無線通信技術在遠程測量系統(tǒng)中的應用研究

盧鴻濱

（南京普弗電子科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

傳統(tǒng)基于有線網絡的測量系統(tǒng)憑借其優(yōu)良性能，在實際應用中獲得了巨大的成功，并且得到了快速的發(fā)展。但由于工業(yè)的發(fā)展，測量系統(tǒng)的運行環(huán)境變得極度惡劣，使得現(xiàn)場施工或操作的難度不斷增加，有線測量系統(tǒng)也難以發(fā)揮其優(yōu)勢，甚至無法進行實際應用。近幾年，隨著無線網絡技術的發(fā)展，越來越多的無線網絡技術被相關領域的研究人員所開發(fā)，如適用于短距離內進行無線傳輸?shù)臒o線寬帶、紫蜂協(xié)議以及超寬帶等無線網絡技術；適用于長距離內進行無線傳輸?shù)娜蛞苿油ㄐ畔到y(tǒng)和通用無線分組等無線網絡技術。與有線網絡相比，無線測量系統(tǒng)具有靈活性強、網絡擴展性能良好以及易于維護等優(yōu)勢。

隨著無線網絡技術的應用不斷成熟，它在測量系統(tǒng)中逐漸替代了傳統(tǒng)的有線網絡，并成為測量系統(tǒng)數(shù)據傳輸中不可替代的載體。通信技術是測量系統(tǒng)中十分重要的核心技術，對測量系統(tǒng)的數(shù)據傳輸質量和數(shù)據傳輸時效性等具有一定影響。當前應用廣泛的無線通信技術主要包括通用分組無線業(yè)務技術、藍牙技術以及無線寬帶技術等。隨著該領域研究人員不斷深入的研究，無線通信技術正逐漸向著小型化、智能化以及信息化的方向發(fā)展。

目前，無線通信技術憑借其強大優(yōu)勢主要應用于檢測系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)以及設備系統(tǒng)等領域。很多學者都注意到了無線通信技術的優(yōu)越性，并紛紛對其進行了研究分析。例如，高斌等人將無線通信技術應用于農藥流量監(jiān)控過程，以改善噴藥機人工操作農藥流量控制精度低的問題[1]；林祁以信號系統(tǒng)車地無線通信方式，采用LTE技術為研究基礎，研究了試車線與正線共用核心網設備的可行性[2]；宋新明等人為了分析高壓交流電場對WiFi無線通信的影響，進行了實驗研究，為輸電線路在線監(jiān)測裝置的無線通信技術提供了新的研究思路[3]。雖然目前已經有以上學者對其進行了相關研究，但隨著無線通信技術的進步，越來越多的領域開始逐漸將傳統(tǒng)的有線測量系統(tǒng)替換為遠程無線測量系統(tǒng)，并將其作為數(shù)據傳輸?shù)闹饕d體。因此，本文開展對無線通信技術在遠程測量系統(tǒng)中的應用研究。

1 基于無線通信技術的遠程測量系統(tǒng)硬件設計

1.1 ZigBee無線芯片及附屬電路設計

為滿足遠程測量需要，本文結合無線通信技術，選用型號為DD9600的ZigBee無線芯片作為系統(tǒng)的主要硬件結構。DD9600型號ZigBee無線芯片具有強大的內核，可實現(xiàn)系統(tǒng)內部芯片與傳感器裝置之間的通信，其實物圖及附屬電路如圖1所示。

圖1 DD9600型號ZigBee無線芯片實物圖及附屬電路

圖1中編號①～⑦分別表示為ZigBee無線芯片的傳感器接口、擴展AD、RESET系統(tǒng)按鈕、開關、程序下載接口、LED指示燈以及可調電阻。該無線芯片的核心部分為ZigBee無線模塊，結合無線通信技術的ZigBee無線網絡，可傳輸各類信息。同時，該無線芯片采用高性能的工業(yè)級ZigBee方案實現(xiàn)數(shù)據透明傳輸。電源輸入量為DC 2.0～3.6 V，提供UART串口，提供5路計算機輸入和輸出接口，可實現(xiàn)數(shù)字量的輸入輸出與脈沖輸出，也可通過芯片遠程輸出測量到的數(shù)據信息。

1.2 傳感器選用

提出的遠程測量系統(tǒng)主要用于檢測噪聲、磁場、溫度以及濕度等物理量。對于不同類型物理量，選用的傳感器型號應當符合被測對象的實際特征。因此，傳感器選用包含振動、紅外、溫度以及濕度等測量參數(shù)的傳感器設備[4]。在實際測量過程中，系統(tǒng)會由于內部旋轉件的不平衡和支撐松動等因素，造成被測量對象產生振動，從而影響測量結果的準確性。因此，在對眾多物理量進行測量前，都需要檢測其振動量。

在選擇傳感器時需要綜合考慮其靈敏度、響應特性、線性范圍以及精確度等指標。通常情況下，傳感器的靈敏度數(shù)值越高表示其性能越好，但當靈敏度超過一定范圍時，會造成系統(tǒng)內的測量信號受到外界無關變量的干擾。此時應當要求傳感器的信噪比更大，保證在檢測微小物理量的同時降低外界因素的影響[5]。根據上述要求，傳感器選用內部含有DC5240芯片集成支持18位精度的A/D轉換器。該傳感器中共有16路輸入通道，且相互之間獨立存在，可選擇批量轉換速率，是開發(fā)成本低且功耗低的遠程測量系統(tǒng)的理想傳感器。

