无线通信技术在远程测量系统中的应用研究

卢鸿滨

（南京普弗电子科技有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

传统基于有线网络的测量系统凭借其优良性能，在实际应用中获得了巨大的成功，并且得到了快速的发展。但由于工业的发展，测量系统的运行环境变得极度恶劣，使得现场施工或操作的难度不断增加，有线测量系统也难以发挥其优势，甚至无法进行实际应用。近几年，随着无线网络技术的发展，越来越多的无线网络技术被相关领域的研究人员所开发，如适用于短距离内进行无线传输的无线宽带、紫蜂协议以及超宽带等无线网络技术；适用于长距离内进行无线传输的全球移动通信系统和通用无线分组等无线网络技术。与有线网络相比，无线测量系统具有灵活性强、网络扩展性能良好以及易于维护等优势。

随着无线网络技术的应用不断成熟，它在测量系统中逐渐替代了传统的有线网络，并成为测量系统数据传输中不可替代的载体。通信技术是测量系统中十分重要的核心技术，对测量系统的数据传输质量和数据传输时效性等具有一定影响。当前应用广泛的无线通信技术主要包括通用分组无线业务技术、蓝牙技术以及无线宽带技术等。随着该领域研究人员不断深入的研究，无线通信技术正逐渐向着小型化、智能化以及信息化的方向发展。

目前，无线通信技术凭借其强大优势主要应用于检测系统、门禁系统、安防系统以及设备系统等领域。很多学者都注意到了无线通信技术的优越性，并纷纷对其进行了研究分析。例如，高斌等人将无线通信技术应用于农药流量监控过程，以改善喷药机人工操作农药流量控制精度低的问题[1]；林祁以信号系统车地无线通信方式，采用LTE技术为研究基础，研究了试车线与正线共用核心网设备的可行性[2]；宋新明等人为了分析高压交流电场对WiFi无线通信的影响，进行了实验研究，为输电线路在线监测装置的无线通信技术提供了新的研究思路[3]。虽然目前已经有以上学者对其进行了相关研究，但随着无线通信技术的进步，越来越多的领域开始逐渐将传统的有线测量系统替换为远程无线测量系统，并将其作为数据传输的主要载体。因此，本文开展对无线通信技术在远程测量系统中的应用研究。

1 基于无线通信技术的远程测量系统硬件设计

1.1 ZigBee无线芯片及附属电路设计

为满足远程测量需要，本文结合无线通信技术，选用型号为DD9600的ZigBee无线芯片作为系统的主要硬件结构。DD9600型号ZigBee无线芯片具有强大的内核，可实现系统内部芯片与传感器装置之间的通信，其实物图及附属电路如图1所示。

图1 DD9600型号ZigBee无线芯片实物图及附属电路

图1中编号①～⑦分别表示为ZigBee无线芯片的传感器接口、扩展AD、RESET系统按钮、开关、程序下载接口、LED指示灯以及可调电阻。该无线芯片的核心部分为ZigBee无线模块，结合无线通信技术的ZigBee无线网络，可传输各类信息。同时，该无线芯片采用高性能的工业级ZigBee方案实现数据透明传输。电源输入量为DC 2.0～3.6 V，提供UART串口，提供5路计算机输入和输出接口，可实现数字量的输入输出与脉冲输出，也可通过芯片远程输出测量到的数据信息。

1.2 传感器选用

提出的远程测量系统主要用于检测噪声、磁场、温度以及湿度等物理量。对于不同类型物理量，选用的传感器型号应当符合被测对象的实际特征。因此，传感器选用包含振动、红外、温度以及湿度等测量参数的传感器设备[4]。在实际测量过程中，系统会由于内部旋转件的不平衡和支撑松动等因素，造成被测量对象产生振动，从而影响测量结果的准确性。因此，在对众多物理量进行测量前，都需要检测其振动量。

在选择传感器时需要综合考虑其灵敏度、响应特性、线性范围以及精确度等指标。通常情况下，传感器的灵敏度数值越高表示其性能越好，但当灵敏度超过一定范围时，会造成系统内的测量信号受到外界无关变量的干扰。此时应当要求传感器的信噪比更大，保证在检测微小物理量的同时降低外界因素的影响[5]。根据上述要求，传感器选用内部含有DC5240芯片集成支持18位精度的A/D转换器。该传感器中共有16路输入通道，且相互之间独立存在，可选择批量转换速率，是开发成本低且功耗低的远程测量系统的理想传感器。

