蔡　亮，王曉榮，諸葛云，周　凱，陸志峰

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京　210009)

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由許多傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)組成的一種自組織無線網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)主要由網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)、路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、CAN總線、監(jiān)控軟件幾部分組成。如圖1。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)：安裝在液壓支架上，對其前支柱、后支柱、前身梁3點(diǎn)的壓力進(jìn)行采集。

路由節(jié)點(diǎn)：作為通訊的中繼，實(shí)現(xiàn)sink節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的通信，起到傳遞數(shù)據(jù)和命令的作用，同時在網(wǎng)絡(luò)中可以轉(zhuǎn)發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)中的遠(yuǎn)距離通訊。

Sink節(jié)點(diǎn)：作為整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、分配地址、匯總信息等功能。

由于液壓支架在井下是直線型排列，傳感器節(jié)點(diǎn)也應(yīng)為帶狀分布。因此3種節(jié)點(diǎn)布局為層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。

2　無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要有sink節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)。它們在無線部分配置基本一致，都選用高性能、低功耗的STM32W108芯片為通信器件。但考慮到通訊的覆蓋面積和使用方便性，傳感器節(jié)點(diǎn)需由電池供電并選用低功耗的負(fù)載芯片，路由節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)可由直流電源供電。下面以傳感器節(jié)點(diǎn)為例，具體說明，如圖2所示。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、信號處理單元、按鍵、電源管理單元、通信單元、顯示單元組成。

2．1采集單元

測壓傳感器選用擴(kuò)散硅式壓力傳感器，有別于傳統(tǒng)的硅應(yīng)變片式傳感器，其具有測量精度高，穩(wěn)定性好、使用壽命長等特點(diǎn)，同時固化結(jié)構(gòu)中有極大的內(nèi)部阻抗，功耗更低。設(shè)計(jì)中為了達(dá)到較好的線性度，采取恒流源供電方案。同時選用具有較寬共模輸入范圍的集成單電源儀表放大器AD623，其使用簡單，功耗低，最大工作電流為550 μA．

2．2數(shù)據(jù)處理與通訊

STM32W108是一個完全集成的系統(tǒng)芯片，該芯片集成了符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、Flash閃存、RAM存儲器以及基于ZigBee系統(tǒng)使用的很多通用外設(shè)[2]。相比現(xiàn)在常用的ZigBee芯片內(nèi)嵌的8位MCU(8051)，其32位處理器處理能力更快，同時在保持低功耗的基礎(chǔ)上，內(nèi)部自帶有功率放大器(PA)，發(fā)射功率可達(dá)+7 dBm，能獲得更大的通信距離。

STM32W108在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺中作為節(jié)點(diǎn)的控制器與收發(fā)器。內(nèi)部自帶有12位的A/D轉(zhuǎn)換將經(jīng)處理放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，軟件中通過一定算法換算，最終在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前壓力值?？紤]到節(jié)省電量，傳感器節(jié)點(diǎn)選用數(shù)碼管顯示，不需要查看時被關(guān)閉，工作人員可通過手動或光照開啟數(shù)碼管。

芯片內(nèi)部集成了RF收發(fā)功能，為了更好地引入諧波信號，在雙向的RF端口(引腳RF_P和RF_N)需匹配相應(yīng)硬件電路，包括外置的帶通濾波器濾除不需要的諧波；由電感、電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化RF性能，如圖3。

圖3　天線匹配電路

圖中左側(cè)電感L1串聯(lián)電容C22構(gòu)成了匹配網(wǎng)絡(luò)，防止由于天線阻抗隨環(huán)境的變化而變化從而改變整體電路的阻抗。J1一路可以使用外部天線作為增強(qiáng)信號使用，設(shè)計(jì)中選用50 Ω鞭狀天線。

2．3電源管理

由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，為了保證電池的使用壽命，需要考慮電能消耗問題。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，分2部分供電，一路是模擬電源部分：供給傳感器、恒流源、調(diào)理電路部分；另一路是數(shù)字電源供電：供給CPU和顯示單元。

模擬電源由一個MOS管來控制通斷，在節(jié)點(diǎn)不需要采集時關(guān)斷模擬電源部分，節(jié)省不必要的電能消耗。由數(shù)字供電的STM32W在深睡眠和正常工作兩種模式下切換，當(dāng)采集的壓力值需傳輸時開啟自身的RF射頻通訊功能，一般關(guān)閉不用外設(shè)，盡量降低功耗。

2．4其他節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的顯示模塊都采用液晶顯示，可以包含更多信息，并對自身網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)更新顯示，方便檢查。這兩個節(jié)點(diǎn)不會進(jìn)行深睡眠，一直處于工作狀態(tài)，可以不斷查詢網(wǎng)絡(luò)。

3　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

STM32W108的硬件集成了IEEE 802．15．4的大部分MAC需求，其具有CRC計(jì)算、添加和校驗(yàn)，RAM數(shù)據(jù)包自動發(fā)送、自動應(yīng)答傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3．1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通訊架構(gòu)需要由Sink節(jié)點(diǎn)來形成網(wǎng)絡(luò)并發(fā)起廣播，路由、傳感器節(jié)點(diǎn)搜索信道網(wǎng)絡(luò)，并申請加入，如圖4。初始化包括硬件初始化、串口初始化、中斷使能、對隨機(jī)數(shù)生成器播種等[3]。

