一種小型化無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

蔡惠華 孟翔宇 孫德沖 吳永紅 葛 萌 戴宜霖

（北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

一種小型化無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

蔡惠華 孟翔宇 孫德沖 吳永紅 葛 萌 戴宜霖

（北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

采用zigbee技術(shù)實現(xiàn)基于mems傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點小型化設(shè)計，組成的小型化系統(tǒng)可用于航天器各倉段內(nèi)部溫度、濕度、壓力、加速度等狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。小型化無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用集中供電方式即可以減小節(jié)點體積，又便于后續(xù)電池更換。傳感器信號無線傳輸方式，可以大大減少航天器電線電纜的數(shù)量、減小布線帶來的困難及航天器總體質(zhì)量。

無線式傳感網(wǎng)絡(luò) 航天器狀態(tài)監(jiān)測 傳感器節(jié)點

AbstractA mini system of WSN base on the mems sensor was made by uses of zigbee technology.the temperature，humidity，pressure，acceleration of spacecraft ’s every cabin station can be test by this system.The mini WSN system’s power was supplied together by wire，this not only can reduce the volume of sensor notes，but also can convenient for the change of battery.sensor notes transmiss wirless can reduce the amount of wire cable，the wire cable layout problem and the quality of spacecraft.

Key wordsWSN Spacecraft station testSensor notes

1 引言

航天飛行器在飛行過程中，需要在線實時地獲取與飛行器結(jié)構(gòu)健康狀況有關(guān)的狀態(tài)信息，如溫度、壓力、噪聲、振動、沖擊等參數(shù)，這些傳感器種類繁多、而且大都采用線纜連接方式，傳統(tǒng)線纜連接方式，造成航天器質(zhì)量體積功耗增加，布局布線復雜，后期測試困難[1]。

目前基于zigbee方式的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展十分迅速，而且也大量應(yīng)用于民用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，而采用ZigBee技術(shù)組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自愈功能，通信可靠，并具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、覆蓋范圍廣等特點，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需分布式、自組織、規(guī)模大和動態(tài)性強等要求[2]。

國內(nèi)外針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究越來越多，也進行了相關(guān)的地面測試試驗驗證。在航空航天領(lǐng)域，國外的研究已經(jīng)成功實現(xiàn)搭載。第二炮兵工程大學對于VSHMS的研究，目前尚未進行機載或者彈上試驗，僅在地面進行相關(guān)試驗驗證[3]。國外很多機構(gòu)致力于無線傳感網(wǎng)絡(luò)在航天飛行器內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測的研究，Thomas Becker等人設(shè)計了用于飛機結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測自主式傳感器節(jié)點，對飛機的疲勞狀況、損傷狀況以及結(jié)構(gòu)壓力進行監(jiān)測[4]。M.Beekema等人提出了可應(yīng)用在在線飛行器內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，該系統(tǒng)模型中采用了新型的多網(wǎng)關(guān)設(shè)計[5]。新加坡南洋理工大學于2014年成功研制基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)星載，使衛(wèi)星的規(guī)模降低至少10%。

航天器產(chǎn)品一方面?zhèn)鞲衅鞫啵绻總€傳感器都配備獨立電池，更換不方便。另一方面，航天器內(nèi)設(shè)備多，空間狹小，需要傳感器節(jié)點體積盡量小。本文基于這種運用背景，提出采用電池集中供電方式的小型化傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測。傳感器節(jié)點尺寸目前主要受制于電池的尺寸，采用集中供電方式即可以減小節(jié)點體積，又便于后續(xù)電池更換。每種傳感器節(jié)點至少有2～4根信號傳輸線，采用無線傳輸方式，可以大大減少航天器電線電纜的數(shù)量、減小布線帶來的困難及航天器總體質(zhì)量。

