平顶山无线倾角传感器规格

基于倾角传感器的移动通信铁塔形变预警系统
监测需求分析
3G、 4G 网络的大面积覆盖为人们提供了更为优质的通信服务， 为人们带来了较大的便利，而与此同时通信网络扩张所产生的问题也伴随而来。通信设备数量的增加，导致维护难度逐渐增大。维护不及时致使通信设备在遭受自然环境或人为因素的破坏后，得不到及时的修理，导致通信线路塔体发生倾斜、形变甚至倒塌，通信铁塔一旦倒塌将导致覆盖区域内通信中断，直接影响了通信网络的运行安全。近年来通信铁塔倒塌的事故日渐增多，严重影响了人们的日常生活。
针对通信铁塔维护大多采用铅垂仪等人工方式进行简单检测，检查铁塔是否存在表面物理损坏，如铁塔倾斜、钢结构生锈或变形、螺丝松动、螺帽丢失等，粗浅层面的铁塔维护。工程师利用这些表面物理现象，简单判断铁塔的工作状态是否正常，这样不但效率低，而且并不能实施监测铁塔状态，做到铁塔倾斜的早期预测，并及时排除可能存在的安全隐患，以**通信基站的正常运行。监测人员的不足以及检测手段的落后，导致往往出现较为严重的问题后，才进行事后补救处理。而铁塔倾斜造成的后果是非常严重的，会大大降低铁塔的使用年限，增加使用成本，严重的会造成局部的通信中断，因此，通信铁塔的维护方式急需进行改进。

智能传感器是 20 世纪 80 年代发展起来的一种新型传感器，融合了信息采集、处理、和交换的功能。由智能传感器组成的无线传感器网络，集无线通讯技术、传感器技术、计算机网络技术等于一体，作为近年来一项新兴的技术，给我们的生活方式带来革命性的变化。结合当下的技术发展，利用无线传感技术设计一种智能化的通信铁塔形变监测系统具有重要的现实意义。
（1） 积累大量珍贵数据。通信铁塔形变监测预警节点，可以及时发现铁塔的倾斜和变形特点，并找出其垂直度的变化规律，提早预见存在故障的铁塔，使人为或自然现象导致的地面塌陷、铁塔倾斜、铁塔形变在早期就处于严密监控下。大量有效数据的积累为后期铁塔形变预警积累了宝贵的数据、经验，促使铁塔监测更为科学有效。
（2） 减少巡视人员劳动强度。依照长期实时的监测数据，铁塔维护人员可以有目的对铁塔进行监测维护，缩小检测范围。并根据数据提前分析可能存在的问题，做到提前准备。
（3） 提高通讯网络的可靠性。传统的移动铁塔检测方法难以发现存在潜在问题的铁塔，常常是在铁塔倒塌后再进行补救，对通信网络的可靠性造成了严重的损害。铁塔形变监测系统，以监测为核心，当铁塔发生形变趋势的时候及早排查，大大降低了铁塔倒塌的可能。
（4） 创造良好的社会效益。铁塔形变监测系统不仅可以应用于移动通信网络铁塔的监测预警，也可用于对电网铁塔、景观铁塔等设备的监测中，提高铁塔使用寿命，节省成本。


本文的目标是构建移动通信铁塔形变监测预警系统，通过在铁塔较容易形变的地方，放置垂直度传感器对铁塔形变进行实时监测，并将采集到的数据进行计算、分析，实时监控通信铁塔的工作状态，及时发现铁塔存在的安全隐患。系统还将铁塔工作状态数据和形变预警信号，传递至铁塔监控中心，方便相关人员进行实时监测、统计、分析，并以报警器、短信、电话等方式告知运维人员，从而实现精细化、预防性、综合集中控管的智能铁塔维护。

FSG推出新款具备震动补偿的两轴倾角传感器
据麦姆斯咨询报道，专业的传感器厂商FSG近日推出了新款PE-MEMS/GS70系列倾角传感器，主要用于工程机械倾角监测、船舶平台倾角测量、工作平台以及石油和天然气钻探平台。
该两轴器件采用成熟的MEMS技术，确保高精度冗余测量。利用额外的一个陀螺仪对机械震动进行补偿。
GS70系列倾角传感器能够测量±60°范围内X轴和Y轴的角度变化，根据测量角度范围变化，其测量精度为±0.05°~ ±0.3°。该系列倾角传感器外壳由钝化的铝材料制造而成。
该系列倾角传感器的设计工作温度范围为-40 °C~ +80 °C，符合**电工**（IEC）61508 （SIL 2）标准和欧洲13849 （PLD）标准规定的所有技术安全要求。GS70系列倾角传感器提供IP68防护级别的电缆连接和IP67防护级别的插头连接器。CAN总线接口支持CANopen和CANopen安全协议的信号输出。

