摘 要：針對目前深孔測徑系統采用有線方式傳輸信號存在的不足，提出了一種基于傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡技術的測徑系統設計方案，詳細介紹了無線傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點的硬件結構和軟件設計。
關鍵詞：無線傳感器網絡? 微位移測量? TinyOS? 內徑測量
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??? 傳統的深孔測徑系統中的測量探頭與顯示、信號處理部分多采用有線連接方式。由于測量系統尤其是探頭經常移動，使連接導線經常被損壞，且復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，單獨一套系統只能同時實現對一點的測量,這在批量生產中嚴重影響生產效率。基于此，本文提出了一種基于無線傳感器網絡技術的深孔測徑系統設計方案，該方案采用無線信號傳輸方式，可實現多點同時測量，測量結果由上位機" title="上位機">上位機統一監控管理。該系統不需任何固定網絡的支持，具有安裝使用方便、穩定可靠、可維護性好等特點。
1 無線傳感器網絡
??? 無線傳感器網絡由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者[1]。它綜合應用了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術。無線傳感器網絡節點具有數據采集" title="數據采集">數據采集和處理、無線通信、協同合作等功能，可以隨機或者特定地布置在目標環境中，能夠獲取被監測區域中的信息并相互協同完成特定的任務。傳感器節點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件幾部分構成。
??? 圖1給出了一個典型的無線傳感器網絡的結構。這個網絡由傳感器節點、匯聚節點(sink)、Internet或通信衛星、任務管理節點等部分構成[2]。傳感器節點散布在指定的感知區域內，每個節點都可以收集數據，并通過“多跳”路由方式把數據傳送到Sink。Sink也可以用同樣的方式將信息發送給各節點。Sink直接與Internet或通信衛星相連（也可直接與監控主機相連），通過Internet或通信衛星實現任務管理節點(即觀察者)與傳感器之間的通信。
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2 無線測徑系統設計方案
??? 整個系統由若干無線測徑傳感器節點、中繼節點、無線接口模塊和上位機組成，如圖2所示。其中無線傳感器節點按需要分布在各測量點，執行數據采集、預處理和傳輸等工作。中繼節點負責將傳感器節點所測得的數據轉發到上位機的無線接口。上位機通過無線通信方式和各個節點進行通信，向節點發送控制命令和收集數據，并對采集到的每個節點的微位移數據進行智能分析、顯示和打印。
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2.1 節點硬件系統設計
??? 無線傳感器節點是組成網絡的最基本單元，它負責響應上位機的命令、采集并發送數據。本設計采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2節點模塊的設計思想，將節點分為傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。傳感器模塊負責數據采集、預處理，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" title="A/D">A/D轉換芯片CS5523；處理器模塊負責信號的運算處理，由高速低功耗8位微處理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041組成；無線通信模塊負責數據的發送與接收，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000構成。其結構如圖3所示。
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2.1.1 傳感器平臺
??? 本設計中傳感器平臺主要實現對微位移的測量，其核心測量電路如圖4所示。
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??? 微位移測量采用差動變壓器LVDT（Linear Variable Differential Transformer)與接口芯片NE5521實現。LVDT結構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成，它可將微小位移的變化轉換成電信號的變化，具有分辨率高、靈敏度高、工作穩定等特點。NE5521[4]是差動變壓器信號轉換專用芯片，內部集成了交流激勵信號發生器、信號放大、信號解調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。適合本設計中無線傳感器節點對器件在功耗和體積等方面的要求。
