基于無線傳感器網絡的電參數測量系統設計

孟慶生　徐中干

摘要：本文提出了一種基于無線傳感器網絡的電參數測量系統，可以測量電壓、電量、電流和功耗四種參數。系統以SI1000芯片為核心，多個測量儀通過無線方式組成傳感器網絡，通過無線收發基站與上位機通信，使用RS232或USB協議將測量數據上傳并進行處理或顯示。實驗結果表明，系統運行穩定，能實現可靠的無線數據傳輸，誤差在可控范圍內，從而較準確地測量出所需參數。

關鍵詞：無線傳感器網絡；電參數測量；無線測量儀；無線收發基站；上位機

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0195-02

0 前言

目前，隨著電子技術的不斷進步，各種先進的測量儀器層出不窮。而在一些特定的環境下，可能需要同時測量多個電參數，或者還需要繪出所測參數在一段時間內的變化趨勢，現有的很多儀器無法滿足[1]。針對這一需求，本文提出了一種基于無線傳感器網絡的電參數測量系統，可以測量電壓、電流、電量和功耗四種參數，并具有有線、無線兩種傳輸方式，自動量程測量等功能，大大擴展了原有的測量功能，具有較強的實用價值。

1 系統概述

本設計中的基于無線傳感器網絡的電參數測量系統結構如圖1所示，主要由多個無線測量儀、無線收發基站和上位機三部分組成[2]。

無線測量儀是整個系統的關鍵，由本地顯示與控制模塊、電參數測量模塊、電源管理模塊以及核心控制器與通信模塊組成。其中電參數測量模塊是無線測量節點的核心部分，該模塊將輸入的模擬信號轉變為數字信號，并發送給核心控制器。核心控制器將數字信號處理得到用戶需要的信息，通過通信模塊上傳到無線傳感網絡中，或者利用有線方式使用USB接口上傳到上位機。電源管理模塊可實現充放電控制、電源適配器輸入控制、USB供電等功能。顯示和控制模塊用于控制和顯示測量的參數數值、通信模式等[3]。

無線測量儀與無線收發基站構成了星型無線傳感器網絡。無線收發基站負責采集各個子節點的測量數據，通過RS232或USB通訊協議上傳到上位機進行分析處理并顯示。

2 具體實現

2.1 核心控制器與通信模塊

本設計中核心控制器與通信模塊采用Silicon Labs公司的Si1000芯片，該芯片結合了8051內核、240～960 MHz高穿透力的RF收發器、64KB Flash和10位ADC，具有性能優越、接收靈敏度高以及低功耗等特性。通信模塊為采集的數據加上前導碼、同步字、數據載荷長度及CRC校驗字節，形成數據包發送出去。為保證接收的正確性，無線接收程序負責接收數據包并檢驗CRC字節[4]。

2.2 電參數測量模塊

在本設計中，電量和功耗測量采用LTC2942電量測量芯片。為滿足測量精度要求，電量測量電路分為大、小量程兩個電路，區別在于采樣電阻不同，分別使用10毫歐和50毫歐的精密電阻，芯片通過其上的電壓計算出電流，進而得到單位時間內的電量值[5]。 小量程測量范圍為0-1A，精度0.1mA。大量程測量范圍為1A-5A，精度1mA。利用LTC2942的片選端口和光耦繼電器實現量程切換。

電壓測量采用LTC1858芯片，電壓信號通過分壓電路進入輸入端口，使用光耦繼電器和穩壓管進行保護，電壓測量電路量程為0-150V。

功耗測量使用測量節點自放電的方式，將能量提供給測試板，由測量電路測出電流值，電壓測量電路測出電壓值，兩者相乘得出功耗值。

2.3 本地顯示與控制模塊

為了滿足用戶本地測量的需要，無線測量儀還具備本地顯示功能，可通過LCD液晶屏和按鍵實現。液晶屏可顯示測量參數值和通信模式。用戶通過軟開關、通信模式選擇、測量參數選擇和手動量程選擇四個按鍵進行操作。

2.4 無線收發基站

無線收發基站主要完成網絡中各子節點的數據匯聚，同時負責向上位機上報。本設計中基站的控制與通信模塊同樣以SI1000芯片為核心，發射頻段為433MHz。無線收發基站與上位機通信同時具有串口和USB兩種通信方式。串口通信利用MAX232實現[6]。

