孟慶生　徐中干

摘要：本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)量電壓、電量、電流和功耗四種參數(shù)。系統(tǒng)以SI1000芯片為核心，多個(gè)測(cè)量?jī)x通過無線方式組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線收發(fā)基站與上位機(jī)通信，使用RS232或USB協(xié)議將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳并進(jìn)行處理或顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，誤差在可控范圍內(nèi)，從而較準(zhǔn)確地測(cè)量出所需參數(shù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電參數(shù)測(cè)量；無線測(cè)量?jī)x；無線收發(fā)基站；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0195-02

0 前言

目前，隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器層出不窮。而在一些特定的環(huán)境下，可能需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)電參數(shù)，或者還需要繪出所測(cè)參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，現(xiàn)有的很多儀器無法滿足[1]。針對(duì)這一需求，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)量電壓、電流、電量和功耗四種參數(shù)，并具有有線、無線兩種傳輸方式，自動(dòng)量程測(cè)量等功能，大大擴(kuò)展了原有的測(cè)量功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)中的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由多個(gè)無線測(cè)量?jī)x、無線收發(fā)基站和上位機(jī)三部分組成[2]。

無線測(cè)量?jī)x是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，由本地顯示與控制模塊、電參數(shù)測(cè)量模塊、電源管理模塊以及核心控制器與通信模塊組成。其中電參數(shù)測(cè)量模塊是無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)的核心部分，該模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并發(fā)送給核心控制器。核心控制器將數(shù)字信號(hào)處理得到用戶需要的信息，通過通信模塊上傳到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，或者利用有線方式使用USB接口上傳到上位機(jī)。電源管理模塊可實(shí)現(xiàn)充放電控制、電源適配器輸入控制、USB供電等功能。顯示和控制模塊用于控制和顯示測(cè)量的參數(shù)數(shù)值、通信模式等[3]。

無線測(cè)量?jī)x與無線收發(fā)基站構(gòu)成了星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線收發(fā)基站負(fù)責(zé)采集各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過RS232或USB通訊協(xié)議上傳到上位機(jī)進(jìn)行分析處理并顯示。

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 核心控制器與通信模塊

本設(shè)計(jì)中核心控制器與通信模塊采用Silicon Labs公司的Si1000芯片，該芯片結(jié)合了8051內(nèi)核、240～960 MHz高穿透力的RF收發(fā)器、64KB Flash和10位ADC，具有性能優(yōu)越、接收靈敏度高以及低功耗等特性。通信模塊為采集的數(shù)據(jù)加上前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度及CRC校驗(yàn)字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。為保證接收的正確性，無線接收程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包并檢驗(yàn)CRC字節(jié)[4]。

2.2 電參數(shù)測(cè)量模塊

在本設(shè)計(jì)中，電量和功耗測(cè)量采用LTC2942電量測(cè)量芯片。為滿足測(cè)量精度要求，電量測(cè)量電路分為大、小量程兩個(gè)電路，區(qū)別在于采樣電阻不同，分別使用10毫歐和50毫歐的精密電阻，芯片通過其上的電壓計(jì)算出電流，進(jìn)而得到單位時(shí)間內(nèi)的電量值[5]。 小量程測(cè)量范圍為0-1A，精度0.1mA。大量程測(cè)量范圍為1A-5A，精度1mA。利用LTC2942的片選端口和光耦繼電器實(shí)現(xiàn)量程切換。

電壓測(cè)量采用LTC1858芯片，電壓信號(hào)通過分壓電路進(jìn)入輸入端口，使用光耦繼電器和穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)，電壓測(cè)量電路量程為0-150V。

功耗測(cè)量使用測(cè)量節(jié)點(diǎn)自放電的方式，將能量提供給測(cè)試板，由測(cè)量電路測(cè)出電流值，電壓測(cè)量電路測(cè)出電壓值，兩者相乘得出功耗值。

