基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器研究

林佳妮 张鹏飞 洪顺利

浙江交通职业技术学院智慧交通学院

摘 要： 为了克服现有加速度传感器精度较低、功耗大和智能化不足的缺陷，文章提供了一种结构简单、数据处理速度快、能够对所采集数据进行分析处理的基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器。该传感器与一般传感器相比，具有体积小、灵敏度高以及易于大规模批量生产的突出特点，拥有低噪声、高灵敏度和高动态范围的优势，在正常温度范围内具有失调漂移小和长期稳定性。该传感器广泛应用于各类基础设施健康检测，拥有广阔的应用前景及商业价值。

关键词： 边缘计算;MEMS;加速度传感器;

作者简介： 林佳妮（2003—）,女,大专,研究方向：嵌入式软件。;*张鹏飞（1992—）,男,硕士研究生,助教,研究方向：嵌入式硬件开发。;

基金： 浙江省教育厅一般科研项目“基于物联网技术的实训室收纳系统研究”（Y202044005）;

0 引言

在桥梁结构健康监测工作中，因为监测传感器扮演着极为重要的角色，所以传感器的开发研究工作一直是结构健康监测工作的热点。无线传感技术能有效地解决“有线”传感技术布线工作量大和成本高等问题，微电子机械系统（MEMS）技术让监测传感器的集成度更高、功耗更小、性能更强。该技术有望解决传统监测传感器笨重、价格高昂、安装复杂和无法实现实时监测等问题。对这些传感技术做进一步的探索与研究能够促进桥梁健康监测技术的发展并推动它成为一项成熟的技术。该研究的主要背景便是基于桥梁检测的应用场景，发明一种基于MEMS技术的数字加速度智能传感器。在现有技术中，大多数MEMS传感器的精度较低，该文要研究的加速度传感器核心为MEMS加速度芯片，与一般传感器相比，具有体积小、灵敏度高以及易于大规模批量生产的突出特点。

根据国内外相关文献报道，三轴加速度传感器可广泛应用于航空航天导航系统、军工产品、汽车行驶、医疗卫生等领域，在国内也诞生了一系列卓有成效的研究成果。20世纪70年代，我国便研制出了应用于航空航天系统中的“开环型”和“闭环型”两种加速度传感器[1]。之后，西安交通大学提出了一种带有轴向应力感应梁的加速度传感器[2]。该传感器的基本结构包括由铰链连接的两个质量块、两个平衡质量块、两个支撑梁和四个对称制作在支撑梁两侧的压敏电阻。中国科学院提出了一种三轴高冲击加速度传感器结构[3]，其具有高的谐振频率和高的带宽。西安交通大学后来又提出了一种低交叉干扰、低温漂移的三轴加速度传感器[4]，其硅基板由一个质量块、一个柔性铰链和外部框架组成。暨南大学提出了一种具有低交叉干扰特性的压阻式三轴加速度传感器[5]。2019年，福州大学提出了一种可应用于工业互联网的压阻式三轴加速度传感器[6]，其结构包括一个中间质量块及四个支撑梁。2019年，中北大学提出了一种横向灵敏度较低的压阻式加速度传感器[7]，其芯片基于MEMS技术，通过阳极键合技术将衬底硅与高硼硅玻璃进行键合完成芯片封装。文献[8]针对物体空间加速度监测问题，给出一种采用MEMS技术制作的压阻式三轴加速度传感器基本结构。

以上都是针对三轴加速度传感器设计的研究报道，但主要聚焦于机械结构设计，对于MEMS数字加速度传感器中加入边缘计算算法的研究较少。因此，将先进的数据处理算法融入MEMS数字加速度传感器中用来提高传感器检测的自校准能力，进一步提升传感器检测精度，是当前业界面临的当务之急。在此，该研究针对三轴MEMS数字加速度传感器的标定算法展开研究，利用边缘计算、嵌入式开发设计等物联网技术提出一个基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器。