无线传感器网络在禽舍中的应用
我国禽舍设施的现代化程度还不太高，与发达国家相比存在一定的差距。近年米在研究国外禽舍设施技术的基础上，我国的禽舍设施对微型计算机的应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段，向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。现有的禽舍监测系统中数据的采集火多采用传统的有线方式，需要铺设大量的信号传输线，既增加了更新维护的难度，又降低了监测的可靠性和操作的灵活性。随着射频技术的发展，无线技术越米越成熟，使禽舍环境实现无线监测成为可能，目前无线技术在国外的畜禽养殖中已得到应用。 1 禽舍采用无线监测的必要性 我国农业正在从粗放型向集约型转变，实现畜禽养殖的自动化与智能化已成一种趋势，无线传感器网络在禽舍环境监测中的应用顺应了时代的要求。无线传感器网络与传统的禽舍环境监控方式相比有三大优势：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此减少r人为因素对禽舍环境的影响；二是传感器网络节点数量大，每个节点都可以检测到局部环境的详细信息并汇总到汇聚节点，因此传感器网络具有数据采集量大、精度高的特点；三是无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信功能，可以在节点间进行协同监控。 节点的计算能力和无线通信功能使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境的变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，因而传感器网络非常适用于禽舍环境的监测。 2禽舍环境监测应用的传感器网络结构 适用于禽舍环境监测的传感器网络结构见图1。传感器节点被大量部署在禽舍环境的监控区域内，自主形成传感器网络。传感器节点将检测到的数据传送到汇聚节点，汇聚节点负责将传感器节点传来的数据传送给终端。 传感器节点自主形成一个多跳网络，处于网络边缘的节点必须通过其他节点向汇聚节点发送数据。每个传感器节点都能检测禽舍环境的温度、湿度、光照等信息，也可以变换监测目标和监测内容。由于传感器节点具有计算能力和通信能力，可以在传感器网络中对采集的数据进行数据融合处理。这样可以减少数据通信量，节省传感器节点的能量。 2．1节点及节点部署 根据禽舍环境特点的要求，传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长等的特点。目前使用比较多的是加州伯克利分校研制的Mote节点，即通过扩展板的方式带有一个专用的传感器板，板上载有光照传感器、温湿度传感器以及大气压传感器等。 传感器节点在系统中负责完成两方面的工作：一是接收分析用户的监测指令，并根据指令中的参数要求对环境数据进行检测采集；二是通过无线系统将采集的数据发送到汇聚节点。汇聚节点主要负责接收传感节点传来的数据，调度传感节点的运行，实现采集数据的上传和用户指令的下发，汇聚节点是用户和传感节点信息传输的桥梁。汇聚节点除了具备与传感节点同样结构和功能的无线收发模块外，还具有功能强大的处理模块和大容量的存储模块。 如何在禽舍中布置传感节点，直接影响到整个系统的工作效率和投资成本。只有合理的布置节点，才能充分发挥系统高效率和低能耗的优势。关于节点布置的问题在不同的背景下已被研究。确定性布置和自组织布置是节点布置的两种方式。 禽舍中节点的部置还应考虑区域的覆盖和节点问的连接等问题。所谓的覆盖问题，就是我们所监测的目标区域内，都能被传感节点检测到，其实质就是在兼顾节点间通信的基础上，实现监测范围的较大化；每个传感节点都能与汇聚节点通信称为连接，如果系统中存在不连接的节点，某些子区域感测到的信息将成为无效信息。在温室中布置传感节点时，需要考虑有多少个传感节点负责某个参数的测量，决定数量后，要解决怎样准确布置这些节点才能够使得系统效率较高、能耗较低。 2．2节点能量管理 禽舍环境的监测是长时间的连续监测，这对节点能量的供应提出了很高的要求。在传感器网络中，节点对能量的使用是不同的，汇聚节点需要更多的能量接收和发送数据包，网络边缘节点会将能量主要用在数据的搜集上。因此节点在能量的消耗上出现了瓶颈问题。在应用中需要考虑能量消耗较快的节点，并采取一定的节点冗余措施以**数据传输不会因为个别节点的失效而中断。表1给出了传感器节点操作及消耗电量的关系。 节点节省能量主要采用休眠机制，即当一个传感器节点有任务时，只有与其相邻区域内的传感器节点处于活动状态，其余的处于关闭状态。 2．3 s-MAC协议在禽舍无线传感器网络中的应用 设计无线传感器网络MAC协议时，应当考虑的属性有：节省能量、网络的可扩展性和网络效率。目前，在MAC协议的设计中，往往是通过降低网络的公平性，增加网络的延时、吞吐量，米换取协议的能量有效性。 S-MAC(sensor MAC)协议是在802．11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议通过周期性休眠获得低占空比运行，通过选择和维护休眠调度表，使相邻节点组成休眠／唤醒自动同步的虚拟组，从而实现信息传输的同步，并减少控制开销。其特点是形成一个使相邻节点都能自由通信的平面拓扑结构，同步节点形成一个无簇内通信的虚拟组，很容易适应拓扑结构的改变。 假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协同完成相同的任务，网络内部能够进行数据处理和融合以减小数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟，既提供了良好的扩展性，义减少了节点能量的消耗。 无线传感器网络应用到禽舍中，建立禽舍无线监测系统，实现了对禽舍信息的无线采集和畜禽养殖业的自动化与智能化，对于提高畜禽的产量，具有重要的现实意义。同时它的发展和应用对现代科学技术产生了较其重要的影响，在*、医疗、环境监测、家庭自动化和其他领域具有广阔的应用前景。 赵建华，韩玉杰 (东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040) 中国家禽2010.3 江洪涛采集审核；程彬彬编辑上传。