2 基于无线通信技术的远程测量系统软件设计

2.1 无线测量节点组网设计

ZigBee内置基于无线通信技术的协议栈，使用协议栈能够解决ZigBee在数据测量过程中的组网问题。系统中传感器与ZigBee是相互连接的，因此为完成无线测量节点的组网，需要在系统内部运行环境中安装微控制核心程序，利用程序中的相应运算和处理，完成节点组网的搭建[6]。远程测量系统中，如果不在内部镶嵌测量任务，那么会由于系统中配有协议栈而在ZigBee模块中自动根据系统运行要求创新全新的ZigBee无线网络结构。

在测量各类传感器的各类物理量时，需要在ZigBee协议栈中添加相应的测量命令。在启动测量系统后，首先将需要测量的测量任务加载到系统内部，根据设定确定任务的优先顺序，并为测量任务匹配对应的ID。其次在开始测量的过程中，应在应用层将测量任务进行初始化处理，保证测量完成后得到的是对应任务的ID，否则无法进入下一步。最后在应用层初始化处理完毕后解析测量任务，得到相应操作动作并开始执行，读取对应传感器中的数据。

2.2 基于无线通信技术的数据远程传输方式

系统中ZigBee无线芯片与传感器的正确连接以及数据远程传输是系统获取数据的关键。基于无线通信技术，通过芯片中内置的微控制单元、模拟信号/数字信号转换单元以及传感器设备进行数据通信[7]。按照测量不同物理量的传感器信号进行分类，设计3种远程传输方式如图2所示。

图2 基于无线通信技术的数据远程传输方式示意图

由图2可知，当传感器传输的信号为数字信号时，将传感器与ZigBee通过相应引脚直接连接，利用串口读取传感器数据；当传感器传输的信号为模拟信号时，先要通过AD转换将模拟信号转换为数字信号后再与ZigBee进行连接，然后按第①种方式完成连接；当传感器传输的信号为模拟信号时，需根据ZigBee与传感器模拟信号的协议完成数据操作。

基于以上过程完成了基于无线通信技术远程测量系统的硬件设计和软件设计，主要包括设计ZigBee无线芯片与附属电路、选用传感器、设计无线测量节点组网以及确定基于无线通信技术的数据远程传输方式几部分内容。利用以上步骤，可以实现无线通信技术在远程测量系统中的成功运用，且为了证明本文系统的可行性，对其展开实验分析。

3 实 验

实现基于无线通信技术远程测量系统的软、硬件设计后，研究该系统的应用性能。为充分显示本文系统的应用优势，将其与传统测量系统进行对比实验。选择某产品生产企业中同一批生产的5个形状不规则的零部件，分别利用本文系统与传统系统对这5个零部件进行测量。除了两种测量方法不同外，在其他外界干扰因素均相同的情况下完成对比实验。将两组系统测量得到的数据进行记录，测量结果对比如表1所示。

根据表1中的测量结果对比可以看出，通过测量5个不规则零部件的参数，本文系统的平均误差为0.001 88 mm，而传统系统的平均误差为0.013 62 mm，两个系统之间的平均误差相差7倍以上。因此，通过仿真实验进一步验证了提出的基于无线通信技术的远程测量系统的测量精准度更高，更适用于各个领域测量不同的物理量。同时，基于无线通信技术能够保证通过传感器测量到的数据更快地传输到远端控制中心，实现数据传输的时效性。

4 结 论

如今，无线通信技术得到了广泛运用，随着无线通信技术的持续发展，必将在更多领域发挥作用。为此，以无线通信技术为基础，开展对远程测量系统的设计研究。可见，增加无线通信技术的远程测量系统能够测量各个领域中的不同物理量，并适用于测量条件相对恶劣的环境。采用本文系统的平均误差为0.013 62 mm，测量结果精度得到了有效提高，实现了远距离的数据传输，提高了数据测量结果的时效性，有助于实现企业的信息化发展。