一种无线智能振动传感器的设计与实现

李心鹏 邱伟 王芳

（北京强度环境研究所 北京市 100076）

本文设计一种基于MEMS 技术的无线智能振动传感器，体积小，内置锂电池实现自供电。数据采集状态下，无线数据传输的同时，传感器内部大容量Flash 进行存储备份，保证了测量数据的可靠性，为飞行状态下的测试测量提供一种有效解决方案。

1 系统整体方案

无线智能振动传感器系统组成如图1 所示。

系统主要由无线智能振动传感器节点、无线基站和上位机软件组成。无线智能振动传感器采集到振动信号后，通过2.4G 无线方式将数据传输至无线基站，无线基站收到数据后通过以太网接口将数据传输至上位机软件。空中应用时，无线基站也可通过RS422 方式接入遥测系统。

2 无线智能振动传感器节点

无线智能振动传感器主要包含数据采集模块、核心处理器模块，无线传输模块，存储模块和电源模块，其组成结构框图如图2 所示。

2.1 硬件电路设计

2.1.1 数据采集模块

数据采集模块主要实现模拟振动信号的采集和调理。

“对，打鬼子，夺武器。但昨天，我们差点被鬼子包了饺子。好在天不灭我，兰江救了我们一命。还遇上这四个国军兄弟。

MEMS 传感器选用意法半导体公司（ST）生产的LIS344ALH芯片，其具有高精度、高性能、低功耗、耐冲击的特点。传感器量程可通过处理器IO 管脚程控，在±2g 和±6g 之间灵活切换测量范围。传感器输出三路相互独立的模拟电压信号。

传感器信号经过二阶巴特沃兹低通抗混滤后输入AD 采集电路。为保证数据的同步性，采用3 路相互独立的AD 并行数据采集，并采用菊花链方式级联，对外仅有一个SPI 接口。

2.1.2 核心处理器

无线智能传感器的核心处理器采用意法半导体公司的基于ARM CortexTM-M4 内核32 位的超低功耗微控制器处理器STM32L476RGT7，该芯片工作频率可达80MHz，具有丰富的外设接口，STM32L476 微控制器运用全新的低功耗技术，优化电源管理模式，最低功耗仅30nA。

2.1.3 无线通信模块

图1：无线智能振动传感器系统组成

图2：无线智能振动传感器组成结构框图

图3：无线智能振动测试数据

无线传输模块选用NRF24L01 芯片，该芯片工作在2.4GHz 国际通用ISM 频段，通讯速率最高可达2Mbit/s，技术成熟，且性能稳定、性价比高。

表1：无线传感器节点状态

表2：无线传感器Z 轴测试数据

2.2 软件设计

2.2.1 数据采集模块

无线智能振动传感器节点内部运行嵌入式软件，软件采用状态机设计思想，根据不同的无线基站指令进入不同的状态。无线传感器节点共有7 个状态，各个状态说明如表1 所示。

具体工作流程如下：

（1）初始状态传感器节点处于Sleep 状态，当收到无线基站发送的唤醒指令时，节点进入WakeUp 状态；

（2）在WakeUp 状态下，传感器节点向无线基站反馈各自的ID 标识以及相关参数信息，随后进入Standby 状态；

（3）节点收到采集数据的参数指令后（相关参数主要包含采样率、滤波频率、量程等），进入Ready 状态；在Ready 状态下，等待数据采集。

（4）收到开始采集指令，进入MES_state，开始实时数据采集；当收到结束采集指令时，进入Standby 状态；

（5）在Standby 状态下，收到存储查询指令后，进入TX_Save_Info 状态，上传节点的存储信息，然后进入Standby 状态；收到存储数据上传指令，进入TX_Save_data 状态，上传存储的某次数据。

传感器软件设置多个状态机，各个状态相互独立，互不干扰，可灵活切换。

3 无线基站设计

无线基站是整个系统的交互中心，通过以太网接口与上位机实现数据和指令交互，通过无线方式控制所有传感器节点，起到“承上启下”的作用。

无线基站采用ARM CortexTM-M7 内核32 位的高性能微控制器处理器STM32F7 系列，工作频率高达216MHz，能够满足100 个无线智能传感器同时工作需求。

4 上位机软件设计

上位机软件通过以太网口与无线基站连接，上位机软件主要用于无线智能振动传感器的控制以及数据监控，具有友好的交互界面。

数据采集时上位机实时显示数据曲线，实时统计当前最值、均值、RMS 等特征值，而且上位机支持txt、CSV 等主流文件格式，便于各类数据分析软件的读取。

5 试验测试

5.1 智能振动传感器标定

为获取智能传感器输出电压值与加速度值的对应关系，将传感器安装在标准振动台中，0-2g 等间隔选取10 个测点，测出输出电压值与加速度值的关系，然后计算出电压值与加速度值的线性关系。如表2 所示。

将系数写入传感器内部Flash 中，传感器直接输出加速度值。为进一步验证传感器的精度，将传感器送至北京航天计量测试技术研究所进行传感器校准，校准数据显示频率响应在1.2kHz 左右，传感器幅值线性度相对偏差小于0.7%（@80Hz），最大横向振动比为2.60%（@160Hz），满足测量仪器设备的相关国家相关标准。

5.2 某飞行器搭载试验

将无线传感器通过两个M3 螺钉固定方式安装在某飞行器待测位置，进行搭载测试，在飞行器飞行过程中传感器实时采集、记录飞行器的振动状态，成功获取整个状态下的时域数据，事后分析得出在此状态下飞行器的频响特性，为其安全飞行判断和后续飞行器的改进提供有力保障，搭载测试数据如图3 所示。

6 结论

本文针对飞行器飞行状态振动测量困难的问题，设计了无线智能振动传感器，该传感器不仅能够实现三轴振动的实时采集、存储和显示，而且具有体积小、精度高、操作便捷的优点。