基于無線傳感器網絡的數據采集系統(tǒng)設計*

洪萬帆，蘇淑靖（中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

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基于無線傳感器網絡的數據采集系統(tǒng)設計*

洪萬帆，蘇淑靖*
（中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

摘要：針對惡劣環(huán)境下遠程未知監(jiān)測區(qū)域，進行現場數據采集比較困難和危險的問題，以無線傳感器網絡技術為基礎，設計了一種高精度數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的無線聲音傳感器網絡節(jié)點以FPGA為主控芯片，系統(tǒng)采用了模塊化設計的思想，包括含有實現節(jié)點與上位機通信功能的USB數據接口模塊、調理轉換聲音信號的采集調理模塊、無線通信的無線收發(fā)模塊、存儲數據的存儲模塊、負責節(jié)點供電的電源管理模塊。測試結果表明，系統(tǒng)最終可實現在24 kHz的采樣率下對監(jiān)測區(qū)域內頻率為1 kHz的不同聲音信號高精度采集。

關鍵詞：無線傳感網絡；數據采集；FPGA控制；數據存儲

項目來源：國家自然科學基金重點項目(51275491)

無線數據采集網絡是一門新興的綜合性科學技術，涉及到傳感器技術、MEMS（微機電系統(tǒng)）技術、數字電子技術、網絡和無線通信技術等，因其涉及知識高度集成、多學科高度交叉，是當前的熱點研究領域［1-2］。

無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Net?work）由分布在被測區(qū)域內的大量運動的或靜止的具有數據采集、無線通信和協(xié)同合作能力的微傳感器節(jié)點組成，每個微傳感器針對不同的被測物理量，以多跳和自組織的方式構成覆蓋整個被測區(qū)域的網絡［3］。各網絡節(jié)點協(xié)作地感知和采集信息，并進行處理，以獲得更為詳盡而準確的信息，即而達到在室內可以感知外界世界的目的，真正做到現實、人類社會與計算機世界的交互［4-6］。因其體積小且集成度高，成本低，節(jié)點數量大，明顯降低布線成本，能應用于工農業(yè)控制、災害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、生物醫(yī)療、空間海洋探索、城市管理等許多領域［7］。

1　系統(tǒng)總體方案

本文設計的無線傳感器網絡節(jié)點平臺主要由控制管理部分、數據采集調理部分、USB接口部分、9xtend無線通信部分、RS232接口部分、存儲部分、電源管理部分組成。

系統(tǒng)采用了模塊化設計的思想，系統(tǒng)總體方案結構框圖如圖1所示。數據采集調理模塊主要是通過聲傳感器對模擬聲音信號進行采集，并將采集到的模擬量轉換為數字量，然后將數字信息傳遞到控制管理模塊；控制管理模塊主要是對接收到的數字信息進行分析和處理，從而實施相應的操作；USB接口模塊與RS232接口模塊主要實現的是傳感器網絡節(jié)點與上位機之間的通信；存儲模塊的主要功能是對數字信息進行存儲，在試驗后可通過對比來提高產品研發(fā)的效率；9xtend無線通信模塊實現的是節(jié)點與節(jié)點之間數據傳遞和命令收發(fā)；電源管理模塊則是為無線傳感器網絡節(jié)點平臺的各個功能模塊供電，從而起到節(jié)能的目的，實現節(jié)點高效平穩(wěn)的工作。

圖1　系統(tǒng)總體方案結構框圖

2　采集系統(tǒng)設計

2.1主控芯片模塊設計

本節(jié)點采用的FPGA芯片是Spartan-3AN系列的XC3S1400AN芯片，該系列芯片主要有兩個優(yōu)點：一是優(yōu)越的SRAM模式，保證FPGA的高性能，其非易失性可有力的保證FPGA穩(wěn)定工作；二是其接口較多且封裝小，能夠減小硬件設計時電路板尺寸，以便于產品向微型化和高集成度方向發(fā)展。XC3S1400AN芯片有1 400個系統(tǒng)門，8個DCM，最大可用I/O口502個，最大差分I/O口227個，其中引出了40個擴展接口，這樣可以更方便的與其他硬件電路實現連接，從而提高節(jié)點的通用性。

