基于無線傳感器網絡的光電信號采集系統設計*

楊 統，王 崴，劉曉衛

(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著現代工業飛速發展，大型構件吊裝系統在一些大規模、高風險的工程上被廣泛應用。但是在大型構件吊裝過程中存在一些不確定性，而這些不確定性包括模糊性、隨機性和灰色性，如，空間碰撞，吊裝錯位等，一旦吊裝人員操作失誤，會對吊裝設備、構件和操作人員安全造成嚴重威脅。因此，在大型構件吊裝過程中對吊裝操作的全程監控和險情預警顯得尤為重要，而這項工作主要由各種傳感器來完成，其中，光電傳感器是常用的一種傳感器。但是傳統的光電信號采集系統采用的是有線連接方式，這種連接方式存在布線復雜、性價比低、電纜易損、靈活性差等缺陷。顯然，對大型移動和旋轉設備利用傳統的有線連接方式難以有效地完成采集任務。

無線傳感器網絡(WSNs)是由大量隨機分布的、具有實時感知、無線通信和自組織能力的傳感器節點構成［1］。而分布式傳感器節點是無線傳感器網絡核心部分，它直接影響到整個無線傳感器網絡的性能。目前，隨著無線傳感網絡的迅猛發展，出現了一些比較經典的節點設計，如，美國加州大學Berkeley 分校的Micaz 系列節點［2，3］，麻省理工大學uAMPS 項目開發的節點［4］。

本文針對傳統光電采集系統的缺陷，基于無線傳感器網絡技術，設計的新型光電采集系統具有較高的性價比、可靠性和靈活性，信號實時采集速度和傳輸精度都有了很大的提高，同時減少了布線、安裝和維護的工作量。

1 新型光電信號采集系統的總體設計

傳統的光電信號采集系統由于是有線連接形式，它只能在小范圍內進行光電信號采集，其主機的電纜長度一般在10 m 以內，而在光電信號采集的過程中會產生大量的數據，由于主機的數據處理和存儲能力有限，傳輸效率低，實際上它是一個單機系統，其光電信號采集系統如圖1 所示。本文借助無線傳感器網絡技術，對傳統的光電信號采集系統進行進一步改進，在主機外接無線通信模塊構成數據采集網絡，該新型光電信號采集系統主要由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成，其系統結構圖如圖2 所示［5，6］。

圖1 傳統光電信號采集系統Fig 1 Tradition photoelectric signal acquisition system

圖2 新型光電信號采集系統Fig 2 New type of photoelectric signal acquisition system

2 系統硬件電路的設計

2.1 微處理器模塊的設計

本文所選的微處理器STM32F103ZET6，它是由意法半導體公司基于Cortex—M3 內核打造的一種32 位增強型微處理器，有144 個引腳，512 kbyte 字節的閃存存儲器，采用LQFP 封裝，工作溫度范圍為工業級－40～85 ℃，內部集成了3 個12 位逐次逼近型的模擬/數字轉換器，可以采集18 個通道的ADC，包括16 個外部和2 個內部信號，其最高采集頻率可達到1 MHz，即每1 μs 可完成一次AD 采集，其ADC 使用起來很方便，只要將參考電壓接入VERF—和VERF+即可使用。STM32F103ZET6 具有性價比高、處理速度快、性能穩定、功耗低、外圍電路設計簡單等優點，廣泛用于各種嵌入式場合［7］。微處理器模塊主要由處理器最小系統和電源模塊組成。電源模塊采用LM1117—3.3 和LM1117—5.0 芯片，LM1117 是一種穩壓芯片，在LM1117 的輸入輸出端都加入了濾波電容，減少電源的擾動，電路比較簡單，電壓穩定性好。

2.2 無線通信模塊的設計

該系統所用的無線通信模塊采用nRF24L01 無線通信芯片，該芯片工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 頻段，采用的是面向無線網絡的IEEE 802.15.4 標準，集成的nRF24L01 通信模塊只需6 個引腳配置就可實現數據的傳送與接收，一次可實現32 字節數據的傳輸，在局域空間內進行多點數據傳輸時，各數據傳輸之間相互不干擾，它通過SPI 接口與MCU 之間進行控制與通信［8］。nRF24L01 具有多種工作模式，本文用到是接收發模式，采用一個中斷引腳來通知MCU 數據接收和發送的狀態，本文采用庫函數的開發方式，避免了對其參數有關的大量寄存器的配置，其接口電路如圖3 所示。

圖3 nRF24L01 接口電路Fig 3 nRF24L01 interface circuit

2.3 多路模擬轉換開關的選擇

多路模擬轉換開關主要用于完成信號的切換，本文從通用的角度出發，選用具有8 個線圈，采用2 個差動四通道的模擬轉換開關AD7502，它能同時選通兩路信號，其選通真值表如表1 所示。

