基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光電信號采集系統(tǒng)設(shè)計*

楊 統(tǒng)，王 崴，劉曉衛(wèi)

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)在一些大規(guī)模、高風(fēng)險的工程上被廣泛應(yīng)用。但是在大型構(gòu)件吊裝過程中存在一些不確定性，而這些不確定性包括模糊性、隨機(jī)性和灰色性，如，空間碰撞，吊裝錯位等，一旦吊裝人員操作失誤，會對吊裝設(shè)備、構(gòu)件和操作人員安全造成嚴(yán)重威脅。因此，在大型構(gòu)件吊裝過程中對吊裝操作的全程監(jiān)控和險情預(yù)警顯得尤為重要，而這項工作主要由各種傳感器來完成，其中，光電傳感器是常用的一種傳感器。但是傳統(tǒng)的光電信號采集系統(tǒng)采用的是有線連接方式，這種連接方式存在布線復(fù)雜、性價比低、電纜易損、靈活性差等缺陷。顯然，對大型移動和旋轉(zhuǎn)設(shè)備利用傳統(tǒng)的有線連接方式難以有效地完成采集任務(wù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由大量隨機(jī)分布的、具有實時感知、無線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成［1］。而分布式傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心部分，它直接影響到整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。目前，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些比較經(jīng)典的節(jié)點設(shè)計，如，美國加州大學(xué)Berkeley 分校的Micaz 系列節(jié)點［2，3］，麻省理工大學(xué)uAMPS 項目開發(fā)的節(jié)點［4］。

本文針對傳統(tǒng)光電采集系統(tǒng)的缺陷，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計的新型光電采集系統(tǒng)具有較高的性價比、可靠性和靈活性，信號實時采集速度和傳輸精度都有了很大的提高，同時減少了布線、安裝和維護(hù)的工作量。

1 新型光電信號采集系統(tǒng)的總體設(shè)計

傳統(tǒng)的光電信號采集系統(tǒng)由于是有線連接形式，它只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行光電信號采集，其主機(jī)的電纜長度一般在10 m 以內(nèi)，而在光電信號采集的過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，由于主機(jī)的數(shù)據(jù)處理和存儲能力有限，傳輸效率低，實際上它是一個單機(jī)系統(tǒng)，其光電信號采集系統(tǒng)如圖1 所示。本文借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對傳統(tǒng)的光電信號采集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，在主機(jī)外接無線通信模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，該新型光電信號采集系統(tǒng)主要由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示［5，6］。

圖1 傳統(tǒng)光電信號采集系統(tǒng)Fig 1 Tradition photoelectric signal acquisition system

圖2 新型光電信號采集系統(tǒng)Fig 2 New type of photoelectric signal acquisition system

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 微處理器模塊的設(shè)計

本文所選的微處理器STM32F103ZET6，它是由意法半導(dǎo)體公司基于Cortex—M3 內(nèi)核打造的一種32 位增強型微處理器，有144 個引腳，512 kbyte 字節(jié)的閃存存儲器，采用LQFP 封裝，工作溫度范圍為工業(yè)級－40～85 ℃，內(nèi)部集成了3 個12 位逐次逼近型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以采集18 個通道的ADC，包括16 個外部和2 個內(nèi)部信號，其最高采集頻率可達(dá)到1 MHz，即每1 μs 可完成一次AD 采集，其ADC 使用起來很方便，只要將參考電壓接入VERF—和VERF+即可使用。STM32F103ZET6 具有性價比高、處理速度快、性能穩(wěn)定、功耗低、外圍電路設(shè)計簡單等優(yōu)點，廣泛用于各種嵌入式場合［7］。微處理器模塊主要由處理器最小系統(tǒng)和電源模塊組成。電源模塊采用LM1117—3.3 和LM1117—5.0 芯片，LM1117 是一種穩(wěn)壓芯片，在LM1117 的輸入輸出端都加入了濾波電容，減少電源的擾動，電路比較簡單，電壓穩(wěn)定性好。