2.2通信模塊設計

通信模塊分為9XTend無線收發(fā)模塊和USB數據接口模塊。無線收發(fā)模塊主要實現無線網絡傳感器節(jié)點與節(jié)點之間的異步串行數據傳遞和命令收發(fā)，9XTend內核設備為射頻模塊XT09-SI型號產品，是Digi公司出品的一款ISM 900 MHz頻段產品。USB數據接口模塊使用由FTDI公司開發(fā)生產設計的FT245BL芯片來實現節(jié)點向上位機傳送數據，FT245BL芯片內部制定了兩個數據緩沖區(qū)（FIFO），分別是128 byte的接收緩沖區(qū)（接收FIFO）和384 byte的發(fā)送緩沖區(qū)（發(fā)送FIFO）。這兩個FIFO是USB總線數據和并行數據格式的匹配緩沖區(qū)，在本節(jié)點中就是FT245BL與硬件主控制器FPGA的數據緩沖區(qū)。

2.3采集調理模塊設計

系統(tǒng)中的采集調理模塊包括聲傳感器、調理電路、A/D轉換芯片。節(jié)點選用的聲傳感器為北京聲望公司設計生產的產品，型號為MPA416，長度為61 mm，可響應的頻率范圍為20 Hz至20 kHz，輸出接口為SMB，需4 mA的恒流源供電，最大電壓24 V，動態(tài)范圍29 dB/A~127 dB/A，靈敏度（50±2）dBmV/Pa，本底噪聲為29 dB/A。

2.3.1調理電路設計

聲傳感器需4 mA的恒流源供電，所以設計恒流源電路中選用了LM134芯片；設計中需產生一個2.5 V基準電壓，故選用了半導體公司生產的芯片LM136。

圖2所示為采集通道信號調理電路，選用的是壓控電壓源二階高通濾波電路，圖中2.5 V基準電壓用于產生直流偏置的作用，模擬信號進入采樣調理電路后經過濾波、放大、偏置和跟隨后可以保持在0~5 V的范圍內輸出以滿足芯片ADS8365的采樣需求。

2.3.2采集電路設計

系統(tǒng)設計最重要的一點是要還原原來的模擬信號，這就需要采樣信號有足夠高的采樣頻率。根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，在進行A/D轉換過程時，采樣頻率至少要大于信號中最高頻率的2倍，而在一般的應用中要保證采樣頻率為信號最高頻率的5倍~10倍，才能較好的還原原來模擬信號的信息［8］。在時鐘的頻率設計上，本節(jié)點選用了18.432 0 MHz的外部晶振，在程序的編寫上，首先進行2倍頻，然后再進行32分頻，從而能將1.152 MHz的時鐘輸入到ADS8365的時鐘端。在設計時，將采樣率定為單通道24 kHz，這需要對倍頻后得到的36.864 MHz時鐘4分頻，這樣可以得到9.216 MHz。之后用9.216 MHz作為FPGA內部采集模塊的時鐘，在這個模塊內對時鐘計數，每一個循環(huán)周期是384個計數值，計算出f=9.216 MHz/384=24 kHz，這就是單通道的采樣率。本節(jié)點設計的采集模擬量信號最高頻率為1 kHz，因此將各通道采樣率設置為24 kHz可滿足設計要求。

模數轉換（A/D）芯片是采集部分的重要組成，本節(jié)點選用的模數轉換芯片是TI公司設計生產的ADS8365。它的特點是速度快、功耗低、6個通道同步采樣、16位并行接口、+5 V供電。ADS8365的時鐘頻率范圍為0.05 MHz到5 MHz，由芯片資料可知，當輸入時鐘為3 MHz時，單路通道數據傳輸率可以達到100 ksample/s，轉換時間為5.5 μs；在時鐘輸入為5 MHz時，其有16.5個時鐘的轉化時間和3.5個時鐘的獲得時間（ADS8365轉換時序圖如圖3所示）。其電路設計原理圖如圖4所示，通過FPGA來控制模數轉換芯片采集模擬量和轉換成數字量，并將轉換的數字量交由FPGA處理。

