修威國， 唐勝武， 王　政， 咸婉婷， 周　勝

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

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一種超低功耗無線震動傳感器設(shè)計

修威國， 唐勝武， 王政， 咸婉婷， 周勝

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:為實(shí)現(xiàn)長期無人值守的震動測量與目標(biāo)識別，設(shè)計了一種超低功耗無線震動傳感器。該傳感器采用磁電式敏感元件來獲取震動信號，通過信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲和無線通信的軟硬件設(shè)計，完成目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)傳輸。通過免供電傳感和雙處理器設(shè)計實(shí)現(xiàn)超低功耗工作，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模式構(gòu)建無線、分布式震動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器能夠完成震動信號測量并識別履帶車和行人這兩種典型目標(biāo)，電流僅有30 μA，預(yù)計可連續(xù)工作200天以上。

關(guān)鍵詞：傳感器； 震動測量； 無線通信； 低功耗

0引言

在國防軍事、交通管理等領(lǐng)域的目標(biāo)監(jiān)測與識別活動中，地面震動信號測量是重要的技術(shù)手段之一[1]。傳統(tǒng)的有線分布式震動傳感器存在布線復(fù)雜，隱蔽性差，易遭到破壞，缺少靈活性等缺點(diǎn)[2]。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)構(gòu)建無線分布式震動監(jiān)測系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線方式的不足[3]。現(xiàn)有的無線通信技術(shù)主要有Zig Bee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、GPRS/GSM等。Zig Bee技術(shù)作為一種低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活的通信技術(shù)，在基于WSNs的傳感器設(shè)計中具有巨大的優(yōu)勢[4]。

現(xiàn)有的無線傳感器存在系統(tǒng)集成度低、各功能組件耦合性差，體積較大等問題，同時功耗過高，平均功耗一般在100 mW以上，不利于工作在長期無人值守的環(huán)境下；還存在運(yùn)算速度和處理能力較差，難以實(shí)現(xiàn)片上數(shù)據(jù)處理的不足，造成多傳感器原始信號匯入系統(tǒng)主機(jī)同時進(jìn)行處理，加大系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和穩(wěn)定性[5]。

本文設(shè)計了一種超低功耗無線震動目標(biāo)監(jiān)測識別傳感器，該傳感器采用無線通信的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將傳感器與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合減小傳感器體積，同時通過采用免供電傳感器和超低功耗雙處理器架構(gòu)，并結(jié)合軟件任務(wù)模式管理解決超低功耗工作和片上數(shù)據(jù)處理能力有限的問題，設(shè)計滿足在無人值守條件下長時間工作的要求。

1工作原理

地面上的運(yùn)動目標(biāo)，如步行的人員、行駛車輛等，其運(yùn)動的過程就是對地面施加一定的激勵。地面目標(biāo)激勵下產(chǎn)生的地面震動信號主要取決于地質(zhì)條件、目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)和目標(biāo)的距離。震源位于地表面時，瑞雷波是地面震動探測震源的主要波形，占能量的絕大部分，其滿足傳感器要求測量目標(biāo)信號具有一定傳播距離的地表信號[6]。

傳感器采用磁電式震動采集器作為震動信號拾取的敏感元件，并將拾取的震動信號轉(zhuǎn)換為模擬量。傳感器拾取特定范圍內(nèi)運(yùn)動目標(biāo)對地面的震動激勵信號，通過信號調(diào)理與放大電路處理，送入嵌入式處理器中進(jìn)行處理、分析、計算，通過無線通信方式將檢測結(jié)果向外傳輸，實(shí)現(xiàn)無人值守環(huán)境下的震動測量與信號識別。

其中，拾震器采用三明治結(jié)構(gòu)電磁式震動采集器作為震動信號拾取的敏感元件[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上線圈、下線圈和中間由硅基平面鎳彈簧和永磁體構(gòu)成的拾震結(jié)構(gòu)。

圖1　拾震器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Diagram of vibration pick-ups

當(dāng)有外界震動在垂直線圈平面方向作用到基底上時，永磁體—彈簧振動系統(tǒng)會產(chǎn)生受迫振動，導(dǎo)致永磁體和線圈之間發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致線圈中的磁體通量發(fā)生變化，上、下線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時通過將上下線圈串聯(lián)起來，可以大幅增加輸出性能。

