采用无线信号传输方式实现无线测径系统的应用方案

作者：李文涛;肖俊生;江杰;安世奇

统的深孔测径系统中的测量探头与显示、信号处理部分多采用有线连接方式。由于测量系统尤其是探头经常移动，使连接导线经常被损坏，且复杂安装和拆卸给测量带来诸多不便，也增加了测量成本。同时受到导线电阻和分布电容的影响，测量误差比较大。况且，单独一套系统只能同时实现对一点的测量，这在批量生产中严重影响生产效率。基于此，本文提出了一种基于无线传感器网络技术的深孔测径系统设计方案，该方案采用无线信号传输方式，可实现多点同时测量，测量结果由上位机统一监控管理。该系统不需任何固定网络的支持，具有安装使用方便、稳定可靠、可维护性好等特点。

1 无线传感器网络

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。它综合应用了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术。无线传感器网络节点具有数据采集和处理、无线通信、协同合作等功能，可以随机或者特定地布置在目标环境中，能够获取被监测区域中的信息并相互协同完成特定的任务。传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件几部分构成。

图1给出了一个典型的无线传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、汇聚节点（sink）、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到Sink。Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet或通信卫星相连（也可直接与监控主机相连），通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。

2 无线测径系统设计方案

整个系统由若干无线测径传感器节点、中继节点、无线接口模块和上位机组成，如图2所示。其中无线传感器节点按需要分布在各测最点，执行数据采集、预处理和传输等工作。中继节点负责将传感器节点所测得的数据转发到上位机的无线接口。上位机通过无线通信方式和各个节点进行通信，向节点发送控制命令和收集数据，并对采集到的每个节点的微位移数据进行智能分析、显示和打印。

2.1 节点硬件系统设计

无线传感器节点足组成网络的最基本单元，它负责响应上位机的命令、采集并发送数据。本设计采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2节点模块的设计思想，将节点分为传感器模块、处理器模块和无线通信模块。传感器模块负责数据采集、预处理，主要由以下部件组成：电感测量头（DGC-8ZP／B型轴向测头）、接口芯片NE5521、高精度16位A／D转换芯片CS5523；处理器模块负责信号的运算处埋，由高速低功耗8位微处理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041组成；无线通信模块负责数据的发送与接收，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000构成。其结构如图3所示。

2.1.1 传感器平台

本设计中传感器平台丰要实现对微位移的测量，其核心测量电路如图4所示。

微位移测量采用差动变压器LVDT（Linear VariableDifferential Transformer）与接口芯片NE5521实现。LVDT结构是由在圆柱形骨架上绕有螺旋形的原边和两个付边绕组所组成的线圈及一可动铁芯构成，它可将微小位移的变化转换成电信号的变化，具有分辨率高、灵敏度高、工作稳定等特点。NE5521是差动变压器信号转换专用芯片，内部集成了交流激励信号发生器、信号放大、信号解调电路和一个独立的运算放大器，它只需外接几个元件就可构成一个差动变压器变送器，且具有功耗低、体积小、使用方便等特点。适合本设计中无线传感器节点对器件在功耗和休积等方面的要求。

实现过程如下：电容C2_0、电阻R2_6和NE5521内部的振荡器组成正弦波发生单元，此单元所产生的正弦波经放大器放大整形后由NE5521的11、12引脚输出，为LVDT提供交流激励信号，正弦波频率 =（+5V～1.3V）／［+5V×（R2_6+1.5K）×C2_0］；LVDT的输出由L2_IN输入到同步解调器，取自12引脚的同步信号经相位调节电路（R2_7和C2_5组成）调节后送入同步解调器。经解调后的测量信号由引脚5送人带有调零的二阶有源滤波电路（由NE5521内部的运放、R2_1、R2_2、R2_3、R2_4、R2_5、C2_1、C2_2和可调电阻W2组成）进行滤波放大处理。最终，测量信号由引脚1输出到后续处理电路。

2.1.2 无线通信平台

无线通信平台主要实现传感器节点、中继节点、七位机之间的数据传输，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000实现。CC1000具有低电压（2.3～3.6V）低功耗、高灵敏度、接收信号强度指示（RSSI）、可编程输出功率（-20～10dBm）传输距离远等特点，其FSK数传速度可达72.8kbps，具有250Hz步长可编程频率能力。CC1000与ATMEGA128通信通过三线串行接口（PDATA、PCLK、PALE）进行。外围元器件的参数是在发射频率为915MHz的条件下选配的。电路如图5所示。

2.2 软件系统的实现

由于整个节点是基于嵌入式系统组建的，所以对软件设计也有很高的要求。因此，本设计采用专门针对无线传感器网络的操作系统TinyOS（crossbow公司提供），以及在此基础上开发的应用程序来实现整个系统的功能。TinyOS操作系统采用了轻量级线程技术、主动消息通信技术、事件驱动模式和组件化编程等思想，有效提高了节点CPU的效率、节约了系统功耗。TinyOS的元件库包含网络协议、分布式服务、传感器驱动以及数据采集等工具。这些工具可以原样使用，也可以经过修改供定制系统使用，为传感器网络的应用带来了便利。下面说明几个主要功能的实现过程。

2.2.1 微位移数据采集

本设计采用组件化编程思想，将数据采集部分作为TinyOS的一个组件并嵌入其中，采用支持组件化编程的nesC语言来实现其功能，包括A／D采样、数字滤波等。为了提高测量精度，本设计选择A／D转换芯片CS5523的转换范围为55mv档（在实际电路中经测试，当传感器的位移量变化400μm时，信号经处理后的变化量为45mV），信号输入方式为差动输入。在实际应用时，首先要进行零点和满度的标定，确保仪器工作在良好的线性范围内，从而提高测量精度。接着依次启动A／D的各个通道进行数据采集，并分别读入4组A／D转换结果，然后进行数字滤波处理，再将所得结果发送到上位机。

2.2.2 无线通信协议的实现

本设计中对协议栈采用分层实现，主要包括物理层、数据链路层和网络层。物理层协议向数据链路层提供硬件操作接口。发送时，实现信道编码算法，然后将编码后的完整数据帧通过RF硬件接口发送出去；接收时，将数据从RF硬件接口中正确地提取出来，然后组成数据帧，再进行信道解码，并将解码后的数据传给数据链路层协议处理。数据链路层为相邻的网络实体间建立、维持和释放数据链路连接，并传输数据链路服务数据单元。网络层负责路由的生成与选择，以及通过网络连接交换网络服务数据单元。具体实现结构图如图6所示。

3 上位机功能实现

上位机采用VB6.0编程，由RS-232串口通过无线接口模块实现与中继节点的串行通信。采用图形化人机界面和数据处理平台，可以实时显示、储存和分析测量数据，有效减少了以往测量过程中由人为因素带来的误差，提高了在数据分析、误差信息反馈等方面的能力，从而提高整个系统的测量精度和测量效率。

无线传感器网络为人们提供了一种全新的信息获取和信息处理途径。本文所设计的基于无线传感器网络技术的测量系统克服了传统测量系统存在的不足，该系统具有结构简单、工作稳定可靠、测量精度高、组网使用方便、抗干扰能力强，节点功能可扩展性强等优点。目前，该测径仪已在内蒙古某机械制造厂投入生产，取得了良好的应用效果。

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