基于MEMS力傳感器的智能綁帶裝置研制

陳得民，張 威 ，周浩南，沈唯真

（1.北京必創(chuàng)科技有限公司，北京100085；2.北京大學(xué) 微電子學(xué)研究院，北京 100091）

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)輸捆綁大多采用傳統(tǒng)的尼龍繩、麻繩、鋼絲、木棒加鐵釘?shù)确绞剑@種捆綁方式在物流運(yùn)輸中存在嚴(yán)重的安全隱患[1-3]。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種無線智能貨物綁帶裝置。在貨物車上，每根綁帶拉緊處都固定一套智能綁帶裝置，在貨物裝載好后，工作人員可通過該設(shè)備控制面板啟動(dòng)電機(jī)，拉緊綁帶。在貨物運(yùn)輸過程中，通過該裝置內(nèi)置的拉力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綁帶的拉力，如果綁帶出現(xiàn)松動(dòng)，該裝置會(huì)自動(dòng)拉緊綁帶，同時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過無線方式發(fā)送到駕駛室內(nèi)的監(jiān)控主機(jī)上，供駕駛員察看。駕駛員亦可對(duì)各無線智能貨物綁帶裝置進(jìn)行控制。本裝置的研制，大大改進(jìn)了傳統(tǒng)物流捆綁技術(shù)，提高了貨物物流的效率和安全。

1 無線智能貨物綁帶裝置

無線智能貨物綁帶裝置采用一體式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)外形如圖1所示。該裝置主要是通過前端力傳感器感知綁帶狀態(tài)，然后根據(jù)幫帶狀態(tài)控制電機(jī)，對(duì)綁帶進(jìn)行控制，同時(shí)通過無線方式，將綁帶裝置信息和外部設(shè)備互通。該裝置主要由內(nèi)置MEMS多軸力傳感器、大電流控制模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、直流電機(jī)組成。每臺(tái)智能綁帶裝置會(huì)有一個(gè)顯示屏，支持裝置現(xiàn)場(chǎng)人工操作。該裝置結(jié)構(gòu)上提供手動(dòng)收緊/卸載接口。其原理如圖2所示。

圖1 智能綁帶裝置外形Fig.1 Smart bind device appearance

圖2 智能綁帶裝置原理圖Fig.2 Principle diagram of the intelligent bind device

直流電動(dòng)機(jī)是用來拉緊或放松綁帶的設(shè)備，MEMS多軸力傳感器是用來測(cè)量綁帶拉力的器件，電源管理單元負(fù)責(zé)給所有工作電路供電，控制面板由指示燈和控制按鍵組成，來顯示、管理整個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，無線通訊單元由433 MHz的無線射頻模塊組成，主要完成該設(shè)備與駕駛室內(nèi)控制設(shè)備的通訊，將綁帶信息發(fā)送給駕駛室控制裝置，并接受駕駛員的控制命令。

1.1 MEMS多軸力傳感器研制

多軸力傳感器是智能貨物綁帶裝置的核心部件。通常的力傳感器在懸臂梁正面植入壓阻就可測(cè)量正面壓力，當(dāng)正面受到力載荷時(shí)，懸臂梁在垂直方向的形變將引起電阻變化，電橋橋路平衡被打破，測(cè)量電路根據(jù)輸出端電壓變化量來測(cè)出矢量力。如果考慮側(cè)面外力，懸梁臂的側(cè)面也需植入壓阻來測(cè)量。一般操作中，懸臂梁的受力可被機(jī)械的分解成垂直和水平的矢量，成為兩個(gè)獨(dú)立的輸出信號(hào)[4-9]。本文設(shè)計(jì)一種從正面垂直軸偏20°的角離子注入材料硼，這是一種新型MEMS加工工藝，利用這種設(shè)計(jì)，此多軸力傳感器可同時(shí)測(cè)量正面和側(cè)面壓力。

