摘要：針對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時周圍地質(zhì)層都會受到不同程度的振動的特點，在當?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生時監(jiān)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(shè)計了一種小型、快速、低功耗的振動監(jiān)測報警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和電路實現(xiàn)的解決方案。試驗結(jié)果表明本系統(tǒng)靈敏、可靠。
關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；MSP430單片機；振動監(jiān)測；GPRS模塊

0 引言
    我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴重的國家之一，地質(zhì)災(zāi)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(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，如汶川縣發(fā)生的強烈地震誘發(fā)產(chǎn)生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突發(fā)性和隱蔽性，往往造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的突然性，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法無法有效地預防災(zāi)害，所以建立實時自動化振動監(jiān)測報警系統(tǒng)非常必要。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是通過一定的監(jiān)測儀器或監(jiān)測手段對已知的地質(zhì)災(zāi)害體進行形變、位移等特征進行測量，分析和了解地質(zhì)災(zāi)害體的變形、位移狀態(tài)及趨勢，為地質(zhì)災(zāi)害防治決策以及預報預警提供定量的數(shù)據(jù)。
    本文提出一種實時監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害振動變化并發(fā)出報警的系統(tǒng)設(shè)計，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時所產(chǎn)生的振動情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的提前預報，為人們爭取逃生時間，使地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后的短時間內(nèi)采取相應(yīng)的疏散措施，從而避免更多的人員傷亡和損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    該設(shè)計采用微機電系統(tǒng)(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(yīng)的振動信息數(shù)據(jù)實時采集并傳送給無線傳輸GPRS模塊，振動信息數(shù)據(jù)信號經(jīng)過去噪、放大，傳送給上位機，若超過設(shè)定的報警閾值則報警裝置啟動，實現(xiàn)報警功能。
    整個系統(tǒng)由傳感器模塊，MCU模塊，無線傳輸模塊，上位機，電源模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件塊設(shè)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(zhí)行器以及控制電路和I2C接口于一體，能很好地獲取周圍環(huán)境的振動信息。由于地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)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(shè)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(wěn)定性；集成了豐富的片上外圍模塊；其開發(fā)工具簡單，可以在線編程，廣泛應(yīng)用于各種檢測系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、智能化儀器儀表、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信等方面。
    該設(shè)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。

2．3 無線傳輸模塊
    無線傳輸模塊可以使用GPRS模塊或CDMA模塊，應(yīng)當根據(jù)監(jiān)測地點的具體情況選擇。在本設(shè)計中采用Motorola公司的GPRS模塊G24L。G24L是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模塊，具有2個物理UART和標準USB 2．0接口，可用于AT命令和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)默認的波特率是9600b／s。
    設(shè)計中通過MSP430單片機初始化控制G24L的工作狀態(tài)，連接圖如圖4所示。MEMS傳感器監(jiān)測到的振動信號經(jīng)由MCU控制模塊采集，再通過GPRS無線通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C，當振動值超過設(shè)定閾值時，發(fā)出報警信息。
2．4 電源模塊
    由于本系統(tǒng)在野外工作，所以采用低功耗設(shè)計，使用鋰電池供電。同時設(shè)計了外接電源供電接口，在條件允許的情況下采用外接電源供電，可以延長電池的使用壽命。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 單片機程序
    發(fā)射端軟件流程圖如圖5所示，首先初始化串口、GPRS模塊G24L和傳感器，然后訪問傳感器的地址并采集存儲器的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)包以一定的格式通過串口發(fā)送給上位機。

3．2 上位機軟件程序
   設(shè)計所采用的通信協(xié)議為：一個數(shù)據(jù)包中10個字節(jié)，其中2位起始位，2位停止位，中間6位數(shù)據(jù)位，包含x軸、y軸、z軸3個方向的重力加速度信息。上位機的軟件流程圖如圖6所示。

4 測試結(jié)果
    用VC++編程實現(xiàn)上位機控制，通過串口發(fā)送AT指令控制GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。
    測試終端接收界面如圖7所示。

    選取水平面坐標為x和y方向，垂直水平面的為z方向。由于加速度傳感器寄存器值和傳感器放置的位置有關(guān)，因此正常情況下x軸的標準值和其他2個方向值大小不一樣，但不影響獲取該方向的加速度振動信息。水平面上移動傳感器所處位置，x和y軸信息會相應(yīng)變化，垂直移動時，z軸會有相應(yīng)變化。
    測試過程中，如果沒有振動，傳感器讀取的數(shù)據(jù)是固定的，通過通信協(xié)議由串口接收的原始數(shù)據(jù)為：24 08 3 8 3 6 3 d a 76，其中24 0兩位為起始位，最后2位da為停止位，中間是數(shù)據(jù)位8 3 8 3 6 3(8 3為x方向接收的數(shù)據(jù)，8 3為y方向接收的數(shù)據(jù)，6 3為z方向接收的數(shù)據(jù))，76為校驗和。所以上位機可以收到6個固定的十六進制數(shù)據(jù)。當水平移動傳感器位置，x，y方向會有相應(yīng)的變化，變化量大于設(shè)定閾值時就會報警。
    測試過程中發(fā)現(xiàn)，如果采取的校驗方式不好，虛警概率很大，這主要和G24L無線模塊抗干擾性有關(guān)。后經(jīng)過多次比較校驗方式，最后得到的結(jié)果基本無虛警，達到要求。

5 結(jié)語
    該系統(tǒng)利用MSP430單片機實時采集兩個雙軸加速度傳感器構(gòu)成的三分量振動信息，并通過GRPS無線傳輸模塊傳給上位機，從而實現(xiàn)對手機基站信號覆蓋區(qū)域內(nèi)的振動監(jiān)測。如果采用高精度三分量MEMS加速度傳感器，對該系統(tǒng)可稍加修改后還可以用于石油物探等領(lǐng)域。