基于倾角传感器的移动通信铁塔形变预警系统
监测系统设计要点分析
铁塔形变检测系统是对移动铁塔进行健康监测，需要考虑监测节点的功耗、稳定性、抗恶劣环境等问题，同时需要提高设备的稳定性、易用性。 针对以上需求在系统设计过程中需要针对需求做出针对性的优化。 以下是对铁塔形变监测系统的需求分析：
（1）低功耗
通信铁塔形变监测节点需适应在恶劣自然环境下的工作，较低的功耗可以提高铁塔形变监测节点环境适应性，并延长监测节点的使用寿命。特别是对于采用太阳能和锂电池供电方案的监测节点，如果功耗过大，可能导致监测节点在阴雨气候时因为得不到充足的电能而停止工作。
（2）抗侵袭
通信铁塔形变监测节点安装地域广， 工作环境的复杂，可能遭受到如雨雪、雷电、大风、冰雹、电磁干扰等恶劣环境的影响。为了提高设备的环境适应性，在该倾角监测节点的设计中， 应考虑该仪表的防雨、防震、防雷击、防电磁干扰等因素。
（3）高可靠性
该系统监测节点主要安装在户外的通信铁塔上，维护难度较大。因此铁塔形变监测系统的可靠性是非常重要的。无线倾角传感器需要牢固固定，并且不破坏铁塔的固有结构。 除此之外铁塔形变监测系统软件需要具较高的可靠性，并具有自动检测功能，以方便维护人员及时确定设备的故障点。有高可靠性是铁塔倾角监测系统的根本**，失去了可靠性就等于设备失去了其可信性，失去了铁塔自动监控的意义。
（4）低成本
由于通信铁塔形变监测装置将安装在通信铁塔上，配备数量大。如果开发成本过高，势必会在很大程度上影响它的推广应用，通信公司也无法投入大量资金在其中。因此在形变监测节点的开发过程中， 需要尽可能降低监测节点的成本。才能提高该检测系统的普及率。
（5）易用性
铁塔形变监测系统需要提供便捷的服务，铁塔数据通过短信的方式将采集的数据信息发送到监控中心的计算机中，方便数据的汇总、比较。当数据出现问题时，通过短信电话等方式通知相关铁塔维护人员进行处理。铁塔数据要简单、直观、可靠便于分析。

无线传感器网络硬件设计综述
无线传感器网络因其巨大的应用前景越来越受到学术界和工业界的广泛关注。本文介绍了无线传感器网络节点的体系结构，分析比较了国内外当前典型的硬件平台，重点讨论了目前无线传感器网络节点常用的处理器、射频芯片、电源和传感器各自的优缺点，并详细比较了目前应用于无线传感器网络的无线通信技术。

无线传感器网络WSN(Wireless Sensol Network)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络较终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。


在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式(如Internet、卫星或移动通信网络等)与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能较；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成，如图1所示。

1 无线传感器网络典型节点


传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣．而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络较重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽町能延长无线传感器网络的寿命。


由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典犁的节点包括MICa系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabra-net等。实际上各平台较主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。常用的无线通信协议有802．11b、802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议；处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是WiseNet。典型无线传感器网络节点如表l所列。


本文介绍了无线传感器网络的概念、特点以及无线传感器网络节点的组成，重点分析比较节点各组成单元各种常用芯片的特点，并且始终将低功耗作为比较的重要标准之一。


2 典型无线传感器网络节点比较


目前，国内外研究人员已经开发出多种无线传感器网络节点，其实这些节点的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不尽相同，因此所采用的硬件组件有很大差异。