本文使用一個(gè)一端固定的懸臂梁傳感器，由于與每個(gè)橫截面相關(guān)的最大應(yīng)力值隨著到自由端的距離而成線性變化，并且對(duì)每個(gè)橫截面在上下表面達(dá)到最大值，這就是壓阻經(jīng)常放置在懸臂梁的表面和靠近固定端的原因。在懸臂梁的正面植入壓阻來測(cè)量正面壓力，當(dāng)正面受到力載荷時(shí)，懸臂梁在垂直方向的形變將引起電阻發(fā)生變化，電橋橋路平衡被打破，在輸出端有電壓輸出，從而根據(jù)輸出電壓的變化量測(cè)出矢量力來。在懸梁臂的側(cè)面也需要植入壓阻來測(cè)量側(cè)面外力。在一般的操作中，懸臂梁的受力可被機(jī)械的分解成垂直和水平的矢量，成為兩個(gè)獨(dú)立的輸出信號(hào)。此多軸力傳感器可同時(shí)測(cè)量正面和側(cè)面的壓力，如圖3所示。

圖3 注入圖Fig.3 Injection figure

1.2 測(cè)量電路

壓阻微懸臂梁將力學(xué)信號(hào)，通過壓敏電阻轉(zhuǎn)換為電阻的變化。電阻變化則通常使用電橋和相應(yīng)的信號(hào)處理電路來測(cè)量與讀出。根據(jù)供橋電源是直流或是交流，測(cè)量電橋可分為直流電橋和交流電橋兩種。這里僅涉及直流電橋，它的四個(gè)臂上均只接電阻。在未接入信號(hào)時(shí)，四個(gè)臂上的電阻相等，此時(shí)電橋平衡，輸出為零。根據(jù)橋臂上敏感電阻的數(shù)量和連接方式不同，直流電橋的接法有1/4臂電橋、半臂電橋、全臂電橋3種，如圖4所示。1/4臂電橋最低，全臂電橋最高，但其非線性也同樣成倍增加[10]。所以使用單臂電橋還是多臂電橋應(yīng)綜合考慮。

圖4 測(cè)量電橋Fig.4 Measuring bridge

1.3 無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及模塊的設(shè)計(jì)

本無線通訊模塊由MSP430超低功耗微控制器與CC11O1收發(fā)器組成，支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，每個(gè)智能綁帶作為采集點(diǎn)，將數(shù)據(jù)匯集到車內(nèi)狀態(tài)監(jiān)控端中。每個(gè)智能綁帶具有唯一的ID號(hào)，使成千上萬的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)依然能定位具體的監(jiān)測(cè)位置。同時(shí)，本協(xié)議支持分組技術(shù)，車內(nèi)狀態(tài)監(jiān)控端只接收同組設(shè)置的智能綁帶數(shù)據(jù)，所以即使是多輛使用該產(chǎn)品車輛進(jìn)入信號(hào)覆蓋范圍，任一車上的智能綁帶也不會(huì)加入其它車上的狀態(tài)監(jiān)控端[11-13]。

在物流運(yùn)輸過程中，設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，無線通訊與有線通訊最大的難點(diǎn)和區(qū)別在于無線通訊容易受到電機(jī)的干擾，數(shù)據(jù)接收容易出錯(cuò)，甚至數(shù)據(jù)通訊中斷。本無線傳感器通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采取了一系列的措施保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（1）數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)：為了得到更好的整機(jī)信噪比，無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用了64位PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻，具有更好的噪聲環(huán)境下數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。同時(shí)，對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)位的接收結(jié)果，都準(zhǔn)備了一個(gè)專門的寄存器位來標(biāo)志這個(gè)數(shù)據(jù)位的接收是否可信。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)答和數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制：節(jié)點(diǎn)在發(fā)出物理層數(shù)據(jù)包后，要等待一段時(shí)間來接收確認(rèn)幀，如果沒有收到確認(rèn)幀信息，則認(rèn)為發(fā)送信息失敗，并且，重新發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包，經(jīng)三次重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包后，如果仍然沒有收到確認(rèn)幀，則進(jìn)入超時(shí)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)將返回狀態(tài)信息，由應(yīng)用層決定發(fā)送終止或者重新進(jìn)入發(fā)送流程。

