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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(xiàn)連接方式。由于測量系統尤其是探頭經(jīng)常移動(dòng)，使連接導線(xiàn)經(jīng)常被損壞，且復雜安裝和拆卸給測量帶來(lái)諸多不便，也增加了測量成本。同時(shí)受到導線(xiàn)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(shí)實(shí)現對一點(diǎn)的測量，這在批量生產(chǎn)中嚴重影響生產(chǎn)效率�；诖�，本文提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的深孔測徑系統設計方案，該方案采用無(wú)線(xiàn)信號傳輸方式，可實(shí)現多點(diǎn)同時(shí)測量，測量結果由上位機統一監控管理。該系統不需任何固定網(wǎng)絡(luò )的支持，具有安裝使用方便、穩定可靠、可維護性好等特點(diǎn)。 1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀(guān)察者。它綜合應用了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有數據采集和處理、無(wú)線(xiàn)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，能夠獲取被監測區域中的信息并相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。傳感器節點(diǎn)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(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的結構。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )由傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)(sink)、Internet或通信衛星、任務(wù)管理節點(diǎn)等部分構成。傳感器節點(diǎn)散布在指定的感知區域內，每個(gè)節點(diǎn)都可以收集數據，并通過(guò)“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(fā)送給各節點(diǎn)。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(guò)Internet或通信衛星實(shí)現任務(wù)管理節點(diǎn)(即觀(guān)察者)與傳感器之間的通信。 2 無(wú)線(xiàn)測徑系統設計方案 整個(gè)系統由若干無(wú)線(xiàn)測徑傳感器節點(diǎn)、中繼節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)接口模塊和上位機組成，如圖2所示。其中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)按需要分布在各測最點(diǎn)，執行數據采集、預處理和傳輸等工作。中繼節點(diǎn)負責將傳感器節點(diǎn)所測得的數據轉發(fā)到上位機的無(wú)線(xiàn)接口。上位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式和各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行通信，向節點(diǎn)發(fā)送控制命令和收集數據，并對采集到的每個(gè)節點(diǎn)的微位移數據進(jìn)行智能分析、顯示和打印。 2.1 節點(diǎn)硬件系統設計 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)足組成網(wǎng)絡(luò )的最基本單元，它負責響應上位機的命令、采集并發(fā)送數據。本設計采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2節點(diǎn)模塊的設計思想，將節點(diǎn)分為傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線(xiàn)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轉換芯片CS5523；處理器模塊負責信號的運算處埋，由高速低功耗8位微處理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041組成；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責數據的發(fā)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。 2.1.1 傳感器平臺 本設計中傳感器平臺豐要實(shí)現對微位移的測量，其核心測量電路如圖4所示。 微位移測量采用差動(dòng)變壓器LVDT(Linear VariableDifferential Transformer)與接口芯片NE5521實(shí)現。LVDT結構是由在圓柱形骨架上繞有螺旋形的原邊和兩個(gè)付邊繞組所組成的線(xiàn)圈及一可動(dòng)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(diǎn)。NE5521是差動(dòng)變壓器信號轉換專(zhuān)用芯片，內部集成了交流激勵信號發(fā)生器、信號放大、信號解調電路和一個(gè)獨立的運算放大器，它只需外接幾個(gè)元件就可構成一個(gè)差動(dòng)變壓器變送器，且具有功耗低、體積小、使用方便等特點(diǎn)。適合本設計中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)對器件在功耗和休積等方面的要求。 實(shí)現過(guò)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(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L(cháng)VDT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輸入到同步解調器，取自12引腳的同步信號經(jīng)相位調節電路(R2_7和C2_5組成)調節后送入同步解調器。經(jīng)解調后的測量信號由引腳5送人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(jìn)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(wú)線(xiàn)通信平臺 無(wú)線(xiàn)通信平臺主要實(shí)現傳感器節點(diǎn)、中繼節點(diǎn)、七位機之間的數據傳輸，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000實(shí)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(diǎn)，其FSK數傳速度可達72.8kbps，具有250Hz步長(cháng)可編程頻率能力。CC1000與ATMEGA128通信通過(guò)三線(xiàn)串行接口(PDATA、PCLK、PALE)進(jìn)行。外圍元器件的參數是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下選配的。電路如圖5所示。 2.2 軟件系統的實(shí)現 由于整個(gè)節點(diǎn)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(zhuān)門(mén)針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的操作系統TinyOS(crossbow公司提供)，以及在此基礎上開(kāi)發(fā)的應用程序來(lái)實(shí)現整個(gè)系統的功能。TinyOS操作系統采用了輕量級線(xiàn)程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)、事件驅動(dòng)模式和組件化編程等思想，有效提高了節點(diǎn)CPU的效率、節約了系統功耗。TinyOS的元件庫包含網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅動(dòng)以及數據采集等工具。這些工具可以原樣使用，也可以經(jīng)過(guò)修改供定制系統使用，為傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用帶來(lái)了便利。下面說(shuō)明幾個(gè)主要功能的實(shí)現過(guò)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T(mén)inyOS的一個(gè)組件并嵌入其中，采用支持組件化編程的nesC語(yǔ)言來(lái)實(shí)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(shí)際電路中經(jīng)測試，當傳感器的位移量變化400μm時(shí)，信號經(jīng)處理后的變化量為45mV)，信號輸入方式為差動(dòng)輸入。在實(shí)際應用時(shí)，首先要進(jìn)行零點(diǎn)和滿(mǎn)度的標定，確保儀器工作在良好的線(xiàn)性范圍內，從而提高測量精度。接著(zhù)依次啟動(dòng)A／D的各個(gè)通道進(jìn)行數據采集，并分別讀入4組A／D轉換結果，然后進(jìn)行數字濾波處理，再將所得結果發(fā)送到上位機。 2.2.2 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的實(shí)現 本設計中對協(xié)議棧采用分層實(shí)現，主要包括物理層、數據鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層。物理層協(xié)議向數據鏈路層提供硬件操作接口。發(fā)送時(shí)，實(shí)現信道編碼算法，然后將編碼后的完整數據幀通過(guò)RF硬件接口發(fā)送出去；接收時(shí)，將數據從RF硬件接口中正確地提取出來(lái)，然后組成數據幀，再進(jìn)行信道解碼，并將解碼后的數據傳給數據鏈路層協(xié)議處理。數據鏈路層為相鄰的網(wǎng)絡(luò )實(shí)體間建立、維持和釋放數據鏈路連接，并傳輸數據鏈路服務(wù)數據單元。網(wǎng)絡(luò )層負責路由的生成與選擇，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接交換網(wǎng)絡(luò )服務(wù)數據單元。具體實(shí)現結構圖如圖6所示。 3 上位機功能實(shí)現 上位機采用VB6.0編程，由RS-232串口通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口模塊實(shí)現與中繼節點(diǎn)的串行通信。采用圖形化人機界面和數據處理平臺，可以實(shí)時(shí)顯示、儲存和分析測量數據，有效減少了以往測量過(guò)程中由人為因素帶來(lái)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(gè)系統的測量精度和測量效率。 無(wú)線(xiàn)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。本文所設計的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)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(jiǎn)單、工作穩定可靠、測量精度高、組網(wǎng)使用方便、抗干擾能力強，節點(diǎn)功能可擴展性強等優(yōu)點(diǎn)。目前，該測徑儀已在內蒙古某機械制造廠(chǎng)投入生產(chǎn)，取得了良好的應用效果。 |
