洪萬帆，蘇淑靖（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

洪萬帆，蘇淑靖*
（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：針對(duì)惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)程未知監(jiān)測(cè)區(qū)域，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集比較困難和危險(xiǎn)的問題，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的無線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以FPGA為主控芯片，系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，包括含有實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信功能的USB數(shù)據(jù)接口模塊、調(diào)理轉(zhuǎn)換聲音信號(hào)的采集調(diào)理模塊、無線通信的無線收發(fā)模塊、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊、負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)供電的電源管理模塊。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)最終可實(shí)現(xiàn)在24 kHz的采樣率下對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頻率為1 kHz的不同聲音信號(hào)高精度采集。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；FPGA控制；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51275491)

無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是一門新興的綜合性科學(xué)技術(shù)，涉及到傳感器技術(shù)、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)等，因其涉及知識(shí)高度集成、多學(xué)科高度交叉，是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域［1-2］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Net?work）由分布在被測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量運(yùn)動(dòng)的或靜止的具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和協(xié)同合作能力的微傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)微傳感器針對(duì)不同的被測(cè)物理量，以多跳和自組織的方式構(gòu)成覆蓋整個(gè)被測(cè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)［3］。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知和采集信息，并進(jìn)行處理，以獲得更為詳盡而準(zhǔn)確的信息，即而達(dá)到在室內(nèi)可以感知外界世界的目的，真正做到現(xiàn)實(shí)、人類社會(huì)與計(jì)算機(jī)世界的交互［4-6］。因其體積小且集成度高，成本低，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，明顯降低布線成本，能應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)控制、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國防、生物醫(yī)療、空間海洋探索、城市管理等許多領(lǐng)域［7］。

1　系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)主要由控制管理部分、數(shù)據(jù)采集調(diào)理部分、USB接口部分、9xtend無線通信部分、RS232接口部分、存儲(chǔ)部分、電源管理部分組成。

系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊主要是通過聲傳感器對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后將數(shù)字信息傳遞到控制管理模塊；控制管理模塊主要是對(duì)接收到的數(shù)字信息進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)施相應(yīng)的操作；USB接口模塊與RS232接口模塊主要實(shí)現(xiàn)的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信；存儲(chǔ)模塊的主要功能是對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行存儲(chǔ)，在試驗(yàn)后可通過對(duì)比來提高產(chǎn)品研發(fā)的效率；9xtend無線通信模塊實(shí)現(xiàn)的是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳遞和命令收發(fā)；電源管理模塊則是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的各個(gè)功能模塊供電，從而起到節(jié)能的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)高效平穩(wěn)的工作。

圖1　系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖

2　采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1主控芯片模塊設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)采用的FPGA芯片是Spartan-3AN系列的XC3S1400AN芯片，該系列芯片主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是優(yōu)越的SRAM模式，保證FPGA的高性能，其非易失性可有力的保證FPGA穩(wěn)定工作；二是其接口較多且封裝小，能夠減小硬件設(shè)計(jì)時(shí)電路板尺寸，以便于產(chǎn)品向微型化和高集成度方向發(fā)展。XC3S1400AN芯片有1 400個(gè)系統(tǒng)門，8個(gè)DCM，最大可用I/O口502個(gè)，最大差分I/O口227個(gè)，其中引出了40個(gè)擴(kuò)展接口，這樣可以更方便的與其他硬件電路實(shí)現(xiàn)連接，從而提高節(jié)點(diǎn)的通用性。

2.2通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊分為9XTend無線收發(fā)模塊和USB數(shù)據(jù)接口模塊。無線收發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的異步串行數(shù)據(jù)傳遞和命令收發(fā)，9XTend內(nèi)核設(shè)備為射頻模塊XT09-SI型號(hào)產(chǎn)品，是Digi公司出品的一款I(lǐng)SM 900 MHz頻段產(chǎn)品。USB數(shù)據(jù)接口模塊使用由FTDI公司開發(fā)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的FT245BL芯片來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，F(xiàn)T245BL芯片內(nèi)部制定了兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（FIFO），分別是128 byte的接收緩沖區(qū)（接收FIFO）和384 byte的發(fā)送緩沖區(qū)（發(fā)送FIFO）。這兩個(gè)FIFO是USB總線數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)格式的匹配緩沖區(qū)，在本節(jié)點(diǎn)中就是FT245BL與硬件主控制器FPGA的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

