基于MEMS的振動監測系統的設計

摘要：針對地質災害發生時周圍地質層都會受到不同程度的振動的特點，在當地質災害發生時監測其振動情況。為了給人們爭取逃生時間，在此基于MEMS加速度傳感器和GPRS模塊，采用MSP430單片機設計了一種小型、快速、低功耗的振動監測報警系統，給出了系統的基本結構和電路實現的解決方案。試驗結果表明本系統靈敏、可靠。
關鍵詞：MEMS傳感器；MSP430單片機；振動監測；GPRS模塊

0 引言
我國是世界上地質災害較為嚴重的國家之一，地質災害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂縫等，而且地震還會引發次生地質災害，如汶川縣發生的強烈地震誘發產生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突發性和隱蔽性，往往造成巨大的人員傷亡和財產損失。由于地質災害發生的突然性，傳統的人工監測方法無法有效地預防災害，所以建立實時自動化振動監測報警系統非常必要。地質災害監測是通過一定的監測儀器或監測手段對已知的地質災害體進行形變、位移等特征進行測量，分析和了解地質災害體的變形、位移狀態及趨勢，為地質災害防治決策以及預報預警提供定量的數據。
本文提出一種實時監測地質災害振動變化并發出報警的系統設計，對地質災害發生時所產生的振動情況進行監測，實現地質災害的提前預報，為人們爭取逃生時間，使地質災害發生后的短時間內采取相應的疏散措施，從而避免更多的人員傷亡和損失。

1 系統總體設計
該設計采用微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加速度傳感器，利用微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)控制器將MEMS傳感器感應的振動信息數據實時采集并傳送給無線傳輸GPRS模塊，振動信息數據信號經過去噪、放大，傳送給上位機，若超過設定的報警閾值則報警裝置啟動，實現報警功能。
整個系統由傳感器模塊，MCU模塊，無線傳輸模塊，上位機，電源模塊構成，其結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件塊設計
2．1 傳感器模塊
傳感器模塊主要由MEMS傳感器組成，MEMS傳感器集微型傳感器、微型執行器以及控制電路和I2C接口于一體，能很好地獲取周圍環境的振動信息。由于地質災害產生的振動是在各個方向上的都有分量的，所以采用三分量傳感器來測量三個正交方向的加速度變化，從而獲得振動信息。本設計采用相互垂直放置的2個低成本雙軸加速度傳感器MXC6202來獲得3個方向的振動信息，其電路圖如圖2所示。

2．2 MCU模塊
MCU模塊采用MSP430系列單片機。MSP430系列單片機是16位超低功耗的微控制器系列，可使用電池長時間工作，具有強大的處理能力、高穩定性；集成了豐富的片上外圍模塊；其開發工具簡單，可以在線編程，廣泛應用于各種檢測系統、導航系統、智能化儀器儀表、計算機網絡與通信等方面。
該設計中采用MSP430F247單片機。單片機和傳感器兩者之間采用I2C總線傳輸，其連接如圖3所示。