1 系统整体方案

为了克服现有加速度传感器精度较低、功耗大、智能化不足的缺陷，研究设计了一种结构简单、数据处理速度快、能够对所采集数据进行分析处理的基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器。

该研究设计的基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器，包括以下几个模块：用于采集加速度信息的加速度传感器、用以控制和处理信息的单片机控制模块、用于时空同步及校准功能的GPS（全球定位系统）+RTC(Real＿Time Clock）模块、用于远距离上传服务器的NB-Io T/4G模块和用以提高传感器的测量精度并实现数据轻量化校准的温度传感模块。所述加速度传感器、GPS+RTC模块、NB-Io T/4G模块和温度传感模块均与所述单片机控制模块连接。原理框图如图1所示。

图1 基于边缘计算的三轴MEMS数字加速度智能传感器原理框图 下载原图

设计的传感器中，加速度传感器、单片机控制模块和NB-Io T/4G模块均与电源模块连接。其中，各个模块芯片具体的选用型号如表1所示。

表1 各模块芯片选型 下载原图

2 系统硬件设计

根据系统层次结构，硬件部分包括单片机控制模块、加速度传感器、GPS模块、RTC模块以及温度传感模块等硬件设计模块。

2.1 单片机控制模块

功能模块均由硬件电路实现。其中，所述MEMS传感器与GD32F407单片机控制模块的SPI1接口连接。所述GPS+RTC模块与GD32F407单片机控制模块的SPI2接口连接。所述NB-Io T/4G模块与GD32F407单片机控制模块的PA9/TX1和PA10/RX1接口连接。所述NAND Flash模块与GD32F407单片机控制模块的PC10/TX4和PC11/RX4接口连接。所述TMP275AID模块与GD32F407单片机控制模块的PB接口连接。单片机控制模块硬件电路示意图如图2所示。

图2 单片机控制模块硬件电路图 下载原图

另外，MEMS传感器、GD32F407单片机、NB-Io T/4G模块以及NAND Flash模块均焊接于一块电路板上，电源模块在该模块的上方。

2.2 加速度传感器

研究设计项目选用了亚德诺半导体生产的ADXL355MEMS传感器，实现振动加速度的传感器数据采集及传输组网，用来传输识别的数据和控制的命令。加速度传感器的硬件设计如图3所示。

2.3 GPS模块

研究设计项目中使用L26T-S89芯片作为GPS模块的核心部分，单片机每隔一段时间会使用全球导航卫星系统模块（GNSS）和时钟模块（RTC）进行空间与时间的校准，确保数据的准确性和时间同步。GPS模块硬件设计如图4所示。

2.4 RTC模块

研究设计项目中使用RX4111CE芯片作为RTC模块的核心部分。单片机每隔一段时间会使用全球导航卫星系统模块（GNSS）和时钟模块（RTC）进行空间与时间的校准，确保数据的准确性和时间同步。RTC模块硬件设计如图5所示。

图3 加速度传感器硬件电路图 下载原图

图4 GPS模块硬件电路图 下载原图

图5 RTC模块硬件电路图 下载原图

2.5 温度传感模块

研究设计内置了用以提高传感器测量精度并实现数据轻量化校准的温度传感模块。温度传感模块硬件设计如图6所示。

图6 温度传感模块硬件电路图 下载原图

3 系统软件设计

该文为了实现系统功能，需要进行嵌入式、边缘计算算法的开发，远期会开展微信小程序的开发。

3.1 嵌入式软件开发

研究项目基于STM32架构，用到单片机、传感器、NB-Io T模块和温度传感器等物联网硬件设施，该研究进行了嵌入式程序开发，实现传感器数据读取、控制器接收、执行控制命令以及无线数据组网和数据传输。

