基于邊緣計算的三軸MEMS數字加速度智能傳感器研究

摘要 為了克服現有加速度傳感器精度較低、功耗大和智能化不足的缺陷，文章提供了一種結構簡單、數據處理速度快、能夠對所采集數據進行分析處理的基于邊緣計算的三軸MEMS數字加速度智能傳感器。該傳感器與一般傳感器相比，具有體積小、靈敏度高以及易于大規模批量生產的突出特點，擁有低噪聲、高靈敏度和高動態范圍的優勢，在正常溫度范圍內具有失調漂移小和長期穩定性。該傳感器廣泛應用于各類基礎設施健康檢測，擁有廣闊的應用前景及商業價值。

關鍵詞 邊緣計算；MEMS；加速度傳感器

中圖分類號 TH824.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0008-04

0 引言

在橋梁結構健康監測工作中，因為監測傳感器扮演著極為重要的角色，所以傳感器的開發研究工作一直是結構健康監測工作的熱點。無線傳感技術能有效地解決“有線”傳感技術布線工作量大和成本高等問題，微電子機械系統（MEMS）技術讓監測傳感器的集成度更高、功耗更小、性能更強。該技術有望解決傳統監測傳感器笨重、價格高昂、安裝復雜和無法實現實時監測等問題。對這些傳感技術做進一步的探索與研究能夠促進橋梁健康監測技術的發展并推動它成為一項成熟的技術。該研究的主要背景便是基于橋梁檢測的應用場景，發明一種基于MEMS技術的數字加速度智能傳感器。在現有技術中，大多數MEMS傳感器的精度較低，該文要研究的加速度傳感器核心為MEMS加速度芯片，與一般傳感器相比，具有體積小、靈敏度高以及易于大規模批量生產的突出特點。

根據國內外相關文獻報道，三軸加速度傳感器可廣泛應用于航空航天導航系統、軍工產品、汽車行駛、醫療衛生等領域，在國內也誕生了一系列卓有成效的研究成果。20世紀70年代，我國便研制出了應用于航空航天系統中的“開環型”和“閉環型”兩種加速度傳感器[1]。之后，西安交通大學提出了一種帶有軸向應力感應梁的加速度傳感器[2]。該傳感器的基本結構包括由鉸鏈連接的兩個質量塊、兩個平衡質量塊、兩個支撐梁和四個對稱制作在支撐梁兩側的壓敏電阻。中國科學院提出了一種三軸高沖擊加速度傳感器結構[3]，其具有高的諧振頻率和高的帶寬。西安交通大學后來又提出了一種低交叉干擾、低溫漂移的三軸加速度傳感器[4]，其硅基板由一個質量塊、一個柔性鉸鏈和外部框架組成。暨南大學提出了一種具有低交叉干擾特性的壓阻式三軸加速度傳感器[5]。2019年，福州大學提出了一種可應用于工業互聯網的壓阻式三軸加速度傳感器[6]，其結構包括一個中間質量塊及四個支撐梁。2019年，中北大學提出了一種橫向靈敏度較低的壓阻式加速度傳感器[7]，其芯片基于MEMS技術，通過陽極鍵合技術將襯底硅與高硼硅玻璃進行鍵合完成芯片封裝。文獻[8]針對物體空間加速度監測問題，給出一種采用MEMS技術制作的壓阻式三軸加速度傳感器基本結構。

以上都是針對三軸加速度傳感器設計的研究報道，但主要聚焦于機械結構設計，對于MEMS數字加速度傳感器中加入邊緣計算算法的研究較少。因此，將先進的數據處理算法融入MEMS數字加速度傳感器中用來提高傳感器檢測的自校準能力，進一步提升傳感器檢測精度，是當前業界面臨的當務之急。在此，該研究針對三軸MEMS數字加速度傳感器的標定算法展開研究，利用邊緣計算、嵌入式開發設計等物聯網技術提出一個基于邊緣計算的三軸MEMS數字加速度智能傳感器。

1 系統整體方案

為了克服現有加速度傳感器精度較低、功耗大、智能化不足的缺陷，研究設計了一種結構簡單、數據處理速度快、能夠對所采集數據進行分析處理的基于邊緣計算的三軸MEMS數字加速度智能傳感器。