2 系統(tǒng)組成及原理

本設(shè)計提出的用于飛行器內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測的小型化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)的，無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成，傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、計算機、電池。采用集中供電的方式，總體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點由控制及無線模塊、傳感器兩部分組成如圖2所示，其中無線通信及控制模塊采用TI公司CC2530模塊。CC2530內(nèi)含增強型8051和一個IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器。通信接口一般根據(jù)傳感器的特性有SPI、I2C、ADC等。控制模塊通過通信接口控制傳感器采集信號，并將信號接收后通過無線模塊發(fā)送出去。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點由控制及無線模塊、flash存儲、通信接口轉(zhuǎn)換三部分組成如圖3所示，控制及無線模塊一方面將傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送給flash存儲，通過通信接口轉(zhuǎn)換模塊傳送給上位機，另一方面接收上位機指令，無線發(fā)送給傳感器節(jié)點。其中控制及無線模塊與傳感器節(jié)點的硬件模塊一致。

2.3 計算機界面

該系統(tǒng)中，計算機屬于選用設(shè)備，計算機主要是實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整和設(shè)置，本設(shè)計有兩種應(yīng)用：

①不接入計算機及用戶界面時，傳感器采集到的信息，通過無線收發(fā)器發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的信息存儲在外置flash芯片里。

②接入用戶界面，一方面可以實時顯示各個節(jié)點的信息狀態(tài)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作狀態(tài)可隨時進行調(diào)整和設(shè)置；另一方面可以將存在flash芯片里的歷史數(shù)據(jù)提取出來并進行信息處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點

3.1.1 控制及無線模塊

ZigBee無線通訊模塊由TI的低功耗RF芯片CC2530、32MHz系統(tǒng)時鐘晶振、32.768KHz的監(jiān)控時鐘晶振及能使射頻性能最佳化的RF射頻前端匹配濾波電路、天線組成。天線主要有外接SMA天線和集成了sniffer天線。本文采用集成的siniffer天線，無線通訊模塊的電路原理圖如圖4所示。

3.1.2 傳感器

本文實現(xiàn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中測試的參數(shù)包括溫度，濕度、壓力、三向振動這四種參數(shù)。其中溫度：-40～+120℃，誤差：±3%；濕度：0～100%RH，誤差：±3%；

壓力：0～100kpa，誤差：±2%；

三向振動：±10g，2～200Hz，誤差：±10%；

三向振動：±20g，10～1600Hz，誤差：±10%。

為了實現(xiàn)小型化，選用的傳感器必須體積小，且具備SPI、I2C、ADC等常用接口。根據(jù)以上要求，選擇mems傳感器，mems傳感器集成度高，只需簡單的外圍電路就能正常工作。本文設(shè)計中的溫濕度傳感器采用sensirion公司的SHT15芯片，壓力傳感器選用美國精量電子生產(chǎn)的MS4525D0芯片，三向振動傳感器選用美國ADI公司的ADXL326 MEMS芯片和DXL375 MEMS芯片。

傳感器的外圍電路如圖5（a）～（d）所示，其中溫濕度傳感器、壓力傳感器通信接口均為I2C模式，三向振動傳感器ADXL375通信接口為SPI模式，ADXL326是模擬信號輸出，采用ADC模式。

溫濕度傳感器SHT15輸出為十六進制數(shù)，轉(zhuǎn)成十進制后，按公式（1）～（3）進行轉(zhuǎn)化。

式中：X——溫度輸出十進制數(shù)；T——實際溫度值，單位為℃；Y——濕度輸出的十進制數(shù)；RHlinear——修正的濕度值；RHtrue——實際的濕度值，單位為RH%。

壓力傳感器MS4525D0輸出為十六進制數(shù)，轉(zhuǎn)成十進制后，按公式（4）和公式（5）進行轉(zhuǎn)化。

式中：X——溫度輸出十進制數(shù)；T——實際溫度值，單位為℃；Y——壓力輸出的十進制數(shù)；P——實際壓力值，單位為kPa。

三向振動傳感器ADXL375輸出靈敏度典型值在49mg/LSB，1g重力加速度變化讀書對應(yīng)在20左右。本設(shè)計中，ADXL375采用SPI與無線通訊模塊進行通信，其SPI接口采用4線式，SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）、CS（從使能信號）、SCLK（串行移位時鐘）。采集結(jié)果轉(zhuǎn)換公式如式（6）所示。