圖4　Sink節(jié)點(diǎn)流程圖

Sink節(jié)點(diǎn)的作用是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后就可以給申請加入網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)分配地址創(chuàng)建列表，接收子節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)傳輸中主要是從無線網(wǎng)絡(luò)到CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，方便數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測機(jī)。

另外，反向方式可以向下傳送監(jiān)測機(jī)的命令指令，Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送，由傳輸數(shù)據(jù)包內(nèi)容決定執(zhí)行的子節(jié)點(diǎn)和命令內(nèi)容(參考3．2節(jié)內(nèi)容)。

路由節(jié)點(diǎn)主要包括液晶顯示和電源管理，起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和顯示作用，在初始化完成后嘗試加入網(wǎng)絡(luò)建立路由表，然后將傳感器節(jié)點(diǎn)傳上來的數(shù)據(jù)包解析，直接轉(zhuǎn)發(fā)給sink節(jié)點(diǎn)或者由路由節(jié)點(diǎn)之間相互通訊(中繼作用)最終送給sink節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和上傳，如圖5所示。加入網(wǎng)絡(luò)前的初始化部分與sink節(jié)點(diǎn)相類似，然后廣播發(fā)送一個SEARCH幀在信道上循環(huán)搜索，當(dāng)?shù)玫絪ink節(jié)點(diǎn)的允許后會收到一個AVAILABLE幀，更新自己的PAN ID和sink節(jié)點(diǎn)保持一致，并且單播發(fā)送一個JOIN幀給指定sink節(jié)點(diǎn)。如果sink節(jié)點(diǎn)在自己的地址列表中沒有找到空余項(xiàng)就單播發(fā)送一個拒絕幀，否則將分配的一個短ID單播發(fā)送。

圖5　傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

由于電池供電的特點(diǎn)，如果每次將采集的壓力值都上傳，會造成節(jié)點(diǎn)能量的大量損耗，而且小段時間數(shù)據(jù)的意義不大，所以設(shè)計(jì)中采取定時采集、壓差傳輸?shù)姆绞?。芯片采取?nèi)部睡眠定時喚醒模式，定時時間可以由軟件修改，方便監(jiān)控機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)；采集時將壓力值與上次發(fā)送保留的數(shù)值比較，如果超過限定門限就打開無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和采集時間，并將此次壓力值替換原來的存儲值，否則關(guān)閉外設(shè)，直接進(jìn)入睡覺模式等待下一次喚醒。

3．2通信協(xié)議

Sink節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)通信時，所有的命令、應(yīng)答均以表1所列的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行[5]。

表1　命令、應(yīng)答數(shù)據(jù)包格式

所有的包都是以0x7C、0x42作為開始字段，0x7C作為結(jié)束字段，負(fù)載包括注釋(MSG_HEADER，如表2)部分和數(shù)據(jù)(MSG_DATA)部分。如果負(fù)載數(shù)據(jù)中出現(xiàn)0x7C則由0x7D 0x5C代替，如果數(shù)據(jù)中有0x7D，則用0x7D 0x5C代替。

上傳和下傳的數(shù)據(jù)包格式都按表1所列，只有MSG_DATA部分內(nèi)容不同。上傳數(shù)據(jù)時MSG_DATA包含字段如表3，下傳數(shù)據(jù)如表4。

表2　MSG_HEADER包含字段

表3　上傳數(shù)據(jù)字段

表4　下傳數(shù)據(jù)字段

4　試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，搭建了測試系統(tǒng)平臺。采用VB軟件編寫一個上位機(jī)監(jiān)控界面，系統(tǒng)中有4個sink節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)添加13個終端節(jié)點(diǎn)到自己的網(wǎng)絡(luò)中，CAN總線采用主從模式將4個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到PC監(jiān)測機(jī)。

圖6為監(jiān)控機(jī)上第二個sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中某一次手動詢問13個節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，壓力值顯示為50 MPa左右。系統(tǒng)可以采取自動詢問方式，設(shè)定時間間隔，定時更新數(shù)據(jù)。在折線圖的下拉菜單中可以看到一段時間數(shù)據(jù)的曲線圖，或者根據(jù)數(shù)據(jù)庫畫出歷史曲線。

圖6　多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

如圖7所示，數(shù)據(jù)庫中記錄了每一個網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)值、記錄時間、描述信息等內(nèi)容。

圖7　數(shù)據(jù)庫

試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)上可行，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井下壓力點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。

5　結(jié)束語

本套系統(tǒng)是基于STM32W108模塊的應(yīng)用，從耗電管理、數(shù)據(jù)傳輸方面規(guī)劃了各節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，與現(xiàn)在市場上使用的監(jiān)測系統(tǒng)具有以下區(qū)別：擴(kuò)散硅傳感器精度高，耗電少，使用壽命長；無線通訊傳輸無需復(fù)雜布線，避免傳輸電纜經(jīng)濟(jì)性差的缺陷；操作便利，降低勞動成本，可以在監(jiān)測機(jī)上遠(yuǎn)程操作，實(shí)時更新；新型IC芯片使用，各方面性能更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡少軒．基于CC2430液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究．煤礦機(jī)械，2011，32(9)：142-145．

[2]沈建華，郝立平．STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)原理儀應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010．

[3]STMicroelectronics．STM32W108HB STM32W108CB DataSheet．http：//www．st．com/mcu，2010．

[4]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)．煤礦機(jī)械，2010，31(10)：139-141．

[5]Wikipedia．ZigBee．http：//en．wikipedia．org/wiki/ZigBee，2010．