作者：李文濤;肖俊生;江杰;安世奇

統(tǒng)的深孔測徑系統(tǒng)中的測量探頭與顯示、信號處理部分多采用有線連接方式。由于測量系統(tǒng)尤其是探頭經(jīng)常移動，使連接導(dǎo)線經(jīng)常被損壞，且復(fù)雜安裝和拆卸給測量帶來諸多不便，也增加了測量成本。同時受到導(dǎo)線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大。況且，單獨一套系統(tǒng)只能同時實現(xiàn)對一點的測量，這在批量生產(chǎn)中嚴重影響生產(chǎn)效率。基于此，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深孔測徑系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案采用無線信號傳輸方式，可實現(xiàn)多點同時測量，測量結(jié)果由上位機統(tǒng)一監(jiān)控管理。該系統(tǒng)不需任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有安裝使用方便、穩(wěn)定可靠、可維護性好等特點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集和處理、無線通信、協(xié)同合作等功能，可以隨機或者特定地布置在目標環(huán)境中，能夠獲取被監(jiān)測區(qū)域中的信息并相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。傳感器節(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件幾部分構(gòu)成。

圖1給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。這個網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點（sink）、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到Sink。Sink也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。Sink直接與Internet或通信衛(wèi)星相連（也可直接與監(jiān)控主機相連），通過Internet或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點（即觀察者）與傳感器之間的通信。

2 無線測徑系統(tǒng)設(shè)計方案

整個系統(tǒng)由若干無線測徑傳感器節(jié)點、中繼節(jié)點、無線接口模塊和上位機組成，如圖2所示。其中無線傳感器節(jié)點按需要分布在各測最點，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ鳌Ｖ欣^節(jié)點負責(zé)將傳感器節(jié)點所測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機的無線接口。上位機通過無線通信方式和各個節(jié)點進行通信，向節(jié)點發(fā)送控制命令和收集數(shù)據(jù)，并對采集到的每個節(jié)點的微位移數(shù)據(jù)進行智能分析、顯示和打印。

2.1 節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計

無線傳感器節(jié)點足組成網(wǎng)絡(luò)的最基本單元，它負責(zé)響應(yīng)上位機的命令、采集并發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2節(jié)點模塊的設(shè)計思想，將節(jié)點分為傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。傳感器模塊負責(zé)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理，主要由以下部件組成：電感測量頭（DGC-8ZP／B型軸向測頭）、接口芯片NE5521、高精度16位A／D轉(zhuǎn)換芯片CS5523；處理器模塊負責(zé)信號的運算處埋，由高速低功耗8位微處理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041組成；無線通信模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.1 傳感器平臺

本設(shè)計中傳感器平臺豐要實現(xiàn)對微位移的測量，其核心測量電路如圖4所示。

微位移測量采用差動變壓器LVDT（Linear VariableDifferential Transformer）與接口芯片NE5521實現(xiàn)。LVDT結(jié)構(gòu)是由在圓柱形骨架上繞有螺旋形的原邊和兩個付邊繞組所組成的線圈及一可動鐵芯構(gòu)成，它可將微小位移的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，具有分辨率高、靈敏度高、工作穩(wěn)定等特點。NE5521是差動變壓器信號轉(zhuǎn)換專用芯片，內(nèi)部集成了交流激勵信號發(fā)生器、信號放大、信號解調(diào)電路和一個獨立的運算放大器，它只需外接幾個元件就可構(gòu)成一個差動變壓器變送器，且具有功耗低、體積小、使用方便等特點。適合本設(shè)計中無線傳感器節(jié)點對器件在功耗和休積等方面的要求。

實現(xiàn)過程如下：電容C2_0、電阻R2_6和NE5521內(nèi)部的振蕩器組成正弦波發(fā)生單元，此單元所產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大器放大整形后由NE5521的11、12引腳輸出，為LVDT提供交流激勵信號，正弦波頻率 =（+5V～1.3V）／［+5V×（R2_6+1.5K）×C2_0］；LVDT的輸出由L2_IN輸入到同步解調(diào)器，取自12引腳的同步信號經(jīng)相位調(diào)節(jié)電路（R2_7和C2_5組成）調(diào)節(jié)后送入同步解調(diào)器。經(jīng)解調(diào)后的測量信號由引腳5送人帶有調(diào)零的二階有源濾波電路（由NE5521內(nèi)部的運放、R2_1、R2_2、R2_3、R2_4、R2_5、C2_1、C2_2和可調(diào)電阻W2組成）進行濾波放大處理。最終，測量信號由引腳1輸出到后續(xù)處理電路。