2.1 处理器单元


处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但处理能力也非常有限。Berkerly大学研制的Miea系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器ATmegal28L。该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4KB SRAM、128KB Flash和4KB EEPROM，拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线芯片和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。采用该处理器的另外一个优点足：编译器很多，其中GCC(WINAVR)是完全免费、开放的软件。由于以上优点和Mica2节点的影响，在实际的无线传感器设计中应用很多。但是从低功耗角度来讲，该芯片并不是较佳选择。


如表1所列，就低功耗而言，MSP430Flxx MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1．8V，实时时钟待机电流的消耗仪为1．1μA，而运行模式电流低至300μA(1MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6μs。PIC系列微控制器也有低功耗的产品问世。Toles节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些数据量大的应用中，高端的处理器也有应用。例如μAMPS-1节点采用StrongARM处理器SA-1110，功耗为27～976 mW。该处理器支持DVS节能，可以降低功耗450mW左右；关掉无线模块功耗可以降低300mW。μAMPS-2采用的处理器是DSP。XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002，该处理器也支持DFS(动态频率调节)，工作电流为15～72mA，频率为1．8～57．6 MHz。


从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，多数支持DVS(动态电压调节)或DFS(动态频率调节)等节能策略，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用；此外．采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。表2中最后3款处理器足ARM内核的处理器，功耗明显比低端微控制器高很多。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。在选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考虑功耗问题。


2.2 无线传输技术及芯片


可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有：802．11b、802．15．4(ZigBee)、BitIetooth、UWB、RFID、lrDA等}还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段，如表3所列。利用激光作为传输媒体，功耗比用电磁波低，更安全。缺点是：只能直线传输；易受大气状况影响；传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性，距离短，不需要天线。芯片83F88S是一种符合IrDA标准的无线收发芯片。UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数cm的定位精度等优点；缺点是传输距离只有lOm左右，隔墙穿透力不好。802．11b因为功耗高而应用不多，Bluetooth工作在2．4 GHz频段，传输速率可达10Mbps；缺点是传输距离只有10m左右，完整协议栈有250KB，不适合使用低端处理器，多用于家庭个人无线局域网，在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用较多的是ZigBee和普通射频芯片。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前市场上常见的支持ZigBee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司，Figure8公司还专门开发了ZigBee协议栈。Chipcon公司的CC2420芯片应用较多，Toles节点和XYZ节点都是采用该芯片；Chipcon公司提供包含Figure8公司开发的ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2．4GHz无线传输芯片有MCl3191、MC13192、MCl3193；该公司还提供配套的开发套件。


普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的MAC协议有T-MAC、S-MA、CWise-MAC、B-MAC、D-MAC等。路由协议有Gossi-PINg、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。从性能、成本、功耗方面考虑，RFM公司的TRl000和Chipcon公司的CCl000是理想的选择。这两种芯片各有所长，TRl000功耗低一些，CCl000灵敏度高一些，传输距离更远。WeC、Renee和Mica节点均采用TRl000芯片；Mica2采用CCl000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CCl020芯片，传输速率可达153．6 kbps，支持OOK、FSK和GIFSK调制方式；Micaz节点则采用CC2420 ZigBee芯片。还有一类无线芯片本身集成了处理器，例如CC2430是在CC2420的基础上集成了51内核的单片机；CCl010是在CCl000的基础上集成了5l内核的单片机，使得芯片的集成度进一步提高。WiseNet节点采用的是CCl010芯片。常见的无线芯片还有NorDIC公司的nRF905、nRF2401等系列芯片，因为功耗较高，接收灵敏度比较低，开发难度较大，在实际的无线传感器网络中应用较少。常用无线芯片的主要参数比较如表4所列。


2．3 电源模块


电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，DC-DC模块的效率也至关重要}另外，还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。


按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充电电池。在可充电电池中，锂电池和锂聚合物电池的能量密度较高，但是成本也比较高；镍锰电池和锂聚合物电池是一没有毒性的可充电电池。常见电池的性能参数如表5所列。无线传感器网络节点一般工作在户外，可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限的，而且大多数可充电电池有记忆效应，因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电，否则会大大缩短电池的使用寿命。


2.4 传感器模块


传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量。美国Crossbow公司基于Mica节点开发了一系列传感器板，采用的传感器有光敏电阻Clairex CL94L、温敏电阻ERT-J1VRl03J(松下电子公司)、加速度传感器ADI ADXL202、磁传感器Honeywe11HMC1002等。温湿度传感器SHTxx系列能支持低功耗模式，采集完数据后自动转入休眠模式，电流小于lμA。


传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器(几百μA)，可由处理器I／O口直接驱动；当不用该传感器时，将I／O口设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗，例如温度传感器DSl8820可以采用这种方式。对于大电流工作的传感器模块，I／O口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管(如Irlml6402)来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制，MAX4678就是这样一款芯片。

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