基于复合量程加速度计的无线传感器网络设计*

闫明明，郭 涛，龚 珊

（1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;2．中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

随着MEMS工艺水平的不断提高，MEMS器件的应用范围越来越广，从工业生产到航天科技，MEMS器件的身影随处可见［1］。作为一种新型MEMS器件，复合量程加速度计解决了常规弹药制导化应用中采用多个不同量程加速度计测量所带来的安装不便和误差问题［2］。但是，常规的有线测试方法需要大量的人力物力来铺设数据采集设备，并且信号在传输线传输过程中会受到噪声干扰，尤其是长电缆传输甚至会导致信号失真或者无效［3］。针对以上问题，本文提出了一种基于复合量程加速度计的无线传感器网络（WSNs）。

1 无线传感器网络系统结构

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络［4］，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

如图1所示，无线传感器网络系统主要由传感器节点、基站模块，以及数据中心构成。

图1 系统结构模型Fig 1 Structural model of system

传感器节点采用分布式安装，每一个节点均可完成加速度信号的感应与调理，并将调理后的信号经A/D转换成数字信号。传感器节点上配置的无线收发模块实时将数字信号传输到基站，基站通过RS—232接口将此信号传输到数据中心，经数据中心的处理模块处理后数据在PC机上进行显示并存储。

1．1 传感器网络拓扑结构

Zig Bee协议的无线网络拓扑结构有3种:星形结构、网格状结构和树形结构［5］，如图2。

图2 无线网络拓扑结构Fig 2 Topology structure of wireless networks

主要考虑到星形网络需要的协调器数量少，而协调器的功耗是普通终端节点的几十倍甚至上百倍，采用星形网络可以大幅度降低整个无线传感器网络的总体功耗。另外，点对点网络的各网段终端设备间的数据传输必须经过协调器［6］，协调器内部的路由表复杂、不易维护和实时管理。所以，本设计采用星形网络拓扑结构。

1．2 传感器节点设计

本设计采用复合量程加速度计、信号调理电路、数字处理模块、无线收发模块等四部分构成传感器节点，硬件结构如图3所示。

图3 传感器节点硬件结构Fig 3 Hardware structure of sensor node

复合量程加速度计输出的微弱电压信号经放大电路放大后进入滤波电路，二阶高通滤波电路与低通滤波电路将通频带限制在5～2 kHz，滤除不需要的杂波;数字控制芯片选用ATMEL公司8位单片机的最高配置的一种单片机ATmega128，数字控制模块将模拟量转换成数字量进行存储并传递给无线收发模块的主芯片CC2530;传感器节点的CC2530工作在终端节点模式，接收到单片机数据信号后，将目标地址、数据、自身地址打包后自行调制并发射到空气中。

传感器节点程序流程图如图4所示。

图4 节点程序流程图Fig 4 Program flow chart of nodes

1．3 基站模块设计

基站模块采用无线收发模块、数字处理模块、RS—232电平转换电路等部分构成。硬件结构如图5所示。

图5 基站模块硬件结构Fig 5 Hardware structure of base station module

基站模块中的CC2530无线收发模块在整个无线传感器网络中作为协调器，具有建立Zig Bee无线传感器网络、对申请入网的各个终端节点分配网络地址等重要功能［7］，是整个无线传感器网络中的核心。该无线收发模块检测到空气中有来自该网络的节点的数据时，便将数据截获并自行解调后存储到存储芯片中的固定区域，每存储一定字节的数据后发送一个脉冲通知主控芯片（ATmega128）进行读取。主控芯片对输入的脉冲进行加计数，每读取一定字节数据后对计数值减1，并将每次读到的数据通过TTL电平的串口输入到电平转换电路中。电平转换电路将TTL电平信号转换成RS—232电平信号后输出到PC机串行接口。