（3）自適應(yīng)信道切換：若一個(gè)強(qiáng)信號(hào)在一個(gè)信道持續(xù)一段時(shí)間，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)找到一個(gè)干凈的信道，從強(qiáng)信號(hào)源中跳轉(zhuǎn)出去。目前大多數(shù)短距離無線通信芯片都支持信道強(qiáng)度偵聽功能（RSSI，載波偵聽），只需讀取RSSI寄存器的值，就可判斷信道上無線信號(hào)的功率密度，作為跳轉(zhuǎn)判據(jù)，同樣，在選擇干凈信道時(shí)，首先讀取RSSI值，快速選擇最佳通訊質(zhì)量的信道，提高自適應(yīng)信道切換算法的效率。

（4）載波監(jiān)聽機(jī)制：為了防止節(jié)點(diǎn)眾多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑪?shù)據(jù)之間的碰撞，設(shè)計(jì)了隨機(jī)避讓的載波監(jiān)聽機(jī)制，其工作時(shí)序?yàn)椋合冗M(jìn)行偵聽，如果信道忙，則等待，隨機(jī)延時(shí)后，再偵聽。如果信道可用，則傳輸數(shù)據(jù)，等待確認(rèn)幀。

通過上述一系列的通訊處理機(jī)制，確保了本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院徒研浴?/p>

1.4 大電流控制裝置

電機(jī)大電流的控制裝置安裝在電機(jī)設(shè)備的前端，霍爾傳感器被用來檢測(cè)流過電機(jī)的電流，MEMS多軸力傳感器被用來檢測(cè)電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用大功率MOS管組成的H橋電路，可直接控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，主處理器模塊用來檢測(cè)霍爾傳感器的輸出、力傳感器的輸出和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)，單片機(jī)掃描按鍵輸入和驅(qū)動(dòng)顯示器輸出，接收上位機(jī)的控制命令和向上位機(jī)發(fā)送電機(jī)的各種狀態(tài)。使用該裝置，可控制峰值電流高達(dá)120 A的大電流設(shè)備，同時(shí)使用獨(dú)特的鋁基板PCB散熱結(jié)構(gòu)，將該驅(qū)動(dòng)裝置與電動(dòng)機(jī)融為一體，避免了添加大體積的散熱裝置。為適用低溫環(huán)境，大電流設(shè)備控制裝置還包括兩個(gè)溫度傳感器，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)采集的電源管理模塊的電源在其工作電壓內(nèi)，且環(huán)境溫度小于其閾值時(shí)，輸出預(yù)先設(shè)定的PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)模塊；設(shè)備啟動(dòng)結(jié)束后，定時(shí)接收第2溫度傳感器的溫度，當(dāng)該溫度大于驅(qū)動(dòng)模塊工作溫度閾值時(shí)，逐次增大當(dāng)前PWM占空比，直至達(dá)到PWM占空比最大值。這就確保智能綁帶可在更寬的溫度范圍內(nèi)工作，適應(yīng)更復(fù)雜惡劣的環(huán)境[14-16]。

本裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，一種大電流設(shè)備的控制裝置，包括：第1溫度傳感器、第2溫度傳感器、電源管理模塊、以及微控制器，其中：

圖5 大電流控制裝置原理圖Fig.5 Principle diagram of large current control

第1溫度傳感器，用于檢測(cè)大電流設(shè)備所處的環(huán)境溫度，并將所述溫度信號(hào)發(fā)送給微控制器；微控制器將所述溫度信號(hào)換算成實(shí)際的溫度值。第1溫度傳感器集成于微控制器，可以精確測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊的溫度以及減少控制裝置的體積。

第2溫度傳感器，用于檢測(cè)大電流設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的溫度，并將所述溫度信號(hào)發(fā)送給微控制器。第2溫度傳感器貼附在印制電路板PCB鋁基板上。

電源管理模塊，用于對(duì)外部電源進(jìn)行分壓，為控制裝置的各部分提供電壓源。電源管理模塊可由過壓過流保護(hù)電路、電源濾波電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，因?yàn)榇箅娏髟O(shè)備的控制裝置主要用于汽車或者直升機(jī)上，所以電源管理模塊經(jīng)過了特殊設(shè)計(jì)，可包含有負(fù)電壓沖擊保護(hù)電路、高壓脈沖保護(hù)電路、共模濾波電路、DC-DC降壓電路、線性穩(wěn)壓電路，以保證該模塊可在比較惡劣的環(huán)境中工作。

