基于復(fù)合量程加速度計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)*

閆明明，郭 濤，龔 珊

（1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

隨著MEMS工藝水平的不斷提高，MEMS器件的應(yīng)用范圍越來越廣，從工業(yè)生產(chǎn)到航天科技，MEMS器件的身影隨處可見［1］。作為一種新型MEMS器件，復(fù)合量程加速度計(jì)解決了常規(guī)彈藥制導(dǎo)化應(yīng)用中采用多個(gè)不同量程加速度計(jì)測(cè)量所帶來的安裝不便和誤差問題［2］。但是，常規(guī)的有線測(cè)試方法需要大量的人力物力來鋪設(shè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并且信號(hào)在傳輸線傳輸過程中會(huì)受到噪聲干擾，尤其是長(zhǎng)電纜傳輸甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)失真或者無效［3］。針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于復(fù)合量程加速度計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)［4］，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。

如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、基站模塊，以及數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig 1 Structural model of system

傳感器節(jié)點(diǎn)采用分布式安裝，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可完成加速度信號(hào)的感應(yīng)與調(diào)理，并將調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。傳感器節(jié)點(diǎn)上配置的無線收發(fā)模塊實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)交荆就ㄟ^RS—232接口將此信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，經(jīng)數(shù)據(jù)中心的處理模塊處理后數(shù)據(jù)在PC機(jī)上進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。

1．1 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zig Bee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種:星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)［5］，如圖2。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 2 Topology structure of wireless networks

主要考慮到星形網(wǎng)絡(luò)需要的協(xié)調(diào)器數(shù)量少，而協(xié)調(diào)器的功耗是普通終端節(jié)點(diǎn)的幾十倍甚至上百倍，采用星形網(wǎng)絡(luò)可以大幅度降低整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體功耗。另外，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的各網(wǎng)段終端設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)過協(xié)調(diào)器［6］，協(xié)調(diào)器內(nèi)部的路由表復(fù)雜、不易維護(hù)和實(shí)時(shí)管理。所以，本設(shè)計(jì)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1．2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用復(fù)合量程加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字處理模塊、無線收發(fā)模塊等四部分構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig 3 Hardware structure of sensor node

復(fù)合量程加速度計(jì)輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)放大電路放大后進(jìn)入濾波電路，二階高通濾波電路與低通濾波電路將通頻帶限制在5～2 kHz，濾除不需要的雜波;數(shù)字控制芯片選用ATMEL公司8位單片機(jī)的最高配置的一種單片機(jī)ATmega128，數(shù)字控制模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)并傳遞給無線收發(fā)模塊的主芯片CC2530;傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530工作在終端節(jié)點(diǎn)模式，接收到單片機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)后，將目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)、自身地址打包后自行調(diào)制并發(fā)射到空氣中。

傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig 4 Program flow chart of nodes

1．3 基站模塊設(shè)計(jì)

基站模塊采用無線收發(fā)模塊、數(shù)字處理模塊、RS—232電平轉(zhuǎn)換電路等部分構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基站模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig 5 Hardware structure of base station module

基站模塊中的CC2530無線收發(fā)模塊在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，具有建立Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、對(duì)申請(qǐng)入網(wǎng)的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址等重要功能［7］，是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的核心。該無線收發(fā)模塊檢測(cè)到空氣中有來自該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，便將數(shù)據(jù)截獲并自行解調(diào)后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中的固定區(qū)域，每存儲(chǔ)一定字節(jié)的數(shù)據(jù)后發(fā)送一個(gè)脈沖通知主控芯片（ATmega128）進(jìn)行讀取。主控芯片對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行加計(jì)數(shù)，每讀取一定字節(jié)數(shù)據(jù)后對(duì)計(jì)數(shù)值減1，并將每次讀到的數(shù)據(jù)通過TTL電平的串口輸入到電平轉(zhuǎn)換電路中。電平轉(zhuǎn)換電路將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS—232電平信號(hào)后輸出到PC機(jī)串行接口。

基站模塊程序流程圖如圖6所示。

1．4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本上位機(jī)軟件采用Visual C++6．0開發(fā)工具，利用安全性較高的Access作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，以軟件工程理論為指導(dǎo)，通過一個(gè)病員監(jiān)控系統(tǒng)來體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件基本功能，達(dá)到研究本課題的目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本特點(diǎn)和靈活快速的部署能力成為本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。對(duì)加速度的測(cè)量，從傳統(tǒng)的有線測(cè)試方式過渡到了無線測(cè)試并實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)的方式。上位機(jī)通過串口通信的程序來控制PC機(jī)與單片機(jī)之間的串口通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和設(shè)置。該系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，從總體方案上力求達(dá)到該軟件所需的目標(biāo)要求。

2 系統(tǒng)測(cè)試

2．1 傳輸距離測(cè)試

為了確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，實(shí)驗(yàn)首先對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信距離進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試包括室內(nèi)測(cè)試與室外測(cè)試:室內(nèi)以墻壁為間隔，每隔一扇墻壁放置1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn);室外距基站50 m處為起點(diǎn)，每隔50 m放置1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送3組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中心接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算所得數(shù)據(jù)出錯(cuò)率結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)出錯(cuò)率在3%以內(nèi)，證明通信成功，且可以保證在300 m以內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確有效傳輸，房間內(nèi)傳輸信號(hào)衰減得快是因?yàn)閴Ρ谖樟藷o線電信號(hào)。

2．2 組網(wǎng)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試。選取3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)按照星狀網(wǎng)絡(luò)放置在房間桌子上，利用強(qiáng)力雙面膠固定，將模式設(shè)置為多點(diǎn)監(jiān)控模式，敲擊節(jié)點(diǎn)的中心測(cè)試面，在數(shù)據(jù)中心觀察監(jiān)控波形，并記錄數(shù)據(jù)，對(duì)比3個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的加速度值。

圖形顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的加速度信號(hào)波形基本一致，處理后的加速度結(jié)果見表2。

表1 數(shù)據(jù)出錯(cuò)率Tab 1 Error rate of datas

表2 節(jié)點(diǎn)加速度測(cè)試結(jié)果Tab 2 Acceleration test results of nodes

由表2可以看出:每個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)得的加速度值差別不大，最大差別為2．7%。

2．3 精度測(cè)試

利用實(shí)驗(yàn)室的傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合量程加速度計(jì)的低量程進(jìn)行考察，因?yàn)橹挥幸惶仔?zhǔn)系統(tǒng)，所以，采用單點(diǎn)監(jiān)控模式，傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見表3，精度測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab 3 Parameter setting of sensor calibration system

表4 精度測(cè)試結(jié)果Tab 4 Results of precision test

傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試精度達(dá)到了1．2%，說明基于復(fù)合量程加速度計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分布式測(cè)量，而且保證了很高的測(cè)試精度。

3 結(jié)束語

本文介紹了基于復(fù)合量程加速度計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用星狀網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，傳輸距離遠(yuǎn)，測(cè)試精度高，達(dá)到了預(yù)期的效果。本系統(tǒng)解決了加速度測(cè)量系統(tǒng)中采用多個(gè)單量程加速度計(jì)的安裝復(fù)雜問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑸閷?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便化智能化測(cè)試提供了有力的保障。

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