[发明专利]无线式大数据MEMS加速度传感器设计

说明书

技术领域

本发明涉及无线式大数据加速度传感器设计，属于信息通信控制和电子产品设计领域。

背景技术

随着我国基础建设的不断发展，大量的土木工程建筑越来越接近设计年限，这可能会带来结构方面的安全问题。公(铁)路桥梁、地下管道建筑和高层建筑等工程如果发生一级破坏将带来严重的经济的影响，更有甚者会带来社会政治方面的恶劣影响，还可能带来人身伤亡的严重后果，因此需要非常重视该问题。解决该问题至少需要考虑两方面的因素：一是基于结构的动力响应评价结构的性能，这需要大量的数据；二是在复杂环境条件下如何精确测得需要的动力响应方面的数据，采用有线方式不仅可能由于电缆的损耗等带来较大的数据误差，甚至还可能无法测量，采用无线通讯方式可以解决。因此，发明一套完善的无线式大数据MEMS加速度传感器相当重要。本发明的主要目的是用于检测重要的土木工程建筑的结构性能及安全评价。当然本设计也可以用于机械、汽车和航空等行业中。

发明内容

本发明为无线式大数据加速度MEMS传感器设计，该传感器是由加速度采集系统、无线通讯、大容量数据存储、控制与处理系统、电源管理和程序设计等几个功能模块构成。利用三轴加速度传感器分别采集结构不同位置的三维输入和输出加速度值，然后分别通过无线节点定位技术传输到大容量存储器中并由单片机进行相应得数据处理，最后通过程序设计得到结构的动力性能，并根据有关的技术规程进行结构的安全评价。本项目的发明内容包括：在三维加速度计中增加加速度输入装置用于提取输入加速度，用于结构动力性能分析；基于无线节点定位技术实时传输加速度信号，用于代替有线传输方式；基于matlab软件和结构动力学原理进行程序设计，用于结构动力性能分析与安全评价。

附图说明

图1系统框图

图2系统硬件方案图

图3程序设计流程图

具体实施方式

本发明为无线式大数据加速度MEMS传感器设计，该传感器是由加速度采集系统、无线通讯、大容量数据存储、控制与处理系统及电源管理等几个功能模块构成。其中三轴加速度传感器用于分别采集输入加速度和输出加速度矢量；无线通讯模块用于传输加速度信号；由于结构安全评价需要大量的数据，一般不能实时处理，需要借助存储器储存数据；控制与处理模块负责将接收到的加速度数据根据使用功能进行相应的处理，为结构安全评价程序分析提供有效的数据；程序设计是利用控制模块得到的数据分析结构的动力性能，然后基于该动力性能分析不同荷载条件下的动力响应，对结构的安全进行评价；整个系统需要电力供给，因此增加一个电源管理模块。设计方案如图1所示。

在分析无线式大数据加速度传感器的具体功能和要求后，设计的硬件方案如图2所示。加速度采集模块实际上基于ADXL335三轴加速度传感器；无线通讯采用CC2430低功耗射频收发芯片；大数据存储采用SD存储卡；控制与处理模块采用FPGA芯片；电源为锂电池组。

结构分析包括三个部分：结构输入、结构性能和结构输出。任取三个中的两个可以求得剩余的一个，因此，程序设计首先利用不同位置处的输入和输出加速度求得结构的动力性能；然后根据不同的规范要求，采用相应得荷载输入方式得到结构的输出，利用该输出用于评价结构的安全性。

具体设计

●加速度采集系统

加速度采集系统包括输入加速度计和输出输出加速度计。输出加速度计采用ADXL335传感器。输入加速度计在该传感器基础上增加弹簧、阻尼和电源等部件用于设计输入。

ADXL335是美国模拟器件公司推出的一款带有信号调理电路的高精度模拟三轴加速度传感器。用户可以根据应用选择合适的带宽，X轴和Y轴的带宽范围为0.5Hz至1600Hz，Z轴的带宽范围为0.5Hz至550Hz。

●控制与处理系统

以现场可编程门阵列芯片(FPGA)作为控制核心，采用可编程片上系统技术(SOPC)将A/D采集控制、FIFO存储器、存储接口和数据压缩编码等硬件逻辑电路和微处理器集成到单一FPGA芯片上。

●大容量数据存储

采用SD存储卡，具有体积小、容量大、读写速度快和成本低等优势。

●无线通讯模块

无线传输通信模块采用2.4GHz频段的CC2430低功耗射频收发芯片，通过串口与FPGA 交换数据和命令。

●电源管理