境下；还存在运算速度和处理能力较差，难以实现片上数据处理的不足，造成多传感器原始信号汇入系统主机同时进行处理，加大系统的负担和稳定性[5]。

本文设计了一种超低功耗无线震动目标监测识别传感器，该传感器采用无线通信的一体化结构设计，将传感器与无线网络相结合减小传感器体积，同时通过采用免供电传感器和超低功耗双处理器架构，并结合软件任务模式管理解决超低功耗工作和片上数据处理能力有限的问题，设计满足在无人值守条件下长时间工作的要求。

1工作原理

地面上的运动目标，如步行的人员、行驶车辆等，其运动的过程就是对地面施加一定的激励。地面目标激励下产生的地面震动信号主要取决于地质条件、目标的运动状态和目标的距离。震源位于地表面时，瑞雷波是地面震动探测震源的主要波形，占能量的绝大部分，其满足传感器要求测量目标信号具有一定传播距离的地表信号[6]。

传感器采用磁电式震动采集器作为震动信号拾取的敏感元件，并将拾取的震动信号转换为模拟量。传感器拾取特定范围内运动目标对地面的震动激励信号，通过信号调理与放大电路处理，送入嵌入式处理器中进行处理、分析、计算，通过无线通信方式将检测结果向外传输，实现无人值守环境下的震动测量与信号识别。

其中，拾震器采用三明治结构电磁式震动采集器作为震动信号拾取的敏感元件[7]，其结构如图1所示，主要包括上线圈、下线圈和中间由硅基平面镍弹簧和永磁体构成的拾震结构。

图1　拾震器结构示意图Fig 1　Diagram of vibration pick-ups

当有外界震动在垂直线圈平面方向作用到基底上时，永磁体—弹簧振动系统会产生受迫振动，导致永磁体和线圈之间发生相对运动，导致线圈中的磁体通量发生变化，上、下线圈中都会产生感应电动势，同时通过将上下线圈串联起来，可以大幅增加输出性能。

2低功耗设计

为满足无外部供电条件下长时间无人值守需要，延长无线网络震动传感器的生存期，充分利用传感器的能量，传感器必须对硬件和软件采用低功耗设计[8]。在电路部分采用分区供电设计，将电路中的信号采集、转换、处理、存储、通信等功能模块及其工作状态划分不同区间，传感器工作在不同区间时其能量开销有着明显变化，处理器采用定时唤醒设计，根据不同的任务要求，通过低功耗模拟开关控制各个工作区间的供电，切断不工作功能模块的供电，降低传感器整体功耗。

在实现任务管理的嵌入式软件设计中，采用“流水线”设计思想，将流程分解为不同的运行状态，按时间轮流切换传感器任务运行，每个运行状态只开启相应硬件功能模块的电源，其他部分电源被关断，从而实现功耗最低。

从能量开销的角度看，无线传感器各部分运行状态不同，其能量开销有明显差异。从表1可以看出，S0功耗最大，S1次之，其余依次是S2，S3，S4，S5。

S0状态电路各模块全部处于正常工作状态；S1状态完成数据调理、转换、存储，处理器Ⅱ可由处理器Ⅰ唤醒，或通过无线接收唤醒；S2状态处理器Ⅰ处于空闲状态，处理器Ⅱ完成组网与通信；S3状态可完成数据调理、采集与处理，处理器Ⅱ休眠可由处理器Ⅰ唤醒或接收唤醒；S4状态处于震动监听状态，处理器Ⅰ可通过震动唤醒或定时唤醒；S5状态处于最低功耗状态，其他硬件关闭，处理器Ⅰ仅能通过定时唤醒。通过图2硬件系统，并通过软件控制节点运行流程，可以有效实现无线传感器节点的低功耗工作。

表1　传感器的运行状态

图2　硬件系统能源分配框图Fig 2　Energy distribution block diagram of hardware system

3传感器设计

3.1结构设计

传感器采用一体化设计，将拾震器、电路、天线、电源、外壳整体集成于一体，如图3所示，拾震器固定安装在结构下部空腔中，在结构底部设计了固定椎体，空腔下部外部通过螺纹与固定椎体连接，提高地面安装稳定性和震动信号拾取的敏感度。电路板固定安装于外壳上盖内侧，天线底端与电路板中央焊接的天线座采用螺纹连接，上端穿过上盖中央预留的通孔，并加装密封圈，电池安装在壳内拾震器上部空腔中。

图3　无线震动传感器结构图Fig 3　Structure diagram of wireless vibration sensor

3.2硬件设计

传感器电路由传感器模块、采集模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块组成，电路结构如图4所示，传感器电路采用双处理器架构设计，根据处理任务不同进行具体分工，传感器工作过程中需要对拾取信号进行采集和处理，并运行特征提取与分类识别算法，还要实现电源管理和无线通信。通过双处理器架构的设计，提高了传感器工作效率，满足了传感器工作多任务处理要求。其中一个处理器负责传感器运行过程控制与数据采集、处理；另一个处理器负责无线通信协议的运行，完成组网、同步、数据收发等功能；两个处理器之间通过高速接口进行数据交换。

图4　传感器电路结构图Fig 4　Structure diagram of sensor circuit

无线通信模块选用了超小型高速低功耗的无线收发通信芯片NX297L，该芯片采用2.4 GHz频段，最大传输率为2 Mbps，支持一对多组网和带ACK的通信模式，实现实时可靠的数据传输。无线传感器可通过修改和移植Zig Bee协议栈，建立Zig Bee无线网络实现数据的无线传输[9]。该芯片除具有发送和接收工作模式外，还具备多种待机模式和休眠模式，其休眠电流仅有2 μA，满足本设计对低功耗的要求。