2低功耗設(shè)計

為滿足無外部供電條件下長時間無人值守需要，延長無線網(wǎng)絡(luò)震動傳感器的生存期，充分利用傳感器的能量，傳感器必須對硬件和軟件采用低功耗設(shè)計[8]。在電路部分采用分區(qū)供電設(shè)計，將電路中的信號采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲、通信等功能模塊及其工作狀態(tài)劃分不同區(qū)間，傳感器工作在不同區(qū)間時其能量開銷有著明顯變化，處理器采用定時喚醒設(shè)計，根據(jù)不同的任務(wù)要求，通過低功耗模擬開關(guān)控制各個工作區(qū)間的供電，切斷不工作功能模塊的供電，降低傳感器整體功耗。

在實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理的嵌入式軟件設(shè)計中，采用“流水線”設(shè)計思想，將流程分解為不同的運(yùn)行狀態(tài)，按時間輪流切換傳感器任務(wù)運(yùn)行，每個運(yùn)行狀態(tài)只開啟相應(yīng)硬件功能模塊的電源，其他部分電源被關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)功耗最低。

從能量開銷的角度看，無線傳感器各部分運(yùn)行狀態(tài)不同，其能量開銷有明顯差異。從表1可以看出，S0功耗最大，S1次之，其余依次是S2，S3，S4，S5。

S0狀態(tài)電路各模塊全部處于正常工作狀態(tài)；S1狀態(tài)完成數(shù)據(jù)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、存儲，處理器Ⅱ可由處理器Ⅰ喚醒，或通過無線接收喚醒；S2狀態(tài)處理器Ⅰ處于空閑狀態(tài)，處理器Ⅱ完成組網(wǎng)與通信；S3狀態(tài)可完成數(shù)據(jù)調(diào)理、采集與處理，處理器Ⅱ休眠可由處理器Ⅰ喚醒或接收喚醒；S4狀態(tài)處于震動監(jiān)聽狀態(tài)，處理器Ⅰ可通過震動喚醒或定時喚醒；S5狀態(tài)處于最低功耗狀態(tài)，其他硬件關(guān)閉，處理器Ⅰ僅能通過定時喚醒。通過圖2硬件系統(tǒng)，并通過軟件控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程，可以有效實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗工作。

表1　傳感器的運(yùn)行狀態(tài)

圖2　硬件系統(tǒng)能源分配框圖Fig 2　Energy distribution block diagram of hardware system

3傳感器設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器采用一體化設(shè)計，將拾震器、電路、天線、電源、外殼整體集成于一體，如圖3所示，拾震器固定安裝在結(jié)構(gòu)下部空腔中，在結(jié)構(gòu)底部設(shè)計了固定椎體，空腔下部外部通過螺紋與固定椎體連接，提高地面安裝穩(wěn)定性和震動信號拾取的敏感度。電路板固定安裝于外殼上蓋內(nèi)側(cè)，天線底端與電路板中央焊接的天線座采用螺紋連接，上端穿過上蓋中央預(yù)留的通孔，并加裝密封圈，電池安裝在殼內(nèi)拾震器上部空腔中。

圖3　無線震動傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Structure diagram of wireless vibration sensor

3.2硬件設(shè)計

傳感器電路由傳感器模塊、采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊組成，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，傳感器電路采用雙處理器架構(gòu)設(shè)計，根據(jù)處理任務(wù)不同進(jìn)行具體分工，傳感器工作過程中需要對拾取信號進(jìn)行采集和處理，并運(yùn)行特征提取與分類識別算法，還要實(shí)現(xiàn)電源管理和無線通信。通過雙處理器架構(gòu)的設(shè)計，提高了傳感器工作效率，滿足了傳感器工作多任務(wù)處理要求。其中一個處理器負(fù)責(zé)傳感器運(yùn)行過程控制與數(shù)據(jù)采集、處理；另一個處理器負(fù)責(zé)無線通信協(xié)議的運(yùn)行，完成組網(wǎng)、同步、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能；兩個處理器之間通過高速接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4　傳感器電路結(jié)構(gòu)圖Fig 4　Structure diagram of sensor circuit

無線通信模塊選用了超小型高速低功耗的無線收發(fā)通信芯片NX297L，該芯片采用2.4 GHz頻段，最大傳輸率為2 Mbps，支持一對多組網(wǎng)和帶ACK的通信模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時可靠的數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器可通過修改和移植Zig Bee協(xié)議棧，建立Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[9]。該芯片除具有發(fā)送和接收工作模式外，還具備多種待機(jī)模式和休眠模式，其休眠電流僅有2 μA，滿足本設(shè)計對低功耗的要求。

