多参数无线传感器网络监测系统设计

丁　垒，朱欣华，周　同，孙伟容

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

0　引言

无线传感器网络技术(wireless sensor network,WSN)起源于20世纪中后期美国的一个国防项目，后来英特尔公司的“智能尘埃”项目拉开了民用研究的大幕。无线传感网络由数据获取网络、数据发送网络和控制管理中心三部分组成[1-3]。其主要组成部分是集成有传感器、处理单元和通信模块的节点。各节点通过通信协议自组织成一个分布式网络，将采集到的数据分析、优化处理后，经无线电波传输给信息处理中心。节点是无线传感网的基础，无线传感网对目标对象的操作基本靠节点实现。节点主要包括终端节点、路由节点、协调器节点[4]。

无线通信技术是无线传感网的核心，在WSN的发展历程中，先后出现过蓝牙、IEEE802.11家族、IrDA、GPRS、ZigBee等无线通信技术[5]。与其他通信标准相比，ZigBee优势突出。其复杂度低、可靠性高、功耗低、时延短，非常适合用作多参数无线数据采集系统中的无线通信标准。

针对传统物理布线式传感器存在的数据采集监测系统布线繁琐、功耗大、结构单一、动态性能差等特点，本文设计了一种基于ZigBee的无线传感器数据采集监测系统。该系统包含一个数据基站和多个多参数终端采集节点。该系统利用ZigBee技术实现各节点间及节点与数据基站间的自组网，完成节点的多种数据采集，并将采集的数据通过ZigBee无线通信技术传输到数据基站，摆脱了在一些监测现场因采用物理布线方式带来的束缚，给用户带来方便。

1　系统硬件设计

本文设计的多参数无线传感器监测系统的结构如图1所示。图1中的终端节点负责采集监控现场的数据(根据系统应用情况，这样的终端节点可以有多个)，再通过ZigBee网络将终端节点采集的数据发送给协调器节点，最后协调器通过串口和上位机构成数据基站，完成对数据的分析处理。

图1　系统结构图Fig.1　Structure of the system

考虑到一些监测系统中的监测节点常常需要对多个参数(例如温度、湿度或振动信号等)进行监测，因此在设计图1中的终端节点时，应使节点具有多参数(多通道)数据采集的能力。节点主控芯片CC2530通过扩展AD7656实现6通道并行A/D转换，转换分辨率为16位[6]。使用主控芯片的串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)接口，可以实现对采用SPI接口的数字化(智能化)传感器输出信号的采集。

CC2530是一款完全兼容8051内核，支持ZigBee协议栈的射频芯片[5]，具有优良的无线射频(radio frequency,RF)收发器性能，功率高达4.5 dBm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰能力，外围电路较简单。CC2530芯片一共有40个引脚，主要包括电源、地引脚、I/O端口、复位引脚、天线引脚、晶振引脚。硬件设计时，首先要使CC2530能够正常工作(供电、复位、产生时钟信号等)，同时通过相应的I/O端口实现与数字传感器和AD7656的连接。终端节点结构如图2所示。

图2　终端节点结构图Fig.2　Structure of the terminal node

SPI一般以主从方式工作。这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，一般需要4根线，分别为串行数据输入(serial data in,SDI)、串行数据输出(serial data out,SDO)、时钟(serial clock,SCK)和从设备使能信号(chip select,CS)。

本文以终端节点扩展ADXL345三轴MEMS加速度计为例，设计节点的数字信号采集接口。ADXL345与CC2530采用4线连接方式，如图3所示。

图3　ADXL345连接示意图Fig.3　Connections of ADXL345

ADXL345首先由其内部的前端感应器件感测三个轴向的加速度值，然后由感应电信号器件将加速度值转换为可识别的模拟信号。ADXL345内部集成的A/D转换器可以将此模拟信号数字化，向数据缓存区(first input first output,FIFO)[7-8]输出16位的二进制补码。通过访问寄存器，可读取ADXL345的数据。访问寄存器时，先要发送1字节读写地址信息；最高位为操作方式，0代表写入，1代表读出；第六位是读写类型，0代表单值读写，1代表多值读写；D0～D5为寄存器地址，写入需要配置寄存器的地址[8]。通过配置寄存器，可以设置采用频率、测量范围、阈值、高低有效位等。

端节点扩展了一片6通道并行16位逐次逼近型A/D转换器——AD7656。AD7656有64个引脚，同时具有高速并行和串行输出方式,通过DB0～DB15引脚并行输出各通道16位A/D转换结果，或者通过DOUTA、DOUTB、DOUTC串行输出各通道A/D转换结果[6]。由于CC2530的I/O引脚数量有限，本系统不采用并行输出方式，在配置时选择从DOUTA引脚串行输出A/D转换结果。AD7656与CC2530相关I/O引脚的连接及AD7656主要控制引脚的连接方式如图4所示。

图4　AD7656连接图Fig.4　Connections of AD7656

通过AD7656的DB14引脚启用内部基准电压源(2.5 V)。当SER引脚为1时，选择串行输出，使用SEL_A(DB0)选择DOUTA(DB8)作单线串行输出，DB6作为串行时钟SCLK输入引脚。RANGE引脚为1，使得模拟输入范围为±2倍的参考电压值(即±5 V)。