2 基于無線通信技術的遠程測量系統(tǒng)軟件設計

2.1 無線測量節(jié)點組網設計

ZigBee內置基于無線通信技術的協(xié)議棧，使用協(xié)議棧能夠解決ZigBee在數(shù)據測量過程中的組網問題。系統(tǒng)中傳感器與ZigBee是相互連接的，因此為完成無線測量節(jié)點的組網，需要在系統(tǒng)內部運行環(huán)境中安裝微控制核心程序，利用程序中的相應運算和處理，完成節(jié)點組網的搭建[6]。遠程測量系統(tǒng)中，如果不在內部鑲嵌測量任務，那么會由于系統(tǒng)中配有協(xié)議棧而在ZigBee模塊中自動根據系統(tǒng)運行要求創(chuàng)新全新的ZigBee無線網絡結構。

在測量各類傳感器的各類物理量時，需要在ZigBee協(xié)議棧中添加相應的測量命令。在啟動測量系統(tǒng)后，首先將需要測量的測量任務加載到系統(tǒng)內部，根據設定確定任務的優(yōu)先順序，并為測量任務匹配對應的ID。其次在開始測量的過程中，應在應用層將測量任務進行初始化處理，保證測量完成后得到的是對應任務的ID，否則無法進入下一步。最后在應用層初始化處理完畢后解析測量任務，得到相應操作動作并開始執(zhí)行，讀取對應傳感器中的數(shù)據。

2.2 基于無線通信技術的數(shù)據遠程傳輸方式

系統(tǒng)中ZigBee無線芯片與傳感器的正確連接以及數(shù)據遠程傳輸是系統(tǒng)獲取數(shù)據的關鍵?；跓o線通信技術，通過芯片中內置的微控制單元、模擬信號/數(shù)字信號轉換單元以及傳感器設備進行數(shù)據通信[7]。按照測量不同物理量的傳感器信號進行分類，設計3種遠程傳輸方式如圖2所示。

圖2 基于無線通信技術的數(shù)據遠程傳輸方式示意圖

由圖2可知，當傳感器傳輸?shù)男盘枮閿?shù)字信號時，將傳感器與ZigBee通過相應引腳直接連接，利用串口讀取傳感器數(shù)據；當傳感器傳輸?shù)男盘枮槟M信號時，先要通過AD轉換將模擬信號轉換為數(shù)字信號后再與ZigBee進行連接，然后按第①種方式完成連接；當傳感器傳輸?shù)男盘枮槟M信號時，需根據ZigBee與傳感器模擬信號的協(xié)議完成數(shù)據操作。

基于以上過程完成了基于無線通信技術遠程測量系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，主要包括設計ZigBee無線芯片與附屬電路、選用傳感器、設計無線測量節(jié)點組網以及確定基于無線通信技術的數(shù)據遠程傳輸方式幾部分內容。利用以上步驟，可以實現(xiàn)無線通信技術在遠程測量系統(tǒng)中的成功運用，且為了證明本文系統(tǒng)的可行性，對其展開實驗分析。

3 實 驗

實現(xiàn)基于無線通信技術遠程測量系統(tǒng)的軟、硬件設計后，研究該系統(tǒng)的應用性能。為充分顯示本文系統(tǒng)的應用優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)進行對比實驗。選擇某產品生產企業(yè)中同一批生產的5個形狀不規(guī)則的零部件，分別利用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對這5個零部件進行測量。除了兩種測量方法不同外，在其他外界干擾因素均相同的情況下完成對比實驗。將兩組系統(tǒng)測量得到的數(shù)據進行記錄，測量結果對比如表1所示。

根據表1中的測量結果對比可以看出，通過測量5個不規(guī)則零部件的參數(shù)，本文系統(tǒng)的平均誤差為0.001 88 mm，而傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均誤差為0.013 62 mm，兩個系統(tǒng)之間的平均誤差相差7倍以上。因此，通過仿真實驗進一步驗證了提出的基于無線通信技術的遠程測量系統(tǒng)的測量精準度更高，更適用于各個領域測量不同的物理量。同時，基于無線通信技術能夠保證通過傳感器測量到的數(shù)據更快地傳輸?shù)竭h端控制中心，實現(xiàn)數(shù)據傳輸?shù)臅r效性。

4 結 論

如今，無線通信技術得到了廣泛運用，隨著無線通信技術的持續(xù)發(fā)展，必將在更多領域發(fā)揮作用。為此，以無線通信技術為基礎，開展對遠程測量系統(tǒng)的設計研究。可見，增加無線通信技術的遠程測量系統(tǒng)能夠測量各個領域中的不同物理量，并適用于測量條件相對惡劣的環(huán)境。采用本文系統(tǒng)的平均誤差為0.013 62 mm，測量結果精度得到了有效提高，實現(xiàn)了遠距離的數(shù)據傳輸，提高了數(shù)據測量結果的時效性，有助于實現(xiàn)企業(yè)的信息化發(fā)展。