基于ZigBee的传感器实验平台改造及应用

叶杨婷，王 莉

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

传统的传感器与检测技术实验一般是通过有线的方式对传感器的数据进行采集和监测，虽然可以满足传感器实验课的需求，但这种检测方式灵活性差，无法进行远距离的测量［1］。如果将这种有线检测技术应用于一些环境恶劣的工程应用中，就会出现传感器设备布线困难、成本高等实际问题。因此，本文考虑到无线传感器网络移动性强、可靠性高等优势，在现有传感器与检测技术实验平台上进行改进，保留原有传感器性能测试等功能，通过添加ZigBee无线通信模块，设计了一种基于ZigBee的无线传感器网络实验平台，既满足了传感器实验教学的需求，又满足了ZigBee无线传感器网络实验教学的需求，为学生提供了一个可开展综合性实验的实验教学平台。

1 实验平台整体设计方案

2004年，江汉大学购买了浙江高联公司生产的CSY3000型传感器与检测技术实验平台，该实验平台由主控台（包括信号源、仪表、振动源等）、传感器和对应的传感器实验模板组成。实验模板包括电阻应变式传感器、差动变压器、压电式传感器、光纤位移传感器、温度传感器等18种［2］。

本文对传感器实验平台的改进方法如图1所示，在原有的系统中添加了多个ZigBee终端采集节点和一个ZigBee汇聚节点，与CSY传感器实验模板和PC机组成一套基于ZigBee技术的无线传感器网络数据采集系统。该系统的工作原理是各终端节点连接不同的传感器模板，经多跳转发，将采集的数据通过无线网络传送给汇聚节点，汇聚节点通过对数据的管理、分类和处理，再经串口传送给PC机，PC机利用上位机软件实时观测数据［3］，并对数据进行相关计算，得出传感器的灵敏度、非线性误差等性能参数。本系统由一个汇聚节点对应多个终端节点，组成星型的网络拓扑结构，汇聚节点上电后组建网络，各传感器实验模板通过连接ZigBee终端节点上电后加入该网络，汇聚节点会为每个终端节点分配网络地址。

图1 实验平台整体框图Fig.1 Block diagram of experimental platform

2 实验平台硬件设计

2.1 无线传感器汇聚节点设计

如图2所示，汇聚节点模板包括ZigBee无线通信模块、微控制器和供电模块，ZigBee无线通信模块采用TI公司生产的CC2530芯片作为主控制器。汇聚节点模板作为ZigBee网络的协调器，对整个区域的数据进行汇总和分析，建立网络，等待终端节点或路由器的加入［4］。考虑到汇聚节点既要对每个无线传感器终端节点传输来的数据进行分析和处理，还要完成与PC机的通信，为了提高汇聚节点的数据处理速度和传输速率，需增加微控制器来完成ZigBee无线通信模块与PC机之间的通信。这里选用32位微控制器STM32F103VET6，该控制器基于Cortex-M3核，工作频率高达72 MHz，其丰富的外设中有3个USART接口，能够满足同时与ZigBee无线模块和PC机通信的需求［5］。

图2 汇聚节点硬件设计Fig.2 Hardware design of sink nodes

2.2 无线传感器终端节点设计

ZigBee终端节点是无线传感器网络的重要组成部分，连接各传感器模板，将采集的数据通过多跳的方式传送给汇聚节点。无线传感器终端节点模板主要由ZigBee无线通信模块及其供电模块组成，ZigBee通信模块同样采用TI公司的CC2530作为主控制器，CC2530集成了12位分辨率的ADC模块［6］，满足对各种传感器高精度测量的需求。开展实验时，传感器模板的输出信号可通过导线连接到CC2530的ADC接口上，如图3所示。供电模块既可以采用实验台上的电源供电，也可以选择电池供电，方便设备的移动。

图3 终端节点硬件设计Fig.3 Hardware design of terminal nodes

3 实验平台软件设计

本文利用TI公司提供的Z-Stack协议栈在CC2530上进行软件开发，用户可以直接使用协议栈提供的API进行应用程序的开发，而不必关心ZigBee协议的具体实现过程，提高了开发效率［7］。

该实验平台的软件设计主要包括无线传感器终端节点和汇聚节点的软件设计。无线传感器终端节点的主要任务是监听PC机通过ZigBee无线网络传送过来的采集命令，并对传感器模板上的数据进行采集，最终通过ZigBee网络发送给汇聚节点。终端节点对传感器采集的方式采用定时采集，时间间隔为5 s，把采集的数据存入管理数据的内存中。汇聚节点的主要任务包括两部分，一是通过串口随时监听PC机下达的采集命令；二是监听无线网络中各终端采集节点传送来的传感器测量数据，之后再将数据通过串口传送给PC机，PC机通过上位机软件对数据进行处理分析。PC机、ZigBee汇聚节点和终端采集节点之间的工作流程如图4所示，汇聚节点和终端节点各自的软件流程图如图5所示。