处理器Ⅰ采用了ST公司最新的STM32L0微控制器[10]，其整合了高能效ARM Cortex-M0+内核、优化架构、电源管理模式、独有超低功耗制造工艺。其运行模式功耗低至87 μA/MHz，当保留RAM全部数据时，停止模式功耗为440 nA，并集成低功耗定时器，快速唤醒时间达到3.5 μs，设计时可充分利用不同的低功耗模式实现最佳的任务与能量供应管理。

处理器Ⅱ采用TI公司的低功耗、高性能的定点DSP芯片TMS320VC5409[11]，主要实现数据采集处理与算法执行。将该处理外接10 MHz晶振，并通过软件编程在片的锁相环PLL最高可实现100 MIPS的运算速度。CPU利用其多通道多缓冲串行口(McBSP)，实现多种不同帧结构的同步串行数据接收和发送；其DMA控制器与McBSP结合使用可以大大减少串口数据发送接收对CPU造成的额外负荷。

电源管理模块的能源供应控制主要通过低功耗的电子程控开关ADG821实现给电路模块供电，其可实现最大200 mA电流传输能力，可在-40～125 ℃温度范围自适应工作，切换时间33 ns，可实现电源能量的快速供应，典型功耗不大于0.01 μW。

3.3软件设计

软件功能是实现地面目标识别，在进行数据的滤波处理后，采用了动态浮动阈值的过零分析方法[12]实现对监测目标分类，最终利用频域分析中的功率谱特征进行车辆目标的判定。软件程序整体流程图如图5所示。

图5　软件流程图Fig 5　Program flow chart

4测试结果

功耗测试试验主要在一般地貌的室内、室外常温环境条件下以及温度范围为-40～85 ℃、相对湿度为90 %RH的复杂环境条件下进行，分别对2只样品在网运行的功耗和静态工作电流进行了测试，测试中以30 m范围内的人员和150 m范围内车辆作为测试对象，数据刷新时间为30 s，测试过程中人员进行正常行走和跑步，车辆在不同速度下行进，其功耗选择了工作过程最大功耗点的测量结果，静态工作电流选择的是处于待机状态下的工作电流，如果选择在处理器休眠状态，其他模块关闭状态，其电流可达到更低的水平。测试结果如表2所示。

表2　功耗测试结果

测试结果表明:所有样品在不同工作环境中的平均功耗不超过25 mW，待机状态消耗的电流均在30 μA以内，符合超低功耗设计指标要求，同时,满足90 %以上的正确识别率，可满足无线震动传感器在无人值守条件下长期工作的设计需要。

5结论

本文设计和实现了一种超低功耗的无线震动传感器，可以根据传感器节点各工作状态的能量开销特点，进行任务与能量管理，有效降低了传感器功耗。经测试，本传感器在保持震动监测条件下，其待机电流稳定在30μA以内，预计可连续工作200天以上，大大提高其无人值守条件下野外生存时间。同时本传感器具有集成度高、隐蔽性好、识别准确率高等特点，不仅能够应用在边、海防环境目标监测，同时还可以应用于哨所、机场边界入侵防御等多种场合，具有非常广泛的应用前景。

参考文献:

[1]田晓凤.基于振动传感器的周界围栏报警监控系统设计[D].沈阳:沈阳航空航天大学,2013.

[2]卢荣华.基于OFDR分布式光纤振动传感器的数据采集与分析[D].南京:南京邮电大学,2014.

[3]潘峰,曾璐,谢晓尧.基于无线传感器网络的隧道照明控制系统[J].传感器与微系统,2014,33(6):111-113.

[4]赵淳臣,王亚刚,王凯.Zig Bee协议的工业无线网关的设计[J].自动化仪表,2013,34(2):89-91.

[5]汤宝平,贺超,曹小佳.面向机械振动监测的无线传感器网络结构[J].振动、测试与诊断,2010(4):357-361.

[6]魏春娟,杨俊杰,吕剑.一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器,2013(6):128-130.

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[11] Texas Instruments.TMS320VC5409 fixed-point digital signal processor[EB/OL].[2008—10—20]. http:∥www.ti.com.cn.

[12] 艾鑫伟,武君胜,段渭军.低能耗无线传感器网络节点值守机制的研究及实现[J].航空计算技术,2008(3):127-130.

Design of an ultra-low power consumption wireless vibration sensor

XIU Wei-guo， TANG Sheng-wu， WANG Zheng， XIAN Wan-ting， ZHOU Sheng

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

Abstract:In order to achieve long-term unattended vibration measurement and target recognition,design an ultra low-power consumption wireless vibration sensor.The sensor adopts electromagnetic sensitive element to obtain vibration signal,and completes target recognition and data transmission through software and hardware design of signal conditioning,data acquisition,data analysis,data storage and wireless communication.Realize ultra-low power consumption working through free power supply sensor and dual processor design,and use WSNs monitoring mode to build wireless,distributed vibration monitoring network.Test results show that the sensor can complete vibration signal measurement and target recognition of caterpillar vehicles and pedestrians,its current is only 30 μA,expected to work continuously for more than 200 days.

Key words:sensor; vibration measurement; wireless communication; low-power consumption

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0084—03

收稿日期：2015—12—01

中图分类号：TP 212.1

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0084—03

作者简介:

修威国(1990-)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，主要研究方向为传感器技术。