基站模块程序流程图如图6所示。

1．4 上位机软件设计

本上位机软件采用Visual C++6．0开发工具，利用安全性较高的Access作为后台数据库，以软件工程理论为指导，通过一个病员监控系统来体现，实现上位机软件基本功能，达到研究本课题的目的。无线传感器网络的低成本特点和灵活快速的部署能力成为本系统的最大特点。对加速度的测量，从传统的有线测试方式过渡到了无线测试并实时采集存储的方式。上位机通过串口通信的程序来控制PC机与单片机之间的串口通信，进而实现对单片机的数据进行采集和设置。该系统界面友好，操作简单，易学易用，从总体方案上力求达到该软件所需的目标要求。

2 系统测试

2．1 传输距离测试

为了确定无线传感器网络覆盖的范围，实验首先对传感器节点与基站之间的通信距离进行测试。测试包括室内测试与室外测试:室内以墙壁为间隔，每隔一扇墙壁放置1个传感器节点;室外距基站50 m处为起点，每隔50 m放置1个传感器节点，每个传感器节点发送3组数据，将数据中心接收到的数据进行处理，计算所得数据出错率结果如表1所示。数据出错率在3%以内，证明通信成功，且可以保证在300 m以内进行数据的正确有效传输，房间内传输信号衰减得快是因为墙壁吸收了无线电信号。

2．2 组网测试

本实验主要对无线传感器网络进行组网测试。选取3个传感器节点按照星状网络放置在房间桌子上，利用强力双面胶固定，将模式设置为多点监控模式，敲击节点的中心测试面，在数据中心观察监控波形，并记录数据，对比3个节点采集到的加速度值。

图形显示各个节点采集到的加速度信号波形基本一致，处理后的加速度结果见表2。

表1 数据出错率Tab 1 Error rate of datas

表2 节点加速度测试结果Tab 2 Acceleration test results of nodes

由表2可以看出:每个节点测得的加速度值差别不大，最大差别为2．7%。

2．3 精度测试

利用实验室的传感器校准系统对复合量程加速度计的低量程进行考察，因为只有一套校准系统，所以，采用单点监控模式，传感器校准系统参数设置见表3，精度测试结果见表4。

表3 传感器校准系统参数设置Tab 3 Parameter setting of sensor calibration system

表4 精度测试结果Tab 4 Results of precision test

传感器节点的测试精度达到了1．2%，说明基于复合量程加速度计的无线传感器网络不仅可以实现信号的分布式测量，而且保证了很高的测试精度。

3 结束语

本文介绍了基于复合量程加速度计的无线传感器网络的软硬件设计。传感器节点采用星状网络，具有低功耗、高可靠性等特点，系统经过试验验证，传输距离远，测试精度高，达到了预期的效果。本系统解决了加速度测量系统中采用多个单量程加速度计的安装复杂问题，提高了数据传输的可靠性，为实现简便化智能化测试提供了有力的保障。

［1］ 李旭辉．MEMS发展应用现状［J］．传感器与微系统，2006，25（5）:7－9．

［2］ 熊继军，毛海央，张文栋，等．复合量程微加速度计的研究［J］．传感技术学报，2006，19（5）:2201 －2203．

［3］ 李志强，屈国普，陈列尊，等．基于GSM的温湿度远程监控系统设计［J］．核电子学与探测技术，2010，30（4）:533 －536．

［4］ 张大踪，杨 涛，魏东梅．一种低功耗无线传感器节点的设计［J］．仪表技术与传感器，2006（10）:54－57．

［5］ 任丰原，黄海宁，林 闯．无线传感器网络［J］．软件学报，2003，14（7）:1282 －1291．

［6］ 盛 敏，田 野，李建东．无线传感器网络与自组织网络的研究现状［J］．中兴通信技术，2005（2）:46－48．

［7］ 昂志敏，金海红，范之国，等．基于Zig Bee的无线传感器网络节点的设计和通信实现［J］．现代电子术，2007（10）:47－57．