2.3采集調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的采集調(diào)理模塊包括聲傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片。節(jié)點(diǎn)選用的聲傳感器為北京聲望公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號(hào)為MPA416，長度為61 mm，可響應(yīng)的頻率范圍為20 Hz至20 kHz，輸出接口為SMB，需4 mA的恒流源供電，最大電壓24 V，動(dòng)態(tài)范圍29 dB/A~127 dB/A，靈敏度（50±2）dBmV/Pa，本底噪聲為29 dB/A。

2.3.1調(diào)理電路設(shè)計(jì)

聲傳感器需4 mA的恒流源供電，所以設(shè)計(jì)恒流源電路中選用了LM134芯片；設(shè)計(jì)中需產(chǎn)生一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓，故選用了半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的芯片LM136。

圖2所示為采集通道信號(hào)調(diào)理電路，選用的是壓控電壓源二階高通濾波電路，圖中2.5 V基準(zhǔn)電壓用于產(chǎn)生直流偏置的作用，模擬信號(hào)進(jìn)入采樣調(diào)理電路后經(jīng)過濾波、放大、偏置和跟隨后可以保持在0~5 V的范圍內(nèi)輸出以滿足芯片ADS8365的采樣需求。

2.3.2采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一點(diǎn)是要還原原來的模擬信號(hào)，這就需要采樣信號(hào)有足夠高的采樣頻率。根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換過程時(shí)，采樣頻率至少要大于信號(hào)中最高頻率的2倍，而在一般的應(yīng)用中要保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5倍~10倍，才能較好的還原原來模擬信號(hào)的信息［8］。在時(shí)鐘的頻率設(shè)計(jì)上，本節(jié)點(diǎn)選用了18.432 0 MHz的外部晶振，在程序的編寫上，首先進(jìn)行2倍頻，然后再進(jìn)行32分頻，從而能將1.152 MHz的時(shí)鐘輸入到ADS8365的時(shí)鐘端。在設(shè)計(jì)時(shí)，將采樣率定為單通道24 kHz，這需要對(duì)倍頻后得到的36.864 MHz時(shí)鐘4分頻，這樣可以得到9.216 MHz。之后用9.216 MHz作為FPGA內(nèi)部采集模塊的時(shí)鐘，在這個(gè)模塊內(nèi)對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，每一個(gè)循環(huán)周期是384個(gè)計(jì)數(shù)值，計(jì)算出f=9.216 MHz/384=24 kHz，這就是單通道的采樣率。本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的采集模擬量信號(hào)最高頻率為1 kHz，因此將各通道采樣率設(shè)置為24 kHz可滿足設(shè)計(jì)要求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）芯片是采集部分的重要組成，本節(jié)點(diǎn)選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ADS8365。它的特點(diǎn)是速度快、功耗低、6個(gè)通道同步采樣、16位并行接口、+5 V供電。ADS8365的時(shí)鐘頻率范圍為0.05 MHz到5 MHz，由芯片資料可知，當(dāng)輸入時(shí)鐘為3 MHz時(shí)，單路通道數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到100 ksample/s，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5.5 μs；在時(shí)鐘輸入為5 MHz時(shí)，其有16.5個(gè)時(shí)鐘的轉(zhuǎn)化時(shí)間和3.5個(gè)時(shí)鐘的獲得時(shí)間（ADS8365轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖3所示）。其電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，通過FPGA來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集模擬量和轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量交由FPGA處理。