處理器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+內(nèi)核、優(yōu)化架構(gòu)、電源管理模式、獨(dú)有超低功耗制造工藝。其運(yùn)行模式功耗低至87 μA/MHz，當(dāng)保留RAM全部數(shù)據(jù)時，停止模式功耗為440 nA，并集成低功耗定時器，快速喚醒時間達(dá)到3.5 μs，設(shè)計時可充分利用不同的低功耗模式實(shí)現(xiàn)最佳的任務(wù)與能量供應(yīng)管理。

處理器Ⅱ采用TI公司的低功耗、高性能的定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5409[11]，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理與算法執(zhí)行。將該處理外接10 MHz晶振，并通過軟件編程在片的鎖相環(huán)PLL最高可實(shí)現(xiàn)100 MIPS的運(yùn)算速度。CPU利用其多通道多緩沖串行口(McBSP)，實(shí)現(xiàn)多種不同幀結(jié)構(gòu)的同步串行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；其DMA控制器與McBSP結(jié)合使用可以大大減少串口數(shù)據(jù)發(fā)送接收對CPU造成的額外負(fù)荷。

電源管理模塊的能源供應(yīng)控制主要通過低功耗的電子程控開關(guān)ADG821實(shí)現(xiàn)給電路模塊供電，其可實(shí)現(xiàn)最大200 mA電流傳輸能力，可在-40～125 ℃溫度范圍自適應(yīng)工作，切換時間33 ns，可實(shí)現(xiàn)電源能量的快速供應(yīng)，典型功耗不大于0.01 μW。

3.3軟件設(shè)計

軟件功能是實(shí)現(xiàn)地面目標(biāo)識別，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波處理后，采用了動態(tài)浮動閾值的過零分析方法[12]實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)分類，最終利用頻域分析中的功率譜特征進(jìn)行車輛目標(biāo)的判定。軟件程序整體流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖Fig 5　Program flow chart

4測試結(jié)果

功耗測試試驗(yàn)主要在一般地貌的室內(nèi)、室外常溫環(huán)境條件下以及溫度范圍為-40～85 ℃、相對濕度為90 %RH的復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行，分別對2只樣品在網(wǎng)運(yùn)行的功耗和靜態(tài)工作電流進(jìn)行了測試，測試中以30 m范圍內(nèi)的人員和150 m范圍內(nèi)車輛作為測試對象，數(shù)據(jù)刷新時間為30 s，測試過程中人員進(jìn)行正常行走和跑步，車輛在不同速度下行進(jìn)，其功耗選擇了工作過程最大功耗點(diǎn)的測量結(jié)果，靜態(tài)工作電流選擇的是處于待機(jī)狀態(tài)下的工作電流，如果選擇在處理器休眠狀態(tài)，其他模塊關(guān)閉狀態(tài)，其電流可達(dá)到更低的水平。測試結(jié)果如表2所示。

表2　功耗測試結(jié)果

測試結(jié)果表明:所有樣品在不同工作環(huán)境中的平均功耗不超過25 mW，待機(jī)狀態(tài)消耗的電流均在30 μA以內(nèi)，符合超低功耗設(shè)計指標(biāo)要求，同時,滿足90 %以上的正確識別率，可滿足無線震動傳感器在無人值守條件下長期工作的設(shè)計需要。

5結(jié)論

本文設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一種超低功耗的無線震動傳感器，可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)各工作狀態(tài)的能量開銷特點(diǎn)，進(jìn)行任務(wù)與能量管理，有效降低了傳感器功耗。經(jīng)測試，本傳感器在保持震動監(jiān)測條件下，其待機(jī)電流穩(wěn)定在30μA以內(nèi)，預(yù)計可連續(xù)工作200天以上，大大提高其無人值守條件下野外生存時間。同時本傳感器具有集成度高、隱蔽性好、識別準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，不僅能夠應(yīng)用在邊、海防環(huán)境目標(biāo)監(jiān)測，同時還可以應(yīng)用于哨所、機(jī)場邊界入侵防御等多種場合，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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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

中圖分類號：TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0084—03

作者簡介:

修威國(1990-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。