3.2 边缘计算算法

当系统开始以后，MEMS加速度传感器会按照当前系统设定的频率开始采集数据，将所采集到的X轴、Y轴、Z轴的数据发送给GD32F407单片机进行处理，单片机首先会对接收到的数据进行算法补偿和边缘计算。如果边缘计算发现当前被检测物的状态异常，那么会唤醒远距离通信模块（NB-Io T/4G模块），将被检测物的异常状态数据加上前后一段时间的数据上传到云平台进行分析，单片机也会将所有采集到的数据都保存到本地，以供后续分析。同时，单片机每隔一段时间会使用GNSS模块进行本地时钟的校准，确保数据的准确性和时间同步。边缘计算算法设计流程图如图7所示。

图7 算法设计流程图 下载原图

3.3 微信小程序开发

该研究远期展望设计基于数据云平台展示的微信小程序，实现数据的实时展示与监测。

4 结语

该研究针对当下数字加速度传感器的发展现状，开展了基于边缘计算算法的MEMS数字加速度智能传感器的研究。该技术可以有效解决传统监测传感器体积笨重、精度低、价格高昂、安装复杂和无法实现实时监测等问题。基于该研究的产品技术集成度高，产品设计理念新，已在多处基础设施开展健康检测的实际应用，在未来会拥有更广泛的应用场景及可观的经济效益和社会效益吧。

参考文献

[1] 何铁春.航空测试领域中的硅压阻传感器[J].测控技术, 1991(4):2-4.

[2] Y. Xu, L. B. Zhao, Z. D. Jiang, et al. Analysis and Design of a Novel Piezoresistive Accelerometer with Axially Stressed Self-supporting Sensing Beams[J]. Sensor and Actuators A-Physical, 2016, 247:1-11.

[3] H. S. Zhou, F. Chen, J. C. Wang, et al. MEMS Monolithic Tri-axis High-shock Accelerometers with MHz-level Ultrahigh Resonant Frequency[C].IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2017:327-330.

[4] B. Li, Y. L. Zhao, C. Li, et al. A Differential Resonant Accelerometer with Low Cross-interference and Temperature Drift[J]. Sensors, 2017(1):1-21.

[5] J. Q. Han, Z. Q. Zhao, W. J. Niu, et al. A Low Crossaxis Sensitivity Piezoresistive Accelerometer Fabricated by Masked-maskless Wet Etching[J]. Sensor and Actuators A-Physical, 2018, 283:17-25.

[6] C. Dong, Y. Ye, X. M. Liu, et al. The Sensitivity Design of Piezoresistive Acceleration Sensor in Industrial IoT[J]. IEEE Access, 2019(7):16952-16963.

[7] 林立娜,梁庭,李鑫,等.基于SOI的低横向灵敏度压阻式加速度计的设计[J].微纳电子技术, 2019(6):466-472.

[8] 王颖.基于MEMS技术单片集成三轴加速度传感器研究[D].哈尔滨：黑龙江大学, 2021.

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江铃汽车申请新能源汽车六轴惯性传感器的零位修正方法专利，能确保VCU输出的纵向及横向加速度能真实反映车辆的状态

金融界2024年2月19日消息，据国家知识产权局公告，江铃汽车股份有限公司申请一项名为“一种新能源汽车六轴惯性传感器的零位修正方法“，公开号CN117553824A，申请日期为2023年10月。

专利摘要显示，本发明公开了一种新能源汽车六轴惯性传感器的零位修正方法，属于新能源汽车六轴惯性传感器技术领域，包括以下步骤：六轴惯性传感器集成在VCU的PCB板上；VCU安装到车辆上；在VCU软件中设置一个标定量ALgt_Cal用于匹配VCU和车辆纵轴方向；设置标定量DirLgt_Cal用于匹配纵向加速度的方向；六轴惯性传感器输出的加速度值单位为g；六轴惯性传感器的信号采集周期为10ms；设置一个诊断服务；车辆的六轴惯性传感器自学习只要进行一次，将学习的初始值存储到VCU的ROM里，VCU每次上电时都会读取ROM里的加速初始值用于归零处理。本发明可确保VCU输出的纵向及横向加速度能真实反映车辆的状态，估算出车辆的重量后，可以根据车重调整车辆的能量回收大小，有利于提升车辆的续航。

本文源自金融界

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