基于MEMS的振动监测系统的设计

摘要：针对地质灾害发生时周围地质层都会受到不同程度的振动的特点，在当地质灾害发生时监测其振动情况。为了给人们争取逃生时间，在此基于MEMS加速度传感器和GPRS模块，采用MSP430单片机设计了一种小型、快速、低功耗的振动监测报警系统，给出了系统的基本结构和电路实现的解决方案。试验结果表明本系统灵敏、可靠。
关键词：MEMS传感器；MSP430单片机；振动监测；GPRS模块

0 引言
我国是世界上地质灾害较为严重的国家之一，地质灾害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂缝等，而且地震还会引发次生地质灾害，如汶川县发生的强烈地震诱发产生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突发性和隐蔽性，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。由于地质灾害发生的突然性，传统的人工监测方法无法有效地预防灾害，所以建立实时自动化振动监测报警系统非常必要。地质灾害监测是通过一定的监测仪器或监测手段对已知的地质灾害体进行形变、位移等特征进行测量，分析和了解地质灾害体的变形、位移状态及趋势，为地质灾害防治决策以及预报预警提供定量的数据。
本文提出一种实时监测地质灾害振动变化并发出报警的系统设计，对地质灾害发生时所产生的振动情况进行监测，实现地质灾害的提前预报，为人们争取逃生时间，使地质灾害发生后的短时间内采取相应的疏散措施，从而避免更多的人员伤亡和损失。

1 系统总体设计
该设计采用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加速度传感器，利用微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)控制器将MEMS传感器感应的振动信息数据实时采集并传送给无线传输GPRS模块，振动信息数据信号经过去噪、放大，传送给上位机，若超过设定的报警阈值则报警装置启动，实现报警功能。
整个系统由传感器模块，MCU模块，无线传输模块，上位机，电源模块构成，其结构框图如图1所示。

2 系统硬件块设计
2．1 传感器模块
传感器模块主要由MEMS传感器组成，MEMS传感器集微型传感器、微型执行器以及控制电路和I2C接口于一体，能很好地获取周围环境的振动信息。由于地质灾害产生的振动是在各个方向上的都有分量的，所以采用三分量传感器来测量三个正交方向的加速度变化，从而获得振动信息。本设计采用相互垂直放置的2个低成本双轴加速度传感器MXC6202来获得3个方向的振动信息，其电路图如图2所示。

2．2 MCU模块
MCU模块采用MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是16位超低功耗的微控制器系列，可使用电池长时间工作，具有强大的处理能力、高稳定性；集成了丰富的片上外围模块；其开发工具简单，可以在线编程，广泛应用于各种检测系统、导航系统、智能化仪器仪表、计算机网络与通信等方面。
该设计中采用MSP430F247单片机。单片机和传感器两者之间采用I2C总线传输，其连接如图3所示。