基于復合量程加速度計的無線傳感器網絡設計*

閆明明，郭 濤，龔 珊

（1．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2．中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

隨著MEMS工藝水平的不斷提高，MEMS器件的應用范圍越來越廣，從工業生產到航天科技，MEMS器件的身影隨處可見［1］。作為一種新型MEMS器件，復合量程加速度計解決了常規彈藥制導化應用中采用多個不同量程加速度計測量所帶來的安裝不便和誤差問題［2］。但是，常規的有線測試方法需要大量的人力物力來鋪設數據采集設備，并且信號在傳輸線傳輸過程中會受到噪聲干擾，尤其是長電纜傳輸甚至會導致信號失真或者無效［3］。針對以上問題，本文提出了一種基于復合量程加速度計的無線傳感器網絡（WSNs）。

1 無線傳感器網絡系統結構

無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡［4］，目的是協作地采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。

如圖1所示，無線傳感器網絡系統主要由傳感器節點、基站模塊，以及數據中心構成。

圖1 系統結構模型Fig 1 Structural model of system

傳感器節點采用分布式安裝，每一個節點均可完成加速度信號的感應與調理，并將調理后的信號經A/D轉換成數字信號。傳感器節點上配置的無線收發模塊實時將數字信號傳輸到基站，基站通過RS—232接口將此信號傳輸到數據中心，經數據中心的處理模塊處理后數據在PC機上進行顯示并存儲。

1．1 傳感器網絡拓撲結構

Zig Bee協議的無線網絡拓撲結構有3種:星形結構、網格狀結構和樹形結構［5］，如圖2。

圖2 無線網絡拓撲結構Fig 2 Topology structure of wireless networks

主要考慮到星形網絡需要的協調器數量少，而協調器的功耗是普通終端節點的幾十倍甚至上百倍，采用星形網絡可以大幅度降低整個無線傳感器網絡的總體功耗。另外，點對點網絡的各網段終端設備間的數據傳輸必須經過協調器［6］，協調器內部的路由表復雜、不易維護和實時管理。所以，本設計采用星形網絡拓撲結構。

1．2 傳感器節點設計

本設計采用復合量程加速度計、信號調理電路、數字處理模塊、無線收發模塊等四部分構成傳感器節點，硬件結構如圖3所示。

圖3 傳感器節點硬件結構Fig 3 Hardware structure of sensor node

復合量程加速度計輸出的微弱電壓信號經放大電路放大后進入濾波電路，二階高通濾波電路與低通濾波電路將通頻帶限制在5～2 kHz，濾除不需要的雜波;數字控制芯片選用ATMEL公司8位單片機的最高配置的一種單片機ATmega128，數字控制模塊將模擬量轉換成數字量進行存儲并傳遞給無線收發模塊的主芯片CC2530;傳感器節點的CC2530工作在終端節點模式，接收到單片機數據信號后，將目標地址、數據、自身地址打包后自行調制并發射到空氣中。

傳感器節點程序流程圖如圖4所示。

圖4 節點程序流程圖Fig 4 Program flow chart of nodes

1．3 基站模塊設計

基站模塊采用無線收發模塊、數字處理模塊、RS—232電平轉換電路等部分構成。硬件結構如圖5所示。

圖5 基站模塊硬件結構Fig 5 Hardware structure of base station module

基站模塊中的CC2530無線收發模塊在整個無線傳感器網絡中作為協調器，具有建立Zig Bee無線傳感器網絡、對申請入網的各個終端節點分配網絡地址等重要功能［7］，是整個無線傳感器網絡中的核心。該無線收發模塊檢測到空氣中有來自該網絡的節點的數據時，便將數據截獲并自行解調后存儲到存儲芯片中的固定區域，每存儲一定字節的數據后發送一個脈沖通知主控芯片（ATmega128）進行讀取。主控芯片對輸入的脈沖進行加計數，每讀取一定字節數據后對計數值減1，并將每次讀到的數據通過TTL電平的串口輸入到電平轉換電路中。電平轉換電路將TTL電平信號轉換成RS—232電平信號后輸出到PC機串行接口。