3 數據通信協議

本設計使用有線和無線兩種通信方式，多個無線測量儀和一個無線收發基站組成星型無線網絡，使用無線通信協議傳輸數據。而無線基站與上位機采用RS232傳輸協議進行數據通信。具體實施步驟如下：

3.1 初始化

（1）在布置無線測量節點前，確定每個節點的編號，編號大小為兩個字節，第一個字節表示測量現場號，第二個字節表示具體節點號，基站節點為0號節點。

（2）系統啟動時進行組網，將周圍的無線測量子節點加入網絡。

（3）所有節點進行時間同步。基站首先將時間信息廣播給每個節點，節點在調整好時間的同時，傳輸給區域內的其他節點，完成時間同步[7]。

3.2 進入工作模式

（1）每個節點以輪循方式依次向基站上傳數據，時間間隔由上位機設定。

（2）基站通過RS232或USB協議將匯集到的數據上傳到上位機中。

4 上位機設計

上位機軟件架構如圖2所示，上位機接收到一個完整數據包后對數據進行校驗，判斷正確后再進行數據分析，在上位機顯示并放入數據庫，如果出錯會改變字體顏色進行提示。

軟件具有以下幾個方面的功能：

（1）調節采樣頻率。可根據需要調整采樣頻率，獲得所需的數據進行分析。

（2）把采集到的數據進行實時顯示，以便知道其實時狀態。

（3）將采集的實時數據繪制成實時曲線，被測對象的變化一目了然，便于觀測某些參數在一段時間內的變化趨勢。

（4）用戶可以對被測對象的歷史狀態進行查詢，既可以生成歷史數據曲線，也可以將數據導出excel文件進行查看或者打印。

5 測試實驗

本設計的參數測量系統可適用于需要測量電壓、電流、功耗等多個參數的場合，且可完成多點同時測量。為了檢驗系統的性能，將多個無線測量儀置于實驗室中，使用標準信號源的電壓、電流信號輸出作為系統輸入，信號源為普源DG1022U型號，實驗現場實際通信距離為20米左右，電壓和電流信號的非線性誤差不大于1%，10次測量的重復性誤差不大于2%，這反映了文中設計的電參數測量系統具有良好的工作性能，如表1所示。

6 結論

本文設計了基于無線傳感器網絡的電參數測量系統，并通過實驗對各項電參數進行實時測量。結果表明在實驗條件下，該系統運行穩定，能實現可靠的無線數據傳輸，這為今后的實際應用提供了較好的基礎，對進一步的多傳感器信息融合也提供了較好的研究基礎和平臺。

參考文獻

[1] 姚傳安.無線溫濕度測量傳感器網絡設計[J].計算機測量與控制，2007，15（2）：165-166，187.

[2] 陳夏，胡紅利，劉志紅.基于無線傳感器網絡的輸粉濃度測量系統[J].儀表技術與傳感器，2010（8）：34-36.

[3] 曹惠茹，張曉軍，陳放.基于雙頻無線傳感器網絡匯聚節點設計[J].儀表技術與傳感器，2014（3）：55-57.

[4] 黃順，付玲玲，陳喜.基于STC12C5608和nRF905的數字溫度計遠程采集系統[J].科學時代，2013（2）：26.

[5] 劉明，趙文敏.一種無線糧情監測系統的設計[J].機電工程，2011（11）：1382-1385.

[6] 祝偉，張金剛，張佳寧等.基于1553B總線的運載火箭供電測控系統設計[J].計算機測量與控制，2016（5）：21-24.

[7] 焦鳳昌，龔仁喜，臧慧等.一種新型的無線低功耗環境指數傳感器[J].傳感器與微系統，2013（8）：81-84.

Abstract：A measurement system of electrical parameters based on wireless sensor network is presented in this paper， which can measure four parameters： voltage， electric quantity， current and power consumption. The system takes SI1000 chip as the core， and many measuring instruments form a sensor network by wireless mode. They communicate with the host computer through wireless transceiver base station， and upload and process or display the measured data using RS232 or USB protocol. The experimental results show that the system runs stably and can realize reliable wireless data transmission. The error is within the controllable range， so the required parameters can be measured accurately.

Key words：wireless sensor network；electrical parameter measurement；wireless measuring instrument；wireless transceiver base station；host computer