2.1.2 無線通信平臺

無線通信平臺主要實現(xiàn)傳感器節(jié)點、中繼節(jié)點、七位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000實現(xiàn)。CC1000具有低電壓（2.3～3.6V）低功耗、高靈敏度、接收信號強度指示（RSSI）、可編程輸出功率（-20～10dBm）傳輸距離遠等特點，其FSK數(shù)傳速度可達72.8kbps，具有250Hz步長可編程頻率能力。CC1000與ATMEGA128通信通過三線串行接口（PDATA、PCLK、PALE）進行。外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下選配的。電路如圖5所示。

2.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于整個節(jié)點是基于嵌入式系統(tǒng)組建的，所以對軟件設(shè)計也有很高的要求。因此，本設(shè)計采用專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)TinyOS（crossbow公司提供），以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。TinyOS操作系統(tǒng)采用了輕量級線程技術(shù)、主動消息通信技術(shù)、事件驅(qū)動模式和組件化編程等思想，有效提高了節(jié)點CPU的效率、節(jié)約了系統(tǒng)功耗。TinyOS的元件庫包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅(qū)動以及數(shù)據(jù)采集等工具。這些工具可以原樣使用，也可以經(jīng)過修改供定制系統(tǒng)使用，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用帶來了便利。下面說明幾個主要功能的實現(xiàn)過程。

2.2.1 微位移數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計采用組件化編程思想，將數(shù)據(jù)采集部分作為TinyOS的一個組件并嵌入其中，采用支持組件化編程的nesC語言來實現(xiàn)其功能，包括A／D采樣、數(shù)字濾波等。為了提高測量精度，本設(shè)計選擇A／D轉(zhuǎn)換芯片CS5523的轉(zhuǎn)換范圍為55mv檔（在實際電路中經(jīng)測試，當傳感器的位移量變化400μm時，信號經(jīng)處理后的變化量為45mV），信號輸入方式為差動輸入。在實際應(yīng)用時，首先要進行零點和滿度的標定，確保儀器工作在良好的線性范圍內(nèi)，從而提高測量精度。接著依次啟動A／D的各個通道進行數(shù)據(jù)采集，并分別讀入4組A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后進行數(shù)字濾波處理，再將所得結(jié)果發(fā)送到上位機。

2.2.2 無線通信協(xié)議的實現(xiàn)

本設(shè)計中對協(xié)議棧采用分層實現(xiàn)，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層協(xié)議向數(shù)據(jù)鏈路層提供硬件操作接口。發(fā)送時，實現(xiàn)信道編碼算法，然后將編碼后的完整數(shù)據(jù)幀通過RF硬件接口發(fā)送出去；接收時，將數(shù)據(jù)從RF硬件接口中正確地提取出來，然后組成數(shù)據(jù)幀，再進行信道解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議處理。數(shù)據(jù)鏈路層為相鄰的網(wǎng)絡(luò)實體間建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路連接，并傳輸數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)數(shù)據(jù)單元。網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)路由的生成與選擇，以及通過網(wǎng)絡(luò)連接交換網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)單元。具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 上位機功能實現(xiàn)

上位機采用VB6.0編程，由RS-232串口通過無線接口模塊實現(xiàn)與中繼節(jié)點的串行通信。采用圖形化人機界面和數(shù)據(jù)處理平臺，可以實時顯示、儲存和分析測量數(shù)據(jù)，有效減少了以往測量過程中由人為因素帶來的誤差，提高了在數(shù)據(jù)分析、誤差信息反饋等方面的能力，從而提高整個系統(tǒng)的測量精度和測量效率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人們提供了一種全新的信息獲取和信息處理途徑。本文所設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)存在的不足，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、組網(wǎng)使用方便、抗干擾能力強，節(jié)點功能可擴展性強等優(yōu)點。目前，該測徑儀已在內(nèi)蒙古某機械制造廠投入生產(chǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

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