圖2　調理電路原理圖

圖3　ADS8365轉換時序圖

圖4　采集電路原理圖

2.4存儲模塊設計

在室外實際應用中，需要節(jié)點對采樣的數據進行保存以便于后期數據的分析和研究，所以電路中設計了FLASH存儲模塊。在硬件電路設計中選用FLASH芯片的型號為K9WBG08U1M，大小為4 Gbyte，該芯片內部有兩個Device，1個Device有4個Plane，1個Plane中有2 048塊，1塊有64頁，1頁有4K字節(jié)，如圖5所示為FLASH硬件設計原理圖。

圖5　FLASH原理圖

3　實驗結果

通過聲音校準儀發(fā)出聲音信號源，聲信號源的參數為1 kHz、114 dB，傳感器節(jié)點中的聲傳感器接收到聲信號后轉換成模擬電信號進入采集調理電路，然后由FPGA控制轉換為數字信號。根據芯片手冊提供的聲壓級計算公式：SPL(dB)=20，傳感器的靈敏度為50 mV/Pa。可以得出傳感器在接收114 dB的聲音信號時輸出的電壓為0.501 2 V，進入調理電路后輸出的電壓為920 mV~4.04 V，然后進入芯片ADS8365。

利用24 kHz的采樣率對聲音校準儀發(fā)出的不同聲音信號進行采集，將采集到的數據通過USB接口回傳至上位機，最后通過上位機軟件對數據包進行還原。1列~12列為通道采集的數據，采樣率為24 kHz，采集的聲音信號頻率為1 kHz，12個點為一個周期，13列、14列為幀計數，15列、16列為幀尾。如圖5~ 圖7所示為上位機還原出來的波形，可以看出，在24 kHz的采樣率下，還原出來的信號光滑無毛刺。

圖6　通過上位機軟件還原出的采樣正弦波形

圖7　通過上位機軟件還原出的采樣方波波形

圖8　通過上位機軟件還原出的采樣三角波形

4　結束語

通過將大量聲音傳感器空投到未知監(jiān)測區(qū)域的方式，建立無線傳感器網絡節(jié)點平臺，在此基礎上設計了一種數據采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上位機軟件還原采集到的波形，由波形數據可以看出，系統(tǒng)可實現對監(jiān)測區(qū)域內聲音信號的高精度采集。本文設計的數據采集系統(tǒng)只選擇了采集聲音信號的聲音傳感器，如果將聲音傳感器換成其他類型的傳感器，如溫度、壓力等傳感器，即可采集未知區(qū)域內的這些參數。

參考文獻：

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［3］王福豹，史龍，任豐原，等.無線傳感器網絡中的自身定位系統(tǒng)和算法［J］.軟件學報，2005，16(5)：857-868.

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［8］林霖，楊豐，張志德.基于Matlab的“信號與系統(tǒng)”課程演示軟件的應用［J］.電氣電子教學學報，2009，31(5)：98-100.

洪萬帆（1989-），男，漢族，湖北黃梅人，中北大學儀器與電子學院，碩士，主要研究方向電路與系統(tǒng)、信號處理，372401321@qq.com；

蘇淑靖（1971-），女，漢族，山西呂梁人，中北大學副教授，博士，主要研究方向為測試技術、電路系統(tǒng)。

The Neural Network in the Application in the Design
of Solar Radiation Sensor*

WEI Zhongshan1*，WANG Lihu2，MING Xin1

（1.Department of Computer and Electronic Information Engineering，Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226，China；2.College of Physical Science and Technology，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：In order to measure the solar irradiance achieve the purpose of maximizing the efficiency of photovoltaic power station，a solar irradiance measurement method is present based on neural network. The method can be used to directly maximize the efficiency of photovoltaic power station. The proposed sensor composed of a micro controller for a photovoltaic cell，a temperature sensor and the micro-controller is a low cost. Preliminary estimates indicate that the proposed sensor is of low cost，so the device is a good substitute for large-scale deployment of photovoltaic power station. And the proposed method is validated by the experimental prototype，the results show compared with commercial devices，sensor designed in this paper can more accurately track the solar irradiance in the photovoltaic power station.

Key words：Neural network；photovoltaic cells；temperature sensor；solar irradiance

doi：EEACC：129510.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.039

收稿日期：2015-06-09修改日期：2015-08-14

中圖分類號：TN98

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0180-06