??? 實現過程如下：電容C2_0、電阻R2_6和NE5521內部的振蕩器組成正弦波發生單元，此單元所產生的正弦波經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f=（+5V～1.3V）/[+5V×(R2_6+1.5K)×C2_0]；LVDT的輸出由L2_IN輸入到同步解調器，取自12引腳的同步信號經相位調節電路（R2_7和C2_5組成）調節后送入同步解調器。經解調后的測量信號由引腳5送入帶有調零的二階有源濾波電路(由NE5521內部的運放、R2_1、R2_2、R2_3、R2_4、R2_5、C2_1、C2_2和可調電阻W2組成)進行濾波放大處理。最終，測量信號由引腳1輸出到后續處理電路。
2.1.2 無線通信平臺
??? 無線通信平臺主要實現傳感器節點、中繼節點、上位機之間的數據傳輸，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000實現。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。外圍元器件的參數是在發射頻率為915MHz的條件下選配的。電路如圖5所示。
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2.2 軟件系統的實現
??? 由于整個節點是基于嵌入式系統組建的，所以對軟件設計也有很高的要求。因此，本設計采用專門針對無線傳感器網絡的操作系統TinyOS(crossbow公司提供)，以及在此基礎上開發的應用程序來實現整個系統的功能。TinyOS操作系統采用了輕量級線程技術、主動消息通信技術、事件驅動模式和組件化編程等思想，有效提高了節點CPU的效率、節約了系統功耗。TinyOS的元件庫包含網絡協議、分布式服務、傳感器驅動以及數據采集等工具。這些工具可以原樣使用，也可以經過修改供定制系統使用，為傳感器網絡的應用帶來了便利。下面說明幾個主要功能的實現過程。
2.2.1 微位移數據采集
??? 本設計采用組件化編程思想，將數據采集部分作為TinyOS的一個組件并嵌入其中，采用支持組件化編程的nesC語言來實現其功能，包括A/D采樣、數字濾波等。為了提高測量精度，本設計選擇A/D轉換芯片CS5523的轉換范圍為55mv檔（在實際電路中經測試，當傳感器的位移量變化400um時，信號經處理后的變化量為45mV)，信號輸入方式為差動輸入。在實際應用時，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，從而提高測量精度。接著依次啟動A/D的各個通道進行數據采集，并分別讀入4組A/D轉換結果，然后進行數字濾波處理，再將所得結果發送到上位機。
2.2.2 無線通信協議的實現
??? 本設計中對協議棧采用分層實現，主要包括物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層協議向數據鏈路層提供硬件操作接口。發送時，實現信道編碼算法，然后將編碼后的完整數據幀通過RF硬件接口發送出去；接收時，將數據從RF硬件接口中正確地提取出來，然后組成數據幀，再進行信道解碼，并將解碼后的數據傳給數據鏈路層協議處理。數據鏈路層為相鄰的網絡實體間建立、維持和釋放數據鏈路連接，并傳輸數據鏈路服務數據單元。網絡層負責路由的生成與選擇，以及通過網絡連接交換網絡服務數據單元。具體實現結構圖如圖6所示。
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3 上位機功能實現
??? 上位機采用VB6.0編程，由RS-232串口通過無線接口模塊實現與中繼節點的串行通信。采用圖形化人機界面和數據處理平臺，可以實時顯示、儲存和分析測量數據，有效減少了以往測量過程中由人為因素帶來的誤差，提高了在數據分析、誤差信息反饋等方面的能力，從而提高整個系統的測量精度和測量效率。
??? 無線傳感器網絡為人們提供了一種全新的信息獲取和信息處理途徑。本文所設計的基于無線傳感器網絡技術的測量系統克服了傳統測量系統存在的不足，該系統具有結構簡單、工作穩定可靠、測量精度高、組網使用方便、抗干擾能力強，節點功能可擴展性強等優點。目前，該測徑儀已在內蒙古某機械制造廠投入生產，取得了良好的應用效果。
參考文獻
[1] 孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡.北京：清華大學出版社，2005.
[2] AKYILDIZ LF，SU WL，SANKARASUBRAMANIAM Y et al.A survey on sensor networks.IEEE Communications Magazine，2002，40(8)：102-114.
[3] 何立民.單片機應用技術選編（6）.北京：北京航空航天大學出版社，1998.