圖2　調(diào)理電路原理圖

圖3　ADS8365轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

圖4　采集電路原理圖

2.4存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

在室外實(shí)際應(yīng)用中，需要節(jié)點(diǎn)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以便于后期數(shù)據(jù)的分析和研究，所以電路中設(shè)計(jì)了FLASH存儲(chǔ)模塊。在硬件電路設(shè)計(jì)中選用FLASH芯片的型號(hào)為K9WBG08U1M，大小為4 Gbyte，該芯片內(nèi)部有兩個(gè)Device，1個(gè)Device有4個(gè)Plane，1個(gè)Plane中有2 048塊，1塊有64頁，1頁有4K字節(jié)，如圖5所示為FLASH硬件設(shè)計(jì)原理圖。

圖5　FLASH原理圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過聲音校準(zhǔn)儀發(fā)出聲音信號(hào)源，聲信號(hào)源的參數(shù)為1 kHz、114 dB，傳感器節(jié)點(diǎn)中的聲傳感器接收到聲信號(hào)后轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)進(jìn)入采集調(diào)理電路，然后由FPGA控制轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。根據(jù)芯片手冊(cè)提供的聲壓級(jí)計(jì)算公式：SPL(dB)=20，傳感器的靈敏度為50 mV/Pa?？梢缘贸鰝鞲衅髟诮邮?14 dB的聲音信號(hào)時(shí)輸出的電壓為0.501 2 V，進(jìn)入調(diào)理電路后輸出的電壓為920 mV~4.04 V，然后進(jìn)入芯片ADS8365。

利用24 kHz的采樣率對(duì)聲音校準(zhǔn)儀發(fā)出的不同聲音信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口回傳至上位機(jī)，最后通過上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行還原。1列~12列為通道采集的數(shù)據(jù)，采樣率為24 kHz，采集的聲音信號(hào)頻率為1 kHz，12個(gè)點(diǎn)為一個(gè)周期，13列、14列為幀計(jì)數(shù)，15列、16列為幀尾。如圖5~ 圖7所示為上位機(jī)還原出來的波形，可以看出，在24 kHz的采樣率下，還原出來的信號(hào)光滑無毛刺。

圖6　通過上位機(jī)軟件還原出的采樣正弦波形

圖7　通過上位機(jī)軟件還原出的采樣方波波形

圖8　通過上位機(jī)軟件還原出的采樣三角波形

4　結(jié)束語

通過將大量聲音傳感器空投到未知監(jiān)測(cè)區(qū)域的方式，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過上位機(jī)軟件還原采集到的波形，由波形數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)聲音信號(hào)的高精度采集。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只選擇了采集聲音信號(hào)的聲音傳感器，如果將聲音傳感器換成其他類型的傳感器，如溫度、壓力等傳感器，即可采集未知區(qū)域內(nèi)的這些參數(shù)。

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洪萬帆（1989-），男，漢族，湖北黃梅人，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，碩士，主要研究方向電路與系統(tǒng)、信號(hào)處理，372401321@qq.com；

蘇淑靖（1971-），女，漢族，山西呂梁人，中北大學(xué)副教授，博士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試技術(shù)、電路系統(tǒng)。

The Neural Network in the Application in the Design
of Solar Radiation Sensor*

WEI Zhongshan1*，WANG Lihu2，MING Xin1

（1.Department of Computer and Electronic Information Engineering，Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226，China；2.College of Physical Science and Technology，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：In order to measure the solar irradiance achieve the purpose of maximizing the efficiency of photovoltaic power station，a solar irradiance measurement method is present based on neural network. The method can be used to directly maximize the efficiency of photovoltaic power station. The proposed sensor composed of a micro controller for a photovoltaic cell，a temperature sensor and the micro-controller is a low cost. Preliminary estimates indicate that the proposed sensor is of low cost，so the device is a good substitute for large-scale deployment of photovoltaic power station. And the proposed method is validated by the experimental prototype，the results show compared with commercial devices，sensor designed in this paper can more accurately track the solar irradiance in the photovoltaic power station.

Key words：Neural network；photovoltaic cells；temperature sensor；solar irradiance

doi：EEACC：129510.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.039

收稿日期：2015-06-09修改日期：2015-08-14

中圖分類號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0180-06