張　玉，胡艷軍

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230039)

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一種基于無源傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉，胡艷軍*

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230039)

無線無源傳感器的設(shè)計(jì)是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中關(guān)注的焦點(diǎn).傳統(tǒng)溫濕壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是單參數(shù)封裝系統(tǒng)，針對(duì)此系統(tǒng)輸出單一、可靠性低的特點(diǎn)，基于多參數(shù)混合封裝技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于無源傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng).該系統(tǒng)由基于STC(systemchip)89C52的定時(shí)計(jì)數(shù)采集、基于ZigBee協(xié)議棧無線自組網(wǎng)傳輸及上位機(jī)3部分構(gòu)成.結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有有效性和可行性.

無源傳感器；ZigBee協(xié)議棧；自組網(wǎng)；多參數(shù)

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，簡(jiǎn)稱WSN)的應(yīng)用越來越廣[1-3].對(duì)于易燃易爆、禁止明火及電等的特殊場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)無法提供可靠的電源，尤其是在一些密閉的監(jiān)控場(chǎng)景下,更是無法對(duì)有源傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電[4-5]，導(dǎo)致傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)無法使用.因此，無線無源傳感器[6-7]的設(shè)計(jì)和研究便成為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中關(guān)注的焦點(diǎn).國內(nèi)外學(xué)者研究了多種無源傳感器，如基于陶瓷材料的非接觸式無線無源壓力與溫度傳感器[8]、LC無源濕度傳感器的3種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[9]、基于圓柱形微波腔的無線無源溫度傳感器[10]等.目前的無源傳感器多是電磁耦合[11]供電，而且多是單參數(shù)封裝系統(tǒng)，即溫度濕度氣壓3個(gè)傳感信號(hào)是分別單獨(dú)輸出的，由于沒有完成供電電源與傳感信號(hào)的合二為一，也沒有實(shí)現(xiàn)多參數(shù)輸出，能源利用率低.筆者擬提出一種基于無源傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，使用多參數(shù)混合封裝頻率信號(hào)，采用STC89C52為主控芯片對(duì)輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，基于ZigBee[12-14]協(xié)議棧CC2530射頻模塊構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證.

1　無源傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

無源傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和次系統(tǒng)[15]，其中主系統(tǒng)完成載波功率發(fā)射和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)功能，次系統(tǒng)完成傳感器信息采集及轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)調(diào)制等功能.當(dāng)用戶需要讀取無源傳感器信息時(shí)，首先啟動(dòng)主系統(tǒng)發(fā)射載波，通過主次系統(tǒng)天線中的松散耦合變壓器將能量耦合到次系統(tǒng)中，次系統(tǒng)獲取能量后將采集傳感器數(shù)據(jù)，將信息組織成數(shù)據(jù)幀并調(diào)制到載波中.主系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)幀后，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)處理得到傳感器信息.

主系統(tǒng)由振蕩器、功率放大、天線、檢波、載波濾除、數(shù)據(jù)解調(diào)等功能模塊構(gòu)成，如圖1a所示.振蕩器產(chǎn)生載波信號(hào)經(jīng)過功率放大后，通過天線發(fā)射為次系統(tǒng)提供能量，次系統(tǒng)接收能量并將采集到的數(shù)據(jù)通過反向散射耦合回主系統(tǒng)天線中，然后主系統(tǒng)利用檢波、載波濾除和數(shù)據(jù)解調(diào)后，輸出傳感器信息.次系統(tǒng)包括溫濕壓傳感器系統(tǒng)和天線收發(fā)系統(tǒng)，如圖1b所示.天線系統(tǒng)包括能量存儲(chǔ)、負(fù)載調(diào)制、能量管理、分時(shí)復(fù)用振蕩器、分頻器、同步信號(hào)、容/頻(C/f)轉(zhuǎn)換器等功能模塊.

