一種基于Zigbee的無線應變傳感節(jié)點設計

郭二輝

摘要：本文設計了一種無線應變傳感節(jié)點，采用康銅材料、3500、10mm應變片接入直流電橋結構，利用兩級運算放大器進行應變信號檢測，其后采用STM32F103低功耗MCU進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過Zigbee節(jié)點發(fā)往監(jiān)控主機，在監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)分析。最后搭建了一個實驗系統(tǒng)，通過實測分析驗證了設計的可行性。

[關鍵詞]電阻應變片無線傳輸紫蜂協(xié)議

1引言

無線物聯(lián)網(wǎng)在運輸物流、智慧工廠、智慧農業(yè)、智能家居、智能交通等眾多場景下都可以得到廣泛應用。如文獻[1]利用Zigbee結合4G網(wǎng)絡構建了公共停車位管理系統(tǒng);文獻[2]利用IEEE802.15.4的物理層和MAC層標準，并結合2G/3G通信網(wǎng)絡，構建了一種電力系統(tǒng)的用電信息采集系統(tǒng);文獻[3]利用傾角計作為傳感前端、以線纜連接多個傾角計到GPRS收發(fā)單元、并以太陽能供電，構建了一套房屋質量健康監(jiān)測系統(tǒng);文獻[4]利用無線自組網(wǎng)結合GPRS網(wǎng)絡構建了一種農作物病蟲害智能監(jiān)控系統(tǒng);文獻[5]從安全角度設計了一種WAPI的接入終端;文獻[6]討論了無線物聯(lián)網(wǎng)的多中繼協(xié)作和切換機制。

Zigbee、藍牙、IEEE802.11b等幾種代表性的無線組網(wǎng)標準各有特點，其中IEEE802.11b標準速率可以達到11Mbps，復雜度、成本、功耗都較高，適合于無線internet接入;藍牙速率可達到3Mbps，復雜度、成本、功耗適中，適合于無線手持設備、無線鼠標、無線耳機等應用;Zigbee速率為數(shù)十Kbps到250Kbps，復雜度、成本、功耗都較低，適合于無線傳感器網(wǎng)絡的構建。應變傳感器是測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器，可用于力、力矩、壓力、加速度、重量、物體形變等參數(shù)的測量、監(jiān)測。金屬導體材料制作的電阻式應變片具有精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單、環(huán)境適應性好、易于實現(xiàn)小型化以及價格低廉等特點，適合于橋梁、大壩、超高層建筑等的應力監(jiān)測，以保障建筑物的健康。

2系統(tǒng)架構

Zigbee網(wǎng)絡參考OSI（OpenSystemInterconnection）七層模型，形成了五層Zigbee網(wǎng)絡，分別為物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡層（NWK）、應用程序支持子層（APS）、應用層（APL）。其中Zigbee協(xié)議定義了NWK層、APS層、APL層等三層，PHY層和MAC層則直接借用IEEE802.15.4標準（文獻[7]）。Zigbee網(wǎng)絡各層示意圖如圖1所示。

Zigbee的物理層和MAC層基于IEEE802.15.4標準，該標準給出了星形網(wǎng)絡（StarTopology）和對等網(wǎng)絡（Peer-to-PeerTopology）兩種拓撲結構，如圖2所示。

從目標應用場景約束、系統(tǒng)復雜度和成本等角度出發(fā)，可以選擇星形網(wǎng)絡結構或對等網(wǎng)絡結構。利用串口，將應變傳感器模塊連接于每個Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點上，即可構成基于Zigbee的無線應變傳感網(wǎng)絡，以星形網(wǎng)絡為例，如圖3所示。

3Zigbee節(jié)點模塊

Zigbee節(jié)點模塊采用TI公司CC2530F256結合CC2591構成。CC2530F256集成了RF收發(fā)器、增強型8051CPU，具有8KBRAM以及256KB片上閃存，可以結合TI公司的ZigBee協(xié)議棧（Z一Stack），形成完整的ZigBee節(jié)點模塊。為增加傳輸距離，搭配TI公司2.4GHz射頻芯片CC2591，該射頻芯片內部集成了PA、LNA、開關、巴倫和匹配網(wǎng)絡，可以提供最高22dBm的輸出功率，能夠大大提升傳輸距離。如圖4所示。

4應變傳感器模塊

應變傳感器模塊由電阻應變片、信號檢測與放大、信號采集與處理三部分組成。電阻應變片采用康銅材料、350Q、10mm應變片，標稱疲勞壽命超過千萬次。信號檢測與放大部分，采用直流電橋結構，將電阻應變片作為電橋的一邊接入，利用兩級運算放大器進行應變片信號檢測。信號的數(shù)字化采集與分析，利用意法半導體公司的STM32F103進行，該器件為低功耗MCU，內核采用ARM公司32位Cortex-M3CPU，主頻72MHz，帶有單周期乘法及硬件除法功能，并具有2個1μs12位ADC，可以完成應變電壓信號的數(shù)字化采集和處理。如圖5所示。

5無線傳感節(jié)點搭建與測試

電阻應變片隨著所受外力的不同而產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將增大或減小，信號檢測與放大電路輸出的不同電壓信號代表電阻應變片的不同彎曲狀態(tài)。將此電壓信號數(shù)字化、采集并進行分析，即可得電阻應變片的彎曲狀態(tài)是否出現(xiàn)異常變化，從而得到待檢測部位是否正常的信息，監(jiān)控主機通過綜合分析各個監(jiān)測部位的傳感器模塊的信息，即可得到建筑物是否健康的結論。將Zigbee節(jié)點模塊與應變傳感器模塊組合起來，即構成一完整的無線應變傳感節(jié)點。搭建無線應變傳感節(jié)點實驗系統(tǒng)，使應變片處于不同彎曲狀態(tài)，傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)往主機端，在主機端進行數(shù)據(jù)分析。如圖6所示。

主機端收到數(shù)據(jù)之后，利用Matlab進行數(shù)據(jù)分析。圖7為應變片彎曲狀態(tài)保持不變和應變片彎曲狀態(tài)改變15度所得的數(shù)據(jù)對比，由對比可見，應變片彎曲狀態(tài)不變時，數(shù)據(jù)為圍繞基底附近的隨機噪聲;而當應變片彎曲狀態(tài)改變時，主機端收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的規(guī)則跳變。下圖分別為兩種狀態(tài)下的采集數(shù)據(jù)對比，為了提高監(jiān)測精度，應變片彎曲狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)用單元平均方法作了平滑處理。

6小結

電阻式應變傳感器因為價格低、精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單等優(yōu)點，廣泛應用于建筑物重點部位的應力監(jiān)測;Zigbee網(wǎng)絡因其低功耗、低成本、易組網(wǎng)等特點，而適合于各類傳感網(wǎng)絡。本文設計了一種基于Zigbee和電阻應變片的無線應變傳感網(wǎng)絡節(jié)點，并搭建實驗系統(tǒng)、通過實測數(shù)據(jù)驗證了其可行性。

參考文獻

[1]馮佳。基于無線物聯(lián)網(wǎng)的戶外公共停車位管理研究[J].自動化技術與應用，2018，37（08）：59-62.

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[7]IEEE std 802.15. 4-2015， IEEE Standardfor Low-Rate Wireless Ne tworks [S].