多參數無線傳感器網絡監測系統設計

丁　壘，朱欣華，周　同，孫偉容

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0　引言

無線傳感器網絡技術(wireless sensor network,WSN)起源于20世紀中后期美國的一個國防項目，后來英特爾公司的“智能塵?！表椖坷_了民用研究的大幕。無線傳感網絡由數據獲取網絡、數據發送網絡和控制管理中心三部分組成[1-3]。其主要組成部分是集成有傳感器、處理單元和通信模塊的節點。各節點通過通信協議自組織成一個分布式網絡，將采集到的數據分析、優化處理后，經無線電波傳輸給信息處理中心。節點是無線傳感網的基礎，無線傳感網對目標對象的操作基本靠節點實現。節點主要包括終端節點、路由節點、協調器節點[4]。

無線通信技術是無線傳感網的核心，在WSN的發展歷程中，先后出現過藍牙、IEEE802.11家族、IrDA、GPRS、ZigBee等無線通信技術[5]。與其他通信標準相比，ZigBee優勢突出。其復雜度低、可靠性高、功耗低、時延短，非常適合用作多參數無線數據采集系統中的無線通信標準。

針對傳統物理布線式傳感器存在的數據采集監測系統布線繁瑣、功耗大、結構單一、動態性能差等特點，本文設計了一種基于ZigBee的無線傳感器數據采集監測系統。該系統包含一個數據基站和多個多參數終端采集節點。該系統利用ZigBee技術實現各節點間及節點與數據基站間的自組網，完成節點的多種數據采集，并將采集的數據通過ZigBee無線通信技術傳輸到數據基站，擺脫了在一些監測現場因采用物理布線方式帶來的束縛，給用戶帶來方便。

1　系統硬件設計

本文設計的多參數無線傳感器監測系統的結構如圖1所示。圖1中的終端節點負責采集監控現場的數據(根據系統應用情況，這樣的終端節點可以有多個)，再通過ZigBee網絡將終端節點采集的數據發送給協調器節點，最后協調器通過串口和上位機構成數據基站，完成對數據的分析處理。

圖1　系統結構圖Fig.1　Structure of the system

考慮到一些監測系統中的監測節點常常需要對多個參數(例如溫度、濕度或振動信號等)進行監測，因此在設計圖1中的終端節點時，應使節點具有多參數(多通道)數據采集的能力。節點主控芯片CC2530通過擴展AD7656實現6通道并行A/D轉換，轉換分辨率為16位[6]。使用主控芯片的串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)接口，可以實現對采用SPI接口的數字化(智能化)傳感器輸出信號的采集。

CC2530是一款完全兼容8051內核，支持ZigBee協議棧的射頻芯片[5]，具有優良的無線射頻(radio frequency,RF)收發器性能，功率高達4.5 dBm，具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力，外圍電路較簡單。CC2530芯片一共有40個引腳，主要包括電源、地引腳、I/O端口、復位引腳、天線引腳、晶振引腳。硬件設計時，首先要使CC2530能夠正常工作(供電、復位、產生時鐘信號等)，同時通過相應的I/O端口實現與數字傳感器和AD7656的連接。終端節點結構如圖2所示。

圖2　終端節點結構圖Fig.2　Structure of the terminal node

SPI一般以主從方式工作。這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，一般需要4根線，分別為串行數據輸入(serial data in,SDI)、串行數據輸出(serial data out,SDO)、時鐘(serial clock,SCK)和從設備使能信號(chip select,CS)。

本文以終端節點擴展ADXL345三軸MEMS加速度計為例，設計節點的數字信號采集接口。ADXL345與CC2530采用4線連接方式，如圖3所示。

圖3　ADXL345連接示意圖Fig.3　Connections of ADXL345

ADXL345首先由其內部的前端感應器件感測三個軸向的加速度值，然后由感應電信號器件將加速度值轉換為可識別的模擬信號。ADXL345內部集成的A/D轉換器可以將此模擬信號數字化，向數據緩存區(first input first output,FIFO)[7-8]輸出16位的二進制補碼。通過訪問寄存器，可讀取ADXL345的數據。訪問寄存器時，先要發送1字節讀寫地址信息；最高位為操作方式，0代表寫入，1代表讀出；第六位是讀寫類型，0代表單值讀寫，1代表多值讀寫；D0～D5為寄存器地址，寫入需要配置寄存器的地址[8]。通過配置寄存器，可以設置采用頻率、測量范圍、閾值、高低有效位等。

端節點擴展了一片6通道并行16位逐次逼近型A/D轉換器——AD7656。AD7656有64個引腳，同時具有高速并行和串行輸出方式,通過DB0～DB15引腳并行輸出各通道16位A/D轉換結果，或者通過DOUTA、DOUTB、DOUTC串行輸出各通道A/D轉換結果[6]。由于CC2530的I/O引腳數量有限，本系統不采用并行輸出方式，在配置時選擇從DOUTA引腳串行輸出A/D轉換結果。AD7656與CC2530相關I/O引腳的連接及AD7656主要控制引腳的連接方式如圖4所示。