圖1　無線無源傳感器主次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　The primary and secondary system structure of wireless passive sensors

當(dāng)主系統(tǒng)進(jìn)行載波發(fā)射后，次系統(tǒng)通過能量管理模塊將天線獲得的能量?jī)?chǔ)存起來；當(dāng)儲(chǔ)存的能量滿足使用要求后，將驅(qū)動(dòng)C/f轉(zhuǎn)換器對(duì)傳感器信息進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；通過同步信號(hào)模塊和分時(shí)復(fù)用模塊等，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)按規(guī)則組織成數(shù)據(jù)幀；最后利用分頻器和無源負(fù)載模塊，通過反向散射調(diào)制將數(shù)據(jù)幀加載到載波中.

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，如密閉噴涂房車間，在密閉空間的內(nèi)部不同位置安放由溫濕壓傳感器系統(tǒng)和天線收發(fā)系統(tǒng)組成的無線無源多參數(shù)微納傳感器次系統(tǒng).在密閉房間外部，通過主次系統(tǒng)間的短距離遙測(cè)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行無線傳輸，將測(cè)得的溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來.

2　基于無源傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸軟硬件設(shè)計(jì)

筆者結(jié)合密閉噴涂房車間的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了基于無源傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸軟硬件設(shè)計(jì).置于玻璃噴涂房外的主系統(tǒng)使用直流電源直接供電，置于噴涂房?jī)?nèi)的無源傳感器次系統(tǒng)通過與主系統(tǒng)電磁耦合來獲取能量,并且將溫濕壓頻率信號(hào)數(shù)據(jù)調(diào)制到載波上，耦合回主系統(tǒng).

數(shù)據(jù)采集部分以8051為內(nèi)核的STC89C52芯片為主控芯片，STC89C52中的T1工作于定時(shí)器狀態(tài)，T0工作于計(jì)數(shù)器狀態(tài)，T2工作于波特率狀態(tài)(其產(chǎn)生9 600的波特率).將基于ZigBee協(xié)議棧的CC2530射頻模塊作為收發(fā)節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包處理，接收節(jié)點(diǎn)通過指令接受來自空中的數(shù)據(jù)，傳給計(jì)算機(jī)處理后，在上位機(jī)顯示.

硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2a所示.硬件分為2部分，一部分是底板，集成了12V轉(zhuǎn)5V及5V轉(zhuǎn)3.3V的電源電路、12V直流供電接口、USB接口、TTL接口、RS232接口、RS485/422接口、STC89C52芯片和一個(gè)CC2530插槽.另一部分為插槽中的CC2530射頻模塊，其中配有2.4G天線.系統(tǒng)的軟件編寫采用模塊化方法，設(shè)計(jì)總體流程如圖2b所示，整個(gè)系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和上位機(jī).

圖2　軟硬件設(shè)計(jì)流程Fig.2　The flow chart of hardware and software design

無源傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率為62.5Hz，同步信號(hào)為一段周期為16ms的恒高電平信號(hào)，軟件分離3個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，先找到同步信號(hào)，持續(xù)定時(shí)10μs，直到第一個(gè)下降沿產(chǎn)生，依次以16ms為采樣周期進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，順序讀取3個(gè)傳感器頻率.

上位機(jī)采用基于C++語言的MFC對(duì)話框窗口，除去串口設(shè)置與標(biāo)題文字，界面主要分為3個(gè)模塊：溫濕壓值顯示、溫濕壓值與頻率的關(guān)系顯示、可人工查詢的數(shù)據(jù)庫.

3　數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

3.1系統(tǒng)搭建與調(diào)試

軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試和分析驗(yàn)證.根據(jù)實(shí)地測(cè)試環(huán)境，要求系統(tǒng)接收多個(gè)噴涂房傳感器組網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，所以系統(tǒng)中需要使用4套發(fā)送設(shè)備和1套接收設(shè)備，選擇68號(hào)和69號(hào)噴涂房進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)房間安裝2個(gè)采集傳輸終端設(shè)備，上位機(jī)可獲取4個(gè)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息.