表1 AD7502 選通真值表Tab 1 True value on gating of AD7502

2.4 前置放大電路的設置

本文所選的光電傳感器是PC50—6，它的信號是帶有一定共模干擾的微弱電信號。因此，本文選用具有輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、失調小、溫漂小、線性好、穩定性好、能夠放大差模信號的測量放大器，它由三個運算放大器組成，實際上是兩個電壓跟隨器構成，第二級可以消除第一級的共模信號，通過調節電阻器R2 可以很方便地改變放大器的閉環增益，當采用集成測量放大器時，R2 一般外接電阻器，其放大電路如圖4 所示。

2.5 濾波電路的設計

圖4 前置放大電路Fig 4 Preamplifier circuit

經過前置放大電路的信號，還存在一些高頻噪聲，因此，對其高頻部分需要進行濾波處理。由于巴特沃斯濾波器在通帶內的頻率響應曲線具有最大限度的平坦特性和良好的相位特性，故本文采用由二階壓控電源巴特沃斯低通濾波器和巴特沃斯電路構成二階高通濾波器聯級形成的四階帶通濾波電路。這種帶通濾波電路具有偏執電流低、噪聲小和運算速度高的特性。根據有源濾波器的設計手冊，可得其相關參數，其電路圖5 所示。

圖5 四階帶通濾波器Fig 5 Four-order bandpass filter

2.6 末級放大電路的設計

本文所選用的末級放大電路是一種程控式的增益可調電路，采用了Intersil 公司的ISL22416 型數字電位器，通過控制R2 的阻值大小就可實現增益的可調。由于本文所用的微處理器所帶的A/D 的工作電壓為3.3 V，因此，需要經過末級放大電路的電壓穩定在3.3 V 以內，以最大滿足其線性指標。所選數字電位器R2 的阻值為70 Ω～50 kΩ，其電路圖如圖6 所示［9］。

圖6 末級放大電路Fig 6 Final stage amplifier circuit

3 系統軟件的設計

MCU 上電后首先進行初始化，包括時鐘開啟、I/O 口模式配置、A/D 轉換器工作模式的配置、串口和SPI 的初始化設置、外部中斷的設置、nRF24L01 的工作模式的配置、nRF24L01 工作頻段和工作頻率的選擇以及使能RX_FIFO和TX_DATA［10］。當數據進入RX_FIFO 或TX_DATA 準備好接收下一幀數據時，nRF24L01 通過引腳NRF_IRQ 向微處理器發送中斷請求，主函數中循環進行AD 采集與nRF24L01 發送或接收。當接到上位機串口發送過來的指令時則進入串口中斷函數，首先判斷是否為0X01，如是則將采集到的操作指令發送給上位機，完成與上位機的一次通信，流程圖如圖7 所示。

圖7 系統軟件流程圖Fig 7 Flow chart of system software

4 測試設置與分析

為了驗證本文所設計的新型光電信號采集系統是否在精度和數據采集速度方面有一定的提高和實用的可行性，本文對其進行實驗驗證。實驗設置是在一個長、寬都為80 m的倉庫內，在倉庫的中心位置放置以高速旋轉的激光平面發射器作為光源，激光的掃描頻率在45 Hz 左右，以激光平面發射器為圓心，在其周圍放置3 個本文設計的光電信號采集節點，它們之間的夾角為120°，以每4 m 測量一次距離，并將3 個節點系統所測的距離取平均值，以減少倉庫環境的影響，測8 組數據與理論距離進行比較，實驗結果如圖8 所示。

圖8 測試結果Fig 8 Test results

由圖8 可知，在30 m 的范圍內其測量結果與實際距離非常接近，誤差保持在3%以內，數據采集的速度可達到8 μs左右且不會出現數據的丟失，還具有一定穿越障礙物的能力。但是當距離超過40 m 時，測試結果就會出現明顯的誤差且數據的丟失率會增高，穿越障礙的能力急劇下降，當距離超過45 m 時會出現不能進行數據的傳輸。造成這種現象的原因主要有兩點:1)由于無線射頻信號對干擾比較敏感，信道的快速衰落和傳輸環境的復雜變化都會對其產生較大的影響;2)無線射頻信號的穿透能力有一定的限度，當傳播距離較遠遇到障礙物時會引起傳播路徑的改變，導致測試距離發生改變，這些缺點對無線射頻信號來說是一個結構性問題，解決這個問題的有效方法就是進一步提高無線傳感器節點的設計精度和傳輸網絡的改進。當對于大型構件吊裝系統來說，30 m 左右的距離已經足夠了，所以，本文的設計能夠達到預期的目的，具有一定的實用性和參考價值。

5 結 論

本文利用無線傳感器網絡的技術，以低功耗、高性能的增強型STM32F103ZET6 為微處理器，以nRF24L01 作為無線通信模塊，提出了一種光電信號采集系統的設計方案。實驗結果表明:這種新的設計方案在信號采集精度和數據傳輸速度以及檢測范圍等方面都有了顯著的提高，能夠滿足大型構件吊裝系統的要求，具有一定的實用性。

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