圖4　AD7656連接圖Fig.4　Connections of AD7656

通過AD7656的DB14引腳啟用內部基準電壓源(2.5 V)。當SER引腳為1時，選擇串行輸出，使用SEL_A(DB0)選擇DOUTA(DB8)作單線串行輸出，DB6作為串行時鐘SCLK輸入引腳。RANGE引腳為1，使得模擬輸入范圍為±2倍的參考電壓值(即±5 V)。

2　系統軟件設計

2.1　終端節點軟件設計

本文采用IAR Embedded Workbench，對CC2530進行軟件開發；利用TI公司的SmartRF仿真器，連接計算機和節點以進行程序下載；通過Z-Stack協議棧，建立相應的應用程序。

Z-Stack協議棧是ZigBee協議的具體實現形式[9]，是協議和用戶之間的一個接口，可通俗地理解為用代碼實現的函數庫，以便開發人員調用。

在ZigBee協議棧中，OSAL操作系統負責調度各個任務的運行，如果有事件發生，則會調用相應事件處理函數(tasksCnt、tasksEvent、tasksArr)來處理。系統節點的軟件開發程序流程如5所示。

圖5　系統節點程序流程圖Fig.5　Flowchart of system node program

圖1中，協調器節點、路由節點、終端節點在開發時的區別只是調用的事件處理函數不同，其開發的終端節點對數字信號和模擬信號的采集都是通過事件處理函數來實現的。函數的調用過程如下：main()→osal_init_system()→osalInitTasks()→SampleApp_Init()

本系統中網絡由協調器節點建立。各終端節點加入網絡，將采集到的數字信號和(或)模擬信號發送給協調器節點。協調器節點將接收的數據通過串口上傳到上位機，由上位機對數據進行分析處理。

2.2　上位機軟件設計

本文設計的無線數據基站(圖1中的協調器及上位機)將無線接收的傳感器數據通過串口傳送給上位機。上位機通過LabVIEW完成軟件開發，使其能對數據進行處理分析、顯示和儲存，實時監測各終端節點采集的傳感器參數。上位機監測軟件采用模塊化開發，軟件需要實現的功能有：串口參數設置、設備控制、數據圖形顯示、數據記錄等。程序框圖中使用層疊式順序結構，每個模塊單獨設計為一層，可以保證程序按照順序進行。上位機功能框圖如圖6所示。

圖6　上位機功能框圖Fig.6　Functional block diagram of host computer

3　系統測試

3.1　網絡性能測試

網絡性能測試主要測試系統組網功能以及驗證三種節點功能。網絡結構測試圖如圖7所示。

圖7　網絡結構測試圖Fig.7　Network structure test

放置終端節點距離路由器節點15 m，路由器節點距離協調器節點15 m；協調器通過USB數據線與上位機連接，終端節點和協調器節點通電，兩者距離30 m。協調器組建網絡后，終端節點上電申請加入網絡，上位機無法顯示終端節點的數據。然后，將路由器節點通電，路由器節點和終端節點均入網成功，上位機接收到終端節點的發送數據。最后，將終端節點斷電，路由器節點入網成功，但上位機無法接收到數據。由此驗證路由器節點起到中繼作用，可以擴大無線數據基站的數據接收范圍。

3.2　模擬信號測試

終端節點通過AD7656采集2.5 V的基準電壓并將其轉換為數字信號，然后通過ZigBee無線網絡將采集信號發送給協調器。協調器再通過串口轉USB接口，將數字信號傳輸給上位機。通過上位機軟件顯示的數據曲線及保存的文件內容，驗證無線數據基站傳輸數據的功能。通過對AD7656采集到的數據進行噪聲功率譜分析，可得噪聲均方根為(3E-4)V，進而計算出AD7656的有效分辨率為14.8位。

3.3　數字信號測試

終端節點數字信號接口部分的測試通過終端節點讀取ADXL345加速度計的輸出信號，同時依靠上位機軟件進行數據的顯示、分析。將ADXL345水平放置，沿x軸輕輕晃動，端節點采集的數據以數據包的形式周期性地發送給協調器節點。協調器節點收到數據后，通過串口/USB接口將數據發給上位機；上位機顯示采集數據并解算出各軸的加速度值。試驗結果表明，x軸的加速度值為1 g左右，其余兩軸接近0。該結果與ADXL345的實際加速度一致。

4　結束語

本文設計了一種基于ZigBee的多參數無線傳感器網絡監測系統平臺。該平臺采用無線的數據傳輸方式，擺脫了傳統物理布線的束縛。無線傳感器網絡技術很好地替代了傳統物理布線式傳感器采集系統。系統中的各個終端節點可以通過SPI接口實現對數字信號傳感器輸出數據的采集，并能實現6通道16位分辨率的模擬信號的采集，滿足了大部分應用情況下的數據采集需要。本文給出了硬件和軟件實現方法，并通過試驗驗證了系統的信號采集和無線通信能力。

參考文獻:

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