2.3 本地顯示與控制模塊

為了滿足用戶本地測(cè)量的需要，無線測(cè)量?jī)x還具備本地顯示功能，可通過LCD液晶屏和按鍵實(shí)現(xiàn)。液晶屏可顯示測(cè)量參數(shù)值和通信模式。用戶通過軟開關(guān)、通信模式選擇、測(cè)量參數(shù)選擇和手動(dòng)量程選擇四個(gè)按鍵進(jìn)行操作。

2.4 無線收發(fā)基站

無線收發(fā)基站主要完成網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚，同時(shí)負(fù)責(zé)向上位機(jī)上報(bào)。本設(shè)計(jì)中基站的控制與通信模塊同樣以SI1000芯片為核心，發(fā)射頻段為433MHz。無線收發(fā)基站與上位機(jī)通信同時(shí)具有串口和USB兩種通信方式。串口通信利用MAX232實(shí)現(xiàn)[6]。

3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)使用有線和無線兩種通信方式，多個(gè)無線測(cè)量?jī)x和一個(gè)無線收發(fā)基站組成星型無線網(wǎng)絡(luò)，使用無線通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。而無線基站與上位機(jī)采用RS232傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。具體實(shí)施步驟如下：

3.1 初始化

（1）在布置無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)前，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，編號(hào)大小為兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)號(hào)，第二個(gè)字節(jié)表示具體節(jié)點(diǎn)號(hào)，基站節(jié)點(diǎn)為0號(hào)節(jié)點(diǎn)。

（2）系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行組網(wǎng)，將周圍的無線測(cè)量子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

（3）所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步?；臼紫葘r(shí)間信息廣播給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在調(diào)整好時(shí)間的同時(shí)，傳輸給區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)，完成時(shí)間同步[7]。

3.2 進(jìn)入工作模式

（1）每個(gè)節(jié)點(diǎn)以輪循方式依次向基站上傳數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔由上位機(jī)設(shè)定。

（2）基站通過RS232或USB協(xié)議將匯集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件架構(gòu)如圖2所示，上位機(jī)接收到一個(gè)完整數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷正確后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在上位機(jī)顯示并放入數(shù)據(jù)庫(kù)，如果出錯(cuò)會(huì)改變字體顏色進(jìn)行提示。

軟件具有以下幾個(gè)方面的功能：

（1）調(diào)節(jié)采樣頻率?？筛鶕?jù)需要調(diào)整采樣頻率，獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（2）把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便知道其實(shí)時(shí)狀態(tài)。

（3）將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)曲線，被測(cè)對(duì)象的變化一目了然，便于觀測(cè)某些參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。

（4）用戶可以對(duì)被測(cè)對(duì)象的歷史狀態(tài)進(jìn)行查詢，既可以生成歷史數(shù)據(jù)曲線，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出excel文件進(jìn)行查看或者打印。

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)的參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)可適用于需要測(cè)量電壓、電流、功耗等多個(gè)參數(shù)的場(chǎng)合，且可完成多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，將多個(gè)無線測(cè)量?jī)x置于實(shí)驗(yàn)室中，使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的電壓、電流信號(hào)輸出作為系統(tǒng)輸入，信號(hào)源為普源DG1022U型號(hào)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通信距離為20米左右，電壓和電流信號(hào)的非線性誤差不大于1%，10次測(cè)量的重復(fù)性誤差不大于2%，這反映了文中設(shè)計(jì)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)具有良好的工作性能，如表1所示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)條件下，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，這為今后的實(shí)際應(yīng)用提供了較好的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步的多傳感器信息融合也提供了較好的研究基礎(chǔ)和平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：A measurement system of electrical parameters based on wireless sensor network is presented in this paper， which can measure four parameters： voltage， electric quantity， current and power consumption. The system takes SI1000 chip as the core， and many measuring instruments form a sensor network by wireless mode. They communicate with the host computer through wireless transceiver base station， and upload and process or display the measured data using RS232 or USB protocol. The experimental results show that the system runs stably and can realize reliable wireless data transmission. The error is within the controllable range， so the required parameters can be measured accurately.

Key words：wireless sensor network；electrical parameter measurement；wireless measuring instrument；wireless transceiver base station；host computer