图4 各模块之间的工作流程Fig.4 Workflow of modules

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

4 基于ZigBee的无线电阻应变式传感器实验

典型的传感器实验项目包括应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、电涡流式传感器等十多种传感器实验，CSY型传感器实验平台虽能较全面地让学生掌握各种传感器的使用，但多为单一验证性的实验，下面以无线电阻应变式传感器实验为例，详细介绍如何利用基于ZigBee无线技术的传感器实验平台来开展综合性的实验项目。

4.1 无线电阻应变式传感器实验原理

电阻应变式传感器实验的基本原理是电阻应变片粘贴在被测试件表面上，在外力作用下产生机械变形，从而引起电阻变化，再通过测量电桥将电阻的变化转换为电压的变化［8］，经差动放大电路对小信号进行放大，最后通过ZigBee无线网络传送给远端PC机观测。无线电阻应变式传感器的实验原理框图如图6所示。

图6 无线电阻应变式传感器的实验原理框图Fig.6 Experimental principle block diagram of wireless resistance strain sensor

4.2 实验过程

4.2.1 器件与模板 电阻应变式传感器实验模板、无线传感器终端节点模板、无线传感器汇聚节点模板、砝码、电压表、±15 V电源、±4 V电源、5 V电源、万用表和PC机。

4.2.2 电阻应变式传感器模板 图7是CSY型应变传感器模板，实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，通过不同的连接方法，可以做单臂电桥、半桥差动电桥和全桥差动电桥性能测试实验［9］。该电桥电路输出电压信号经三运放组成的高共模抑制比的差动放大电路进行一级放大，再连接一个反向放大电路进行二级放大，输出合适的电压供电压表读取或ZigBee终端节点采集。

图7 电阻应变式传感器模板Fig.7 Template of resistance strain sensor

4.2.3 实验步骤 1）差动放大电路调零：将电阻应变式传感器实验模板接入±15 V电源（从主控台引入），同时将差动放大器两输入端接地，通过调节Rw4对差动放大电路进行调零。

2）接入ZigBee无线模板：将汇聚节点传感器模块加入5 V电源，再将终端节点的输入端与应变传感器模板的输出端连接，最后将终端采集节点通电，保证汇聚节点与终端采集节点组网成功。

3）连接电桥电路：如图7所示，将应变式传感器模板上的电阻应变片R2和R3接成半桥电桥电路，Rw1是电桥平衡电位器，将电桥的输出端与差动放大电路的输入端连接，接上桥路电源±4 V，调节Rw1，使电压表显示为零。

4）应变式半桥电桥性能测试：在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取电压表数值，依次增加砝码（每个20 g）并读取相应的数显表值，同时可以在PC机的软件上观察相应值。

4.2.4 测量结果 为了验证基于ZigBee无线应变传感器采集的精度，对有线采集的电压值与无线采集的电压平均值进行对比，测试结果如表1所示，两种结果基本相同，满足实际工程需求。

表1 有线与无线应变传感器采集值Tab.1 Acquisition values of wire and wireless strain sensors

5 结语

本文结合无线传感器网络技术，在现有传感器实验平台上进行改进，设计了基于ZigBee的传感器综合实验平台，既节约了教育成本，又满足了传感器与检测技术、无线传感器网络等多门课程的实验教学，提高了教学效果。本文以无线电阻应变式传感器实验为例，证明了该平台组网效果较好，数据传输准确率较高，满足了实验教学的需求。该平台具有模块化和开放性等特点，可让学生选取不同传感器模块组建不同的无线传感器网络系统，适用于智能家居、智能交通、智能电网等物联网领域［10］，具有广泛的应用前景。

（References）

［1］潘雪涛.基于CSY型传感器实验台的位移测量特性分析与研究［J］.自动化与仪器仪表，2005（4）：64-68.

［2］杨亦红，刘有澈.基于无线传感器网络技术的传感器实验平台设计［J］.现代电子技术，2012，35（11）：14-16.

［3］郭韶峰.基于NI-WSN的电阻应变式传感器实验平台改造［J］.自动化与仪器仪表，2015（7）：194-196.

［4］王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现［M］.北京：化学工业出版社，2012：40.

［5］刘春晖，黄文超，王阳，等.基于STM32无线压力监测系统［J］.煤矿机械，2015，36（8）：214-217.

［6］李继松.基于ZigBee技术的无线应变传感器及其系统设计［D］.南京：东南大学，2014.

［7］叶杨婷.基于ZigBee和GPRS的地铁环境监控系统设计［J］.实验室研究与探索，2015，34（12）：65-68.

［8］徐俊，戴亚文，张义桃.基于MSP430的超低功耗无线应变传感器的设计［J］.仪表技术与传感器，2008（7）：11-13.

［9］浙江高联仪器技术有限公司.CSY3000传感器与检测技术实验指导书［EB/OL］.［2014-10-31］.https：//wenku.bai⁃du.com/view/3e2e3e1c01f69e3143329492.html.

［10］郎为民.大话物联网［M］.北京：人民邮电出版社，2012：20-27.