2.2 無線通信模塊的設(shè)計

該系統(tǒng)所用的無線通信模塊采用nRF24L01 無線通信芯片，該芯片工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 頻段，采用的是面向無線網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，集成的nRF24L01 通信模塊只需6 個引腳配置就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與接收，一次可實現(xiàn)32 字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸，在局域空間內(nèi)進(jìn)行多點數(shù)據(jù)傳輸時，各數(shù)據(jù)傳輸之間相互不干擾，它通過SPI 接口與MCU 之間進(jìn)行控制與通信［8］。nRF24L01 具有多種工作模式，本文用到是接收發(fā)模式，采用一個中斷引腳來通知MCU 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的狀態(tài)，本文采用庫函數(shù)的開發(fā)方式，避免了對其參數(shù)有關(guān)的大量寄存器的配置，其接口電路如圖3 所示。

圖3 nRF24L01 接口電路Fig 3 nRF24L01 interface circuit

2.3 多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇

多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用于完成信號的切換，本文從通用的角度出發(fā)，選用具有8 個線圈，采用2 個差動四通道的模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)AD7502，它能同時選通兩路信號，其選通真值表如表1 所示。

表1 AD7502 選通真值表Tab 1 True value on gating of AD7502

2.4 前置放大電路的設(shè)置

本文所選的光電傳感器是PC50—6，它的信號是帶有一定共模干擾的微弱電信號。因此，本文選用具有輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、失調(diào)小、溫漂小、線性好、穩(wěn)定性好、能夠放大差模信號的測量放大器，它由三個運算放大器組成，實際上是兩個電壓跟隨器構(gòu)成，第二級可以消除第一級的共模信號，通過調(diào)節(jié)電阻器R2 可以很方便地改變放大器的閉環(huán)增益，當(dāng)采用集成測量放大器時，R2 一般外接電阻器，其放大電路如圖4 所示。

2.5 濾波電路的設(shè)計

圖4 前置放大電路Fig 4 Preamplifier circuit

經(jīng)過前置放大電路的信號，還存在一些高頻噪聲，因此，對其高頻部分需要進(jìn)行濾波處理。由于巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有最大限度的平坦特性和良好的相位特性，故本文采用由二階壓控電源巴特沃斯低通濾波器和巴特沃斯電路構(gòu)成二階高通濾波器聯(lián)級形成的四階帶通濾波電路。這種帶通濾波電路具有偏執(zhí)電流低、噪聲小和運算速度高的特性。根據(jù)有源濾波器的設(shè)計手冊，可得其相關(guān)參數(shù)，其電路圖5 所示。

圖5 四階帶通濾波器Fig 5 Four-order bandpass filter

2.6 末級放大電路的設(shè)計

本文所選用的末級放大電路是一種程控式的增益可調(diào)電路，采用了Intersil 公司的ISL22416 型數(shù)字電位器，通過控制R2 的阻值大小就可實現(xiàn)增益的可調(diào)。由于本文所用的微處理器所帶的A/D 的工作電壓為3.3 V，因此，需要經(jīng)過末級放大電路的電壓穩(wěn)定在3.3 V 以內(nèi)，以最大滿足其線性指標(biāo)。所選數(shù)字電位器R2 的阻值為70 Ω～50 kΩ，其電路圖如圖6 所示［9］。

圖6 末級放大電路Fig 6 Final stage amplifier circuit

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

MCU 上電后首先進(jìn)行初始化，包括時鐘開啟、I/O 口模式配置、A/D 轉(zhuǎn)換器工作模式的配置、串口和SPI 的初始化設(shè)置、外部中斷的設(shè)置、nRF24L01 的工作模式的配置、nRF24L01 工作頻段和工作頻率的選擇以及使能RX_FIFO和TX_DATA［10］。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入RX_FIFO 或TX_DATA 準(zhǔn)備好接收下一幀數(shù)據(jù)時，nRF24L01 通過引腳NRF_IRQ 向微處理器發(fā)送中斷請求，主函數(shù)中循環(huán)進(jìn)行AD 采集與nRF24L01 發(fā)送或接收。當(dāng)接到上位機(jī)串口發(fā)送過來的指令時則進(jìn)入串口中斷函數(shù)，首先判斷是否為0X01，如是則將采集到的操作指令發(fā)送給上位機(jī)，完成與上位機(jī)的一次通信，流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 7 Flow chart of system software