式中：X——振動數(shù)值輸出十進制數(shù)，采集結(jié)果是最終的振動傳感器值，單位為g。

三向振動傳感器ADXL326輸出x，y，z三向模擬信號，無線通信模塊自帶AD轉(zhuǎn)換器，支持7bits到12bits的分辨率。傳感器輸出和供電電壓有關(guān)系。以本設(shè)計供電電壓3.3V為例，該傳感器靈敏度典型值約為62mV/g，1g重力加速度變化，輸出電壓對應(yīng)變化62mV，0g輸出在1.65V。需要注意的是，0g對應(yīng)1.65V只是理論值，實際還需要進行校準。采集結(jié)果轉(zhuǎn)換公式如式（7）所示：

式中：X——振動數(shù)值輸出十進制數(shù)，采集結(jié)果是最終的振動傳感器值，單位為g。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

3.2.1 flash存儲

SPI Flash具有數(shù)據(jù)可靠、引線少、接口簡單、使用方便的優(yōu)點。本設(shè)計中數(shù)據(jù)存儲Flash采用W25Q64BV芯片，該芯片具有64Mbit容量，4M的SPI傳輸速率。主處理器通過SPI協(xié)議控制數(shù)據(jù)的讀、寫、擦除等功能。SPI Flash的電路原理如圖6所示。

3.2.2 通信接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

CC2530模塊具有USART0和USART1兩個串行通信接口，它們可運行于異步UART模式或同步SPI模式，本設(shè)計采用的是異步UART通信，考慮到有些計算機不具有串口接口，另外設(shè)計了串口轉(zhuǎn)換設(shè)計，采用了接口轉(zhuǎn)換器 PL2303，實現(xiàn)了USB到串口的轉(zhuǎn)換，如圖7所示。

4 實物及系統(tǒng)測試界面

4.1 傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點實物圖

設(shè)計完成的實物非常小巧，并具有外接接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便安裝到各個待測試的部位。傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)的實物圖如圖8～圖9所示。實物尺寸見表1。

表1 傳感器實物尺寸

4.2 測試界面

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計算機界面用于實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整和設(shè)置，如圖10所示。

計算機接入該系統(tǒng)后，開啟系統(tǒng)所有工作，點擊“輸出結(jié)果”按鈕，會將所有的結(jié)果保存到一個execel表格文件里。輸出的結(jié)果包含信息標志，網(wǎng)絡(luò)地址，時間，功率、節(jié)點號，測試結(jié)果等基本信息，具體見表2。以表2中第2列為例，節(jié)點號“03”代表壓力傳感器，對應(yīng)測試結(jié)果中“100.35”代表輸出的壓力值100.35kPa，21.32代表輸出的溫度值21.32℃。

表2 輸出結(jié)果列表

5 結(jié)束語

本文主要針對航天器內(nèi)部的特殊應(yīng)用，介紹溫濕度、壓力、三向振動等各個無線傳感器節(jié)點及協(xié)調(diào)器的具體硬件電路設(shè)計，介紹 了系統(tǒng)的軟件功能，組成小型化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給出測試結(jié)果。本次測試是在常溫下地面室內(nèi)進行，測試結(jié)果準確可靠，但仍需進行下一步的校準等工作。

[1]陳丹，鄭增威，李際軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].計算機測量與控制，2008（08）.

[2]周莉，曹松等.航天器內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J]. 空間科學學報，2012，32（6）：846～854.

[3]姚鵬等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2013，36（11）.

[4]Thomas Becker，Martin Kluge，Josef Schalk，et al.Autonomous Sensor Nodes for Aircraft Structural Health Monitoring [J].IEEE SENSORS JOURNAL，2009，9（11）：1589～1595.

[5]M.Beekema.Fault-Tolerant Platform for Intra-Spacecraft Modular Wireless Sensor Network[D]，Nederland：Delft University of Technology，2011.

[6]李志新.基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].南京：南京大學碩士學位論文，2015.

[7]劉瑞超.無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2014.

Design of a Miniaturization Wireless Sensor Network

CAI Hui-hua MENG Xiang-yu SUN De-chong WU Yong-hong GE Meng DAI Yi-lin
（Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，beijing 100076，China）

TN98

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.13

2017-04-10，

2017-06-26

蔡惠華（1986.02-），女，工程師，碩士，主要研究方向：微波，電學、無線電計量測試技術(shù)及測試設(shè)備研發(fā)。

1000-7202（2017）03-0060-06