將搭建好的硬件系統(tǒng)的接收端連接到上位機(jī)，啟動(dòng)硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)演示界面如圖3所示.運(yùn)行基于C++語言編寫的MFC對(duì)話框窗口，打開串口，更新頻率與溫濕壓關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行頻率查詢與比對(duì)，讀取對(duì)應(yīng)頻率的溫濕壓數(shù)據(jù)，且實(shí)時(shí)顯示出不同噴涂房?jī)?nèi)的不同組溫濕壓傳感器的頻率以及溫濕壓值.

圖3　上位機(jī)軟件顯示Fig.3　The host computer software display

溫度的變化范圍為0～60 ℃，其梯度為2 ℃；濕度變化范圍為30%～95%，其梯度為2%；氣壓的變化范圍為600～1100hPa，其梯度為25hPa.為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性， 3組數(shù)據(jù)表中的值都是20次測(cè)量取平均值后的結(jié)果.從圖3可以看出，4套采集傳輸設(shè)備采集得到的數(shù)據(jù)在演示界面上得到了顯示，同一個(gè)房間內(nèi)的兩套傳感器采集設(shè)備得到的結(jié)果幾乎一致.

3.2性能評(píng)估

圖4　溫度、濕度及氣壓的實(shí)際和理論結(jié)果對(duì)比Fig.4　Practical and theoretical results comparison chart of temperature, humidity and pressure

測(cè)試分析無源傳感器在不同環(huán)境參數(shù)下的應(yīng)變性能，以便得到相關(guān)信息.將無源傳感器置于溫濕壓變化箱，每次固定其中兩參數(shù)為常態(tài).圖4a為測(cè)量出的溫度傳感器頻率的實(shí)際值與示波器跟蹤結(jié)果(理論值)隨溫度變化的曲線對(duì)比；圖4b為濕度傳感器頻率的實(shí)際值與理論值隨濕度變化的曲線對(duì)比；圖4c為氣壓傳感器頻率的實(shí)際值與理論值隨氣壓變化的曲線對(duì)比.

由圖4可以看出，3種情形下的實(shí)際值和理論值的誤差均很小，均在允許的誤差范圍內(nèi)，且實(shí)際值與理論值的曲線變化趨勢(shì)相同，由此表明該系統(tǒng)具有可行性與可靠性.

4　結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種基于無源傳感器的溫濕壓數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無源傳感器的頻率作為輸出信號(hào)，采用對(duì)頻率信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取.采用搭建的數(shù)據(jù)采集傳輸軟硬件平臺(tái)和上位機(jī)軟件測(cè)試系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，整個(gè)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性.該系統(tǒng)可應(yīng)用于設(shè)備間接供電的領(lǐng)域.

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(責(zé)任編輯鄭小虎)

Thedesignofdatacollectionandtransmissionsystembasedonpassivesensors

ZHANGYu，HUYanjun*

(KeyLaboratoryofIntelligentComputing&SignalProcessing,MinistryofEducation,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)

Thedesignofwirelesspassivesensorisanimportantissueinsensornetworkapplications.Inthispaper,traditionaltemperature，humidityandpressuredataacquisitionsystemwasasingleparameterpackagesystem，aimedatthecharacteristicsofsingleoutputandlowreliabilityofthesystem,adatacollectionandtransmissionsystembasedonpassivesensorsandmulti-parameterhybridpackagingtechnologywasdesigned.Thissystemwascomposedbythreeparts,thehostcomputer,timecountingsamplingbasedonSTC(systemchip) 89C52andwirelessadhocnetworktransmissionbasedonZigBeeprotocolstack.Combinedwiththepracticalapplicationofthehardwareandsoftwaredesignofthesystem,theactualtestresultsshowedthatthesystemwaseffectiveandfeasible.

passivesensors；ZigBeeprotocolstack；adhocnetworks；multi-parameter

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.02.011

2015-10-07

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA041101)

張玉(1989-)，男，安徽亳州人，安徽大學(xué)碩士研究生；*胡艷軍(通信作者)，安徽大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:yanjunhu@ahu.edu.cn.

TN914

A

1000-2162(2016)02-0062-05