微控制器，用于大電流設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，采集電源管理模塊輸入的電源電壓，當(dāng)采集的電源電壓在其正常工作范圍內(nèi)，且接收的第1溫度傳感器環(huán)境溫度小于預(yù)先設(shè)定的溫度閾值時(shí)，輸出預(yù)先設(shè)定的脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)至大電流設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。

大電流設(shè)備啟動(dòng)過程結(jié)束后，定時(shí)接收來自第2溫度傳感器的溫度信號(hào)，當(dāng)其溫度值大于預(yù)先設(shè)定的驅(qū)動(dòng)模塊工作溫度閾值時(shí)，逐次增大PWM信號(hào)的占空比，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的PWM信號(hào)占空比最大值。其中，電源管理模塊輸入的電源電壓為外部電源電壓，其正常工作范圍為8 V～16 V。

2 結(jié)語

本文研制了一種基于MEMS多軸力傳感器技術(shù)的智能貨物綁帶裝置。攻克了多軸傳感器的采集一致性及抗干擾等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)單片集成多軸MEMS力傳感器，提高使用過程中傳感器的測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定性及測(cè)量可靠性；研究小體積大電流控制技術(shù)，完成智能貨物綁帶裝置的電動(dòng)控制系統(tǒng)。解決了復(fù)雜電磁環(huán)境下的無線信號(hào)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無線數(shù)據(jù)通信。

本裝置的研制，為物流行業(yè)提供了一種新的貨物捆綁技術(shù)。該系統(tǒng)已在浙江某有限公司得到應(yīng)用，并且成功推向國(guó)外市場(chǎng)。實(shí)際應(yīng)用顯示，該裝置穩(wěn)定、可靠，大大提高了貨物物流的安全性及智能化程度，為社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》鐵運(yùn)【2006】161 號(hào)文件[S]，2006.

[2] 盧慶齡，李慶全.中國(guó)捆綁器市場(chǎng)發(fā)展前景良好[J].物流技術(shù)與應(yīng)用：貨運(yùn)車輛，2008（6）：32-35.

[3] 盧慶齡，李慶全.世界捆綁器制造加速向亞洲轉(zhuǎn)移[J].物流技術(shù)與應(yīng)用：冷鏈物流，2008（11）：23-25.

[4] 張威，周浩楠，戴嘯寧，等.一種MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備方法：中國(guó)，CN 102976263 A[P].2013-03-20.

[5] 張威，張大成，劉蓓，等.MEMS壓阻式壓力傳感器芯片及其制備方法：中國(guó)，CN1193218C[P].2005-03-16.

[6] 李俊，陳玉玲.微型MEMS傳感器介紹及應(yīng)用[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與環(huán)境工程專委會(huì)暨中國(guó)航天第八專業(yè)信息網(wǎng)2007年度技術(shù)信息交流會(huì)，北京，2007.

[7] Yule Development SA.MEMS technology：World’s smallest bar.ometric pressure sensor[J].Micro News，2009，78（1）：11-13．

[8] ZHANG Jianbi.MEMS-based micro silicon piezo resis tire accelerometer design1[J].Electronic Sci&Tech，2009，22（10）：40-42．

[9] Jiang Zhuangde.MEMS sensor technology[J].Engineering Science，2012，10（5）：16-25.

[10]陳得民.基于無線傳感網(wǎng)的風(fēng)機(jī)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器世界，2011，17（2）：28-31.

[11]劉建航，邊永超.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議切換管理模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（22）：5524-5529.

[12]于海斌，曾鵬，王忠鋒.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報(bào)，2004，25（10）：102-110.

[13]POTTIE J G，KAISER J W.Wireless integrated network sensors[C]//Proc of Communications of the ACM.New York，USA，2000：551-558.

[14]陳志強(qiáng)，張蕊萍.電壓型PWM整流器電流控制策略研究[J].自動(dòng)化儀表，2013，37（4）：16-18.

[15]趙振波，李和明，董淑惠.采用電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的電壓矢量控制PWM 整流器系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（1）：31-34.

[16]LinBR，Yang TY.Three-phase AC/DC convener with high power factor[J].Electric Power Applications，2005，152（3）：757-764. ■