基站模塊程序流程圖如圖6所示。

1．4 上位機軟件設計

本上位機軟件采用Visual C++6．0開發工具，利用安全性較高的Access作為后臺數據庫，以軟件工程理論為指導，通過一個病員監控系統來體現，實現上位機軟件基本功能，達到研究本課題的目的。無線傳感器網絡的低成本特點和靈活快速的部署能力成為本系統的最大特點。對加速度的測量，從傳統的有線測試方式過渡到了無線測試并實時采集存儲的方式。上位機通過串口通信的程序來控制PC機與單片機之間的串口通信，進而實現對單片機的數據進行采集和設置。該系統界面友好，操作簡單，易學易用，從總體方案上力求達到該軟件所需的目標要求。

2 系統測試

2．1 傳輸距離測試

為了確定無線傳感器網絡覆蓋的范圍，實驗首先對傳感器節點與基站之間的通信距離進行測試。測試包括室內測試與室外測試:室內以墻壁為間隔，每隔一扇墻壁放置1個傳感器節點;室外距基站50 m處為起點，每隔50 m放置1個傳感器節點，每個傳感器節點發送3組數據，將數據中心接收到的數據進行處理，計算所得數據出錯率結果如表1所示。數據出錯率在3%以內，證明通信成功，且可以保證在300 m以內進行數據的正確有效傳輸，房間內傳輸信號衰減得快是因為墻壁吸收了無線電信號。

2．2 組網測試

本實驗主要對無線傳感器網絡進行組網測試。選取3個傳感器節點按照星狀網絡放置在房間桌子上，利用強力雙面膠固定，將模式設置為多點監控模式，敲擊節點的中心測試面，在數據中心觀察監控波形，并記錄數據，對比3個節點采集到的加速度值。

圖形顯示各個節點采集到的加速度信號波形基本一致，處理后的加速度結果見表2。

表1 數據出錯率Tab 1 Error rate of datas

表2 節點加速度測試結果Tab 2 Acceleration test results of nodes

由表2可以看出:每個節點測得的加速度值差別不大，最大差別為2．7%。

2．3 精度測試

利用實驗室的傳感器校準系統對復合量程加速度計的低量程進行考察，因為只有一套校準系統，所以，采用單點監控模式，傳感器校準系統參數設置見表3，精度測試結果見表4。

表3 傳感器校準系統參數設置Tab 3 Parameter setting of sensor calibration system

表4 精度測試結果Tab 4 Results of precision test

傳感器節點的測試精度達到了1．2%，說明基于復合量程加速度計的無線傳感器網絡不僅可以實現信號的分布式測量，而且保證了很高的測試精度。

3 結束語

本文介紹了基于復合量程加速度計的無線傳感器網絡的軟硬件設計。傳感器節點采用星狀網絡，具有低功耗、高可靠性等特點，系統經過試驗驗證，傳輸距離遠，測試精度高，達到了預期的效果。本系統解決了加速度測量系統中采用多個單量程加速度計的安裝復雜問題，提高了數據傳輸的可靠性，為實現簡便化智能化測試提供了有力的保障。

［1］ 李旭輝．MEMS發展應用現狀［J］．傳感器與微系統，2006，25（5）:7－9．

［2］ 熊繼軍，毛海央，張文棟，等．復合量程微加速度計的研究［J］．傳感技術學報，2006，19（5）:2201 －2203．

［3］ 李志強，屈國普，陳列尊，等．基于GSM的溫濕度遠程監控系統設計［J］．核電子學與探測技術，2010，30（4）:533 －536．

［4］ 張大蹤，楊 濤，魏東梅．一種低功耗無線傳感器節點的設計［J］．儀表技術與傳感器，2006（10）:54－57．

［5］ 任豐原，黃海寧，林 闖．無線傳感器網絡［J］．軟件學報，2003，14（7）:1282 －1291．

［6］ 盛 敏，田 野，李建東．無線傳感器網絡與自組織網絡的研究現狀［J］．中興通信技術，2005（2）:46－48．

［7］ 昂志敏，金海紅，范之國，等．基于Zig Bee的無線傳感器網絡節點的設計和通信實現［J］．現代電子術，2007（10）:47－57．