4 測試設(shè)置與分析

為了驗證本文所設(shè)計的新型光電信號采集系統(tǒng)是否在精度和數(shù)據(jù)采集速度方面有一定的提高和實用的可行性，本文對其進(jìn)行實驗驗證。實驗設(shè)置是在一個長、寬都為80 m的倉庫內(nèi)，在倉庫的中心位置放置以高速旋轉(zhuǎn)的激光平面發(fā)射器作為光源，激光的掃描頻率在45 Hz 左右，以激光平面發(fā)射器為圓心，在其周圍放置3 個本文設(shè)計的光電信號采集節(jié)點，它們之間的夾角為120°，以每4 m 測量一次距離，并將3 個節(jié)點系統(tǒng)所測的距離取平均值，以減少倉庫環(huán)境的影響，測8 組數(shù)據(jù)與理論距離進(jìn)行比較，實驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 測試結(jié)果Fig 8 Test results

由圖8 可知，在30 m 的范圍內(nèi)其測量結(jié)果與實際距離非常接近，誤差保持在3%以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集的速度可達(dá)到8 μs左右且不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失，還具有一定穿越障礙物的能力。但是當(dāng)距離超過40 m 時，測試結(jié)果就會出現(xiàn)明顯的誤差且數(shù)據(jù)的丟失率會增高，穿越障礙的能力急劇下降，當(dāng)距離超過45 m 時會出現(xiàn)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點:1)由于無線射頻信號對干擾比較敏感，信道的快速衰落和傳輸環(huán)境的復(fù)雜變化都會對其產(chǎn)生較大的影響;2)無線射頻信號的穿透能力有一定的限度，當(dāng)傳播距離較遠(yuǎn)遇到障礙物時會引起傳播路徑的改變，導(dǎo)致測試距離發(fā)生改變，這些缺點對無線射頻信號來說是一個結(jié)構(gòu)性問題，解決這個問題的有效方法就是進(jìn)一步提高無線傳感器節(jié)點的設(shè)計精度和傳輸網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)。當(dāng)對于大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)來說，30 m 左右的距離已經(jīng)足夠了，所以，本文的設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期的目的，具有一定的實用性和參考價值。

5 結(jié) 論

本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，以低功耗、高性能的增強型STM32F103ZET6 為微處理器，以nRF24L01 作為無線通信模塊，提出了一種光電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明:這種新的設(shè)計方案在信號采集精度和數(shù)據(jù)傳輸速度以及檢測范圍等方面都有了顯著的提高，能夠滿足大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)的要求，具有一定的實用性。

［1］ Pottie G J，Kaiser W J.Wireless integrated network sensor［J］.Communications of the ACM，2000，43(5):51－58.

［2］ Hill J L，Culler D E.Mica:A wireless platform for deeply embedded networks［J］.IEEE Micro，2002，22(6):12－24.

［3］ 湯寶平，賀 超，曹小佳.面向機(jī)械振動監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［J］.振動、測試與診斷，2010，30(4):357－361.

［4］ Chandrakasan A，Min R，Bhardwaj M，et al.Power aware wireless microsensor systems［C］∥Proceedings of the 32nd European Solid－State Device Research Conference，F(xiàn)irenze:IEEE，2002:47－54.

［5］ 陳民鈾，王宇丁，張 莉，等.基于無線傳感器技術(shù)的人機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(10):113－115.

［6］ 王建坤，李男男，孫 瑤，等.一種腦電模擬預(yù)處理電路的設(shè)計［J］.南開大學(xué)學(xué)報，2010，43(2):47－50.

［7］ 袁開鴻，魏麗君，唐冬梅.基于STM32 平臺的CAN 總線式漏電流數(shù)字傳感器［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(5):63－66.

［8］ 孫佩剛，趙 海，羅玎玎，等.一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路評估模型［J］.東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，28(9):1258－1261.

［9］ 任 城，楊星團(tuán)，張書練.寬頻帶空間光外差信號采集系統(tǒng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，53(1):106－110.

［10］郭小華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.