基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器實驗平臺設(shè)計

摘要：通過分析傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的技術(shù)構(gòu)成，以及其相關(guān)的實驗?zāi)Ｊ酱嬖诘囊苿有圆蛔愕娜毕?，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，對傳統(tǒng)傳感器實驗平臺進行改進設(shè)計和實現(xiàn)，可同時滿足傳統(tǒng)傳感器實驗和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗教學(xué)的需要。相關(guān)教學(xué)實踐表明，該改造成果使學(xué)生更好地加強了對傳感器與檢測系統(tǒng)的整體概念的理解和相關(guān)技能的訓(xùn)練。
關(guān)鍵詞：傳感器；實驗平臺；ZigBee；改進

0 引言
    傳感器種類繁多，且不同類型傳感器的工作原理、測量目標和測量環(huán)境差異很大，并且相應(yīng)的檢測系統(tǒng)構(gòu)成也不盡相同，往往在傳感器實驗室中要準備多套實驗裝置。在傳統(tǒng)的學(xué)校傳感器教學(xué)環(huán)境中，裝置復(fù)雜性比工程應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備要簡單許多，且實驗僅能在固定工位進行，無法進行遠距離測量或移動性強的實驗，使得開展的實驗中驗證性實驗占多數(shù)。除此之外，更存在傳統(tǒng)傳感器實驗室開展的實驗中，學(xué)生的工程應(yīng)用能力難以得到有效培養(yǎng)的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器領(lǐng)域與信息技術(shù)深度結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)物，其具有移動性強、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，時延短的特點，并且其應(yīng)用目標本就是針對傳感器領(lǐng)域的，將它應(yīng)用于傳感器實驗平臺的改進設(shè)計中是順理成章的，從而彌補傳統(tǒng)傳感器實驗室的移動性不強的不足。

1 傳感器實驗平臺的設(shè)計思路
    在確保不降低傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的實驗方便性和效果的前提下，發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，增加實驗的移動性，使其適應(yīng)可變環(huán)境的實驗開展，從而改善學(xué)生的工程應(yīng)用體驗，并提高實驗室使用和管理的便利性。
1．1 傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的基本結(jié)構(gòu)和特點
    傳統(tǒng)傳感器實驗平臺通常由一套多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機界面顯示軟件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，各種類型傳感器的輸出的電信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口將其輸入到上位機顯示或處理。學(xué)生在做實驗時，可根據(jù)需要調(diào)用不同的界面程序，顯示或處理不同類型的傳感器檢測數(shù)據(jù)，或者直接用萬用表或示波器觀察傳感器輸出的電信號即可。其基本構(gòu)成特點是系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)層次清楚，但整套設(shè)備圍繞實驗工位布置，約束了實驗空間僅局限于實驗臺附近，一些遠距離測量和移動性要求高的測量場合難以得到滿足。

1．2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺
    采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺，各種類型的傳感器仍通過原有方式接入采集儀，各工位的采集儀作為ZigBee終端節(jié)點，而配置一臺電腦作為協(xié)調(diào)器，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示，圖中只示意出一個工位的終端)，并可通過該協(xié)調(diào)器接入局域網(wǎng)，這樣所有實驗工位的顯示和處理終端則可在該局域網(wǎng)內(nèi)訪問所有的采集儀終端。

    工作時實驗室各工位的采集儀均可選擇電池或墻上電源供電，且各終端和協(xié)調(diào)器都通過USB射頻模塊進行ZigBee角色的配置。需要說明的是，之所以不將每個傳感器作為終端節(jié)點是因為這樣做需要為每個節(jié)點都配置A／D轉(zhuǎn)換模塊，不利于利用原有設(shè)備，且增加成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。在不需進行無線聯(lián)網(wǎng)時，仍可直接將采集儀通過USB接口接入各工位PC機，然后按傳統(tǒng)的實驗平臺架構(gòu)進行實驗。
    可以看出，這一實驗平臺在不需要改動原有設(shè)備的前提下，只要增加兩個射頻模塊(其中協(xié)調(diào)器端可在市場直接采購ZigBee USB Dongle模塊)就可以實現(xiàn)無線化擴展，其升級成本低。它兼顧了傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，更重要的是因為其移動性強的特點，如果采集儀采用電池供電，其實驗空間甚至可擴展到野外，這與國外學(xué)校教學(xué)中流行的探究性實驗的開展模式相符，這也是本文改進設(shè)計的目標所在。

2 實驗平臺的設(shè)計
2．1 采集儀的設(shè)計與工作過程
    由之前的分析可知，改造的關(guān)鍵之處在于采集儀的設(shè)計，采集儀通過ZigBee射頻模塊①以終端節(jié)點的形式加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。它采用ST公司基于Cortex-M3核的STM32F103R6T6處理器，可選擇電池或墻上電源供電，可方便地進行移動式測量，如圖3所示。該處理器本身具有：1個USB接口，2個12位的ADC，20 KBSRAM，128KB FLASH等，這已經(jīng)可以滿足本采集儀的所有技術(shù)需求。由于STM32F103R6T6內(nèi)部自帶多路A／D轉(zhuǎn)換器，所以電路得到了極大簡化。ZigBee RF無線芯片采用TI的CC2430，其內(nèi)部具有一個8051單片機專門用于ZigBee協(xié)議棧處理，工作在2．4GHz頻段，數(shù)據(jù)通信速率可達250Kh／s，可與STM32F103R6T6進行方便的接口配接，其電路如圖4所示。

2．2 采集儀的軟件設(shè)計
    采集儀的軟件設(shè)計中，無線部分采用TI公司免費提供的ZigBee協(xié)議棧。采集儀啟動后，首先檢測是否存在USB連接，如果存在則按USB通信鏈路進行工作；否則啟用并配置為ZigBee終端節(jié)點。然后嘗試發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)出建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接請求。
    連接建立后，將依據(jù)各工位顯示和處理終端的命令，識別接入的傳感器類型，再根據(jù)傳感器類型調(diào)用不同的數(shù)據(jù)處理子程序，如在光電開關(guān)傳感器的測量中只要取得開關(guān)量即可，而熱電偶溫度傳感器的測量則需要連續(xù)取得環(huán)境溫度。取得數(shù)據(jù)后，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)或USB鏈路發(fā)同對應(yīng)的工位數(shù)據(jù)處理終端。其流程如圖5所示。

2．3 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計
    協(xié)調(diào)器僅需要在市場直接采購ZigBee USBDongle模塊就可完成配置，其主要功能是管理整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當有節(jié)點加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時，更新相關(guān)的信息，并處理各種ZigBee功能，如創(chuàng)建或修改綁定表、為ZigBee節(jié)點分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。

3 結(jié)語
    本文以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為載體，提出了對傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的改進設(shè)計。完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺的設(shè)計與底層軟硬件的實現(xiàn)，其組網(wǎng)效果、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性達到了實驗室要求，最終使得傳感器實驗的開展具備移動性強的特點。