2　系统软件设计

2.1　终端节点软件设计

本文采用IAR Embedded Workbench，对CC2530进行软件开发；利用TI公司的SmartRF仿真器，连接计算机和节点以进行程序下载；通过Z-Stack协议栈，建立相应的应用程序。

Z-Stack协议栈是ZigBee协议的具体实现形式[9]，是协议和用户之间的一个接口，可通俗地理解为用代码实现的函数库，以便开发人员调用。

在ZigBee协议栈中，OSAL操作系统负责调度各个任务的运行，如果有事件发生，则会调用相应事件处理函数(tasksCnt、tasksEvent、tasksArr)来处理。系统节点的软件开发程序流程如5所示。

图5　系统节点程序流程图Fig.5　Flowchart of system node program

图1中，协调器节点、路由节点、终端节点在开发时的区别只是调用的事件处理函数不同，其开发的终端节点对数字信号和模拟信号的采集都是通过事件处理函数来实现的。函数的调用过程如下：main()→osal_init_system()→osalInitTasks()→SampleApp_Init()

本系统中网络由协调器节点建立。各终端节点加入网络，将采集到的数字信号和(或)模拟信号发送给协调器节点。协调器节点将接收的数据通过串口上传到上位机，由上位机对数据进行分析处理。

2.2　上位机软件设计

本文设计的无线数据基站(图1中的协调器及上位机)将无线接收的传感器数据通过串口传送给上位机。上位机通过LabVIEW完成软件开发，使其能对数据进行处理分析、显示和储存，实时监测各终端节点采集的传感器参数。上位机监测软件采用模块化开发，软件需要实现的功能有：串口参数设置、设备控制、数据图形显示、数据记录等。程序框图中使用层叠式顺序结构，每个模块单独设计为一层，可以保证程序按照顺序进行。上位机功能框图如图6所示。

图6　上位机功能框图Fig.6　Functional block diagram of host computer

3　系统测试

3.1　网络性能测试

网络性能测试主要测试系统组网功能以及验证三种节点功能。网络结构测试图如图7所示。

图7　网络结构测试图Fig.7　Network structure test

放置终端节点距离路由器节点15 m，路由器节点距离协调器节点15 m；协调器通过USB数据线与上位机连接，终端节点和协调器节点通电，两者距离30 m。协调器组建网络后，终端节点上电申请加入网络，上位机无法显示终端节点的数据。然后，将路由器节点通电，路由器节点和终端节点均入网成功，上位机接收到终端节点的发送数据。最后，将终端节点断电，路由器节点入网成功，但上位机无法接收到数据。由此验证路由器节点起到中继作用，可以扩大无线数据基站的数据接收范围。

3.2　模拟信号测试

终端节点通过AD7656采集2.5 V的基准电压并将其转换为数字信号，然后通过ZigBee无线网络将采集信号发送给协调器。协调器再通过串口转USB接口，将数字信号传输给上位机。通过上位机软件显示的数据曲线及保存的文件内容，验证无线数据基站传输数据的功能。通过对AD7656采集到的数据进行噪声功率谱分析，可得噪声均方根为(3E-4)V，进而计算出AD7656的有效分辨率为14.8位。

3.3　数字信号测试

终端节点数字信号接口部分的测试通过终端节点读取ADXL345加速度计的输出信号，同时依靠上位机软件进行数据的显示、分析。将ADXL345水平放置，沿x轴轻轻晃动，端节点采集的数据以数据包的形式周期性地发送给协调器节点。协调器节点收到数据后，通过串口/USB接口将数据发给上位机；上位机显示采集数据并解算出各轴的加速度值。试验结果表明，x轴的加速度值为1 g左右，其余两轴接近0。该结果与ADXL345的实际加速度一致。

4　结束语

本文设计了一种基于ZigBee的多参数无线传感器网络监测系统平台。该平台采用无线的数据传输方式，摆脱了传统物理布线的束缚。无线传感器网络技术很好地替代了传统物理布线式传感器采集系统。系统中的各个终端节点可以通过SPI接口实现对数字信号传感器输出数据的采集，并能实现6通道16位分辨率的模拟信号的采集，满足了大部分应用情况下的数据采集需要。本文给出了硬件和软件实现方法，并通过试验验证了系统的信号采集和无线通信能力。

参考文献:

[1] 朱琎,杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器,2012(8):56-58.

[2] 张黠.基于ZigBee协议栈的振动信号采集与监测研究[D].太原：太原理工大学,2012.

[3] BARONTI P,PILLAI P,CHOOK V W C,et al.Wireless sensor networks:A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J].Computer Communications,2007,30(7):1655-1695.[4] HAN D M,LIM J H.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2010,56(3):1403-1410.

[5] 周怡颋,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9.

[6] 陈茹梅,郭建硕.AD7656型模/数转换器在信号采集系统中的应用[J].电子设计工程,2006(2):67-71.

[7] 徐治根.ADXL345在机械设备振动监测中的应用[J].电子世界,2012(7):37-38.

[8] 刘德胜.基于ADXL345的无线传感网络研究[D].北京：北京邮电大学,2010.

[9] 张少军.无线传感器网络技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2010.