該研究設計的基于邊緣計算的三軸MEMS數字加速度智能傳感器，包括以下幾個模塊：用于采集加速度信息的加速度傳感器、用以控制和處理信息的單片機控制模塊、用于時空同步及校準功能的GPS（全球定位系統）+RTC（Real_Time Clock）模塊、用于遠距離上傳服務器的NB-IoT/4G模塊和用以提高傳感器的測量精度并實現數據輕量化校準的溫度傳感模塊。所述加速度傳感器、GPS+RTC模塊、NB-IoT/4G模塊和溫度傳感模塊均與所述單片機控制模塊連接。原理框圖如圖1所示。

設計的傳感器中，加速度傳感器、單片機控制模塊和NB-IoT/4G模塊均與電源模塊連接。其中，各個模塊芯片具體的選用型號如表1所示。

2 系統硬件設計

根據系統層次結構，硬件部分包括單片機控制模塊、加速度傳感器、GPS模塊、RTC模塊以及溫度傳感模塊等硬件設計模塊。

2.1 單片機控制模塊

功能模塊均由硬件電路實現。其中，所述MEMS傳感器與GD32F407單片機控制模塊的SPI1接口連接。所述GPS+RTC模塊與GD32F407單片機控制模塊的SPI2接口連接。所述NB-IoT/4G模塊與GD32F407單片機控制模塊的PA9/TX1和PA10/RX1接口連接。所述NAND Flash模塊與GD32F407單片機控制模塊的PC10/TX4和PC11/RX4接口連接。所述TMP275AID模塊與GD32F407單片機控制模塊的PB接口連接。單片機控制模塊硬件電路示意圖如圖2所示。

另外，MEMS傳感器、GD32F407單片機、NB-IoT/4G模塊以及NAND Flash模塊均焊接于一塊電路板上，電源模塊在該模塊的上方。

2.2 加速度傳感器

研究設計項目選用了亞德諾半導體生產的ADXL355MEMS 傳感器，實現振動加速度的傳感器數據采集及傳輸組網，用來傳輸識別的數據和控制的命令。加速度傳感器的硬件設計如圖3所示。

2.3 GPS模塊

研究設計項目中使用L26T-S89芯片作為GPS模塊的核心部分，單片機每隔一段時間會使用全球導航衛星系統模塊（GNSS）和時鐘模塊（RTC）進行空間與時間的校準，確保數據的準確性和時間同步。GPS模塊硬件設計如圖4所示。

2.4 RTC模塊

研究設計項目中使用RX4111CE芯片作為RTC模塊的核心部分。單片機每隔一段時間會使用全球導航衛星系統模塊（GNSS）和時鐘模塊（RTC）進行空間與時間的校準，確保數據的準確性和時間同步。RTC模塊硬件設計如圖5所示。

2.5 溫度傳感模塊

研究設計內置了用以提高傳感器測量精度并實現數據輕量化校準的溫度傳感模塊。溫度傳感模塊硬件設計如圖6所示。

3 系統軟件設計

該文為了實現系統功能，需要進行嵌入式、邊緣計算算法的開發，遠期會開展微信小程序的開發。

3.1 嵌入式軟件開發

研究項目基于STM32架構，用到單片機、傳感器、NB-IoT模塊和溫度傳感器等物聯網硬件設施，該研究進行了嵌入式程序開發，實現傳感器數據讀取、控制器接收、執行控制命令以及無線數據組網和數據傳輸。

3.2 邊緣計算算法

當系統開始以后，MEMS加速度傳感器會按照當前系統設定的頻率開始采集數據，將所采集到的X軸、Y軸、Z軸的數據發送給GD32F407單片機進行處理，單片機首先會對接收到的數據進行算法補償和邊緣計算。如果邊緣計算發現當前被檢測物的狀態異常，那么會喚醒遠距離通信模塊（NB-IoT/4G模塊），將被檢測物的異常狀態數據加上前后一段時間的數據上傳到云平臺進行分析，單片機也會將所有采集到的數據都保存到本地，以供后續分析。同時，單片機每隔一段時間會使用GNSS模塊進行本地時鐘的校準，確保數據的準確性和時間同步。邊緣計算算法設計流程圖如圖7所示。

3.3 微信小程序開發

該研究遠期展望設計基于數據云平臺展示的微信小程序，實現數據的實時展示與監測。

4 結語

該研究針對當下數字加速度傳感器的發展現狀，開展了基于邊緣計算算法的MEMS數字加速度智能傳感器的研究。該技術可以有效解決傳統監測傳感器體積笨重、精度低、價格高昂、安裝復雜和無法實現實時監測等問題。基于該研究的產品技術集成度高，產品設計理念新，已在多處基礎設施開展健康檢測的實際應用，在未來會擁有更廣泛的應用場景及可觀的經濟效益和社會效益吧。

參考文獻

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