基于无线传感器网络的电参数测量系统设计

孟庆生　徐中干

摘要：本文提出了一种基于无线传感器网络的电参数测量系统，可以测量电压、电量、电流和功耗四种参数。系统以SI1000芯片为核心，多个测量仪通过无线方式组成传感器网络，通过无线收发基站与上位机通信，使用RS232或USB协议将测量数据上传并进行处理或显示。实验结果表明，系统运行稳定，能实现可靠的无线数据传输，误差在可控范围内，从而较准确地测量出所需参数。

关键词：无线传感器网络；电参数测量；无线测量仪；无线收发基站；上位机

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0195-02

0 前言

目前，随着电子技术的不断进步，各种先进的测量仪器层出不穷。而在一些特定的环境下，可能需要同时测量多个电参数，或者还需要绘出所测参数在一段时间内的变化趋势，现有的很多仪器无法满足[1]。针对这一需求，本文提出了一种基于无线传感器网络的电参数测量系统，可以测量电压、电流、电量和功耗四种参数，并具有有线、无线两种传输方式，自动量程测量等功能，大大扩展了原有的测量功能，具有较强的实用价值。

1 系统概述

本设计中的基于无线传感器网络的电参数测量系统结构如图1所示，主要由多个无线测量仪、无线收发基站和上位机三部分组成[2]。

无线测量仪是整个系统的关键，由本地显示与控制模块、电参数测量模块、电源管理模块以及核心控制器与通信模块组成。其中电参数测量模块是无线测量节点的核心部分，该模块将输入的模拟信号转变为数字信号，并发送给核心控制器。核心控制器将数字信号处理得到用户需要的信息，通过通信模块上传到无线传感网络中，或者利用有线方式使用USB接口上传到上位机。电源管理模块可实现充放电控制、电源适配器输入控制、USB供电等功能。显示和控制模块用于控制和显示测量的参数数值、通信模式等[3]。

无线测量仪与无线收发基站构成了星型无线传感器网络。无线收发基站负责采集各个子节点的测量数据，通过RS232或USB通讯协议上传到上位机进行分析处理并显示。

2 具体实现

2.1 核心控制器与通信模块

本设计中核心控制器与通信模块采用Silicon Labs公司的Si1000芯片，该芯片结合了8051内核、240～960 MHz高穿透力的RF收发器、64KB Flash和10位ADC，具有性能优越、接收灵敏度高以及低功耗等特性。通信模块为采集的数据加上前导码、同步字、数据载荷长度及CRC校验字节，形成数据包发送出去。为保证接收的正确性，无线接收程序负责接收数据包并检验CRC字节[4]。

2.2 电参数测量模块

在本设计中，电量和功耗测量采用LTC2942电量测量芯片。为满足测量精度要求，电量测量电路分为大、小量程两个电路，区别在于采样电阻不同，分别使用10毫欧和50毫欧的精密电阻，芯片通过其上的电压计算出电流，进而得到单位时间内的电量值[5]。 小量程测量范围为0-1A，精度0.1mA。大量程测量范围为1A-5A，精度1mA。利用LTC2942的片选端口和光耦继电器实现量程切换。

电压测量采用LTC1858芯片，电压信号通过分压电路进入输入端口，使用光耦继电器和稳压管进行保护，电压测量电路量程为0-150V。

功耗测量使用测量节点自放电的方式，将能量提供给测试板，由测量电路测出电流值，电压测量电路测出电压值，两者相乘得出功耗值。

2.3 本地显示与控制模块

为了满足用户本地测量的需要，无线测量仪还具备本地显示功能，可通过LCD液晶屏和按键实现。液晶屏可显示测量参数值和通信模式。用户通过软开关、通信模式选择、测量参数选择和手动量程选择四个按键进行操作。

2.4 无线收发基站

无线收发基站主要完成网络中各子节点的数据汇聚，同时负责向上位机上报。本设计中基站的控制与通信模块同样以SI1000芯片为核心，发射频段为433MHz。无线收发基站与上位机通信同时具有串口和USB两种通信方式。串口通信利用MAX232实现[6]。

3 数据通信协议

本设计使用有线和无线两种通信方式，多个无线测量仪和一个无线收发基站组成星型无线网络，使用无线通信协议传输数据。而无线基站与上位机采用RS232传输协议进行数据通信。具体实施步骤如下：

3.1 初始化

（1）在布置无线测量节点前，确定每个节点的编号，编号大小为两个字节，第一个字节表示测量现场号，第二个字节表示具体节点号，基站节点为0号节点。

（2）系统启动时进行组网，将周围的无线测量子节点加入网络。

（3）所有节点进行时间同步。基站首先将时间信息广播给每个节点，节点在调整好时间的同时，传输给区域内的其他节点，完成时间同步[7]。

3.2 进入工作模式

（1）每个节点以轮循方式依次向基站上传数据，时间间隔由上位机设定。

（2）基站通过RS232或USB协议将汇集到的数据上传到上位机中。

4 上位机设计

上位机软件架构如图2所示，上位机接收到一个完整数据包后对数据进行校验，判断正确后再进行数据分析，在上位机显示并放入数据库，如果出错会改变字体颜色进行提示。

软件具有以下几个方面的功能：

（1）调节采样频率。可根据需要调整采样频率，获得所需的數据进行分析。

（2）把采集到的数据进行实时显示，以便知道其实时状态。

（3）将采集的实时数据绘制成实时曲线，被测对象的变化一目了然，便于观测某些参数在一段时间内的变化趋势。

（4）用户可以对被测对象的历史状态进行查询，既可以生成历史数据曲线，也可以将数据导出excel文件进行查看或者打印。

5 測试实验

本设计的参数测量系统可适用于需要测量电压、电流、功耗等多个参数的场合，且可完成多点同时测量。为了检验系统的性能，将多个无线测量仪置于实验室中，使用标准信号源的电压、电流信号输出作为系统输入，信号源为普源DG1022U型号，实验现场实际通信距离为20米左右，电压和电流信号的非线性误差不大于1%，10次测量的重复性误差不大于2%，这反映了文中设计的电参数测量系统具有良好的工作性能，如表1所示。

6 结论

本文设计了基于无线传感器网络的电参数测量系统，并通过实验对各项电参数进行实时测量。结果表明在实验条件下，该系统运行稳定，能实现可靠的无线数据传输，这为今后的实际应用提供了较好的基础，对进一步的多传感器信息融合也提供了较好的研究基础和平台。

参考文献

[1] 姚传安.无线温湿度测量传感器网络设计[J].计算机测量与控制，2007，15（2）：165-166，187.

[2] 陈夏，胡红利，刘志红.基于无线传感器网络的输粉浓度测量系统[J].仪表技术与传感器，2010（8）：34-36.

[3] 曹惠茹，张晓军，陈放.基于双频无线传感器网络汇聚节点设计[J].仪表技术与传感器，2014（3）：55-57.

[4] 黄顺，付玲玲，陈喜.基于STC12C5608和nRF905的数字温度计远程采集系统[J].科学时代，2013（2）：26.

[5] 刘明，赵文敏.一种无线粮情监测系统的设计[J].机电工程，2011（11）：1382-1385.

[6] 祝伟，张金刚，张佳宁等.基于1553B总线的运载火箭供电测控系统设计[J].计算机测量与控制，2016（5）：21-24.

[7] 焦凤昌，龚仁喜，臧慧等.一种新型的无线低功耗环境指数传感器[J].传感器与微系统，2013（8）：81-84.

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