作者：李文濤;肖俊生;江杰;安世奇

統(tǒng)的深孔測(cè)徑系統(tǒng)中的測(cè)量探頭與顯示、信號(hào)處理部分多采用有線連接方式。由于測(cè)量系統(tǒng)尤其是探頭經(jīng)常移動(dòng)，使連接導(dǎo)線經(jīng)常被損壞，且復(fù)雜安裝和拆卸給測(cè)量帶來(lái)諸多不便，也增加了測(cè)量成本。同時(shí)受到導(dǎo)線電阻和分布電容的影響，測(cè)量誤差比較大。況且，單獨(dú)一套系統(tǒng)只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)一點(diǎn)的測(cè)量，這在批量生產(chǎn)中嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深孔測(cè)徑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用無(wú)線信號(hào)傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果由上位機(jī)統(tǒng)一監(jiān)控管理。該系統(tǒng)不需任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有安裝使用方便、穩(wěn)定可靠、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和處理、無(wú)線通信、協(xié)同合作等功能，可以隨機(jī)或者特定地布置在目標(biāo)環(huán)境中，能夠獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域中的信息并相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件幾部分構(gòu)成。

圖1給出了一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到Sink。Sink也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。Sink直接與Internet或通信衛(wèi)星相連（也可直接與監(jiān)控主機(jī)相連），通過(guò)Internet或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（即觀察者）與傳感器之間的通信。

2 無(wú)線測(cè)徑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由若干無(wú)線測(cè)徑傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接口模塊和上位機(jī)組成，如圖2所示。其中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)按需要分布在各測(cè)最點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ?。中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)的無(wú)線接口。上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信方式和各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令和收集數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的微位移數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、顯示和打印。

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)足組成網(wǎng)絡(luò)的最基本單元，它負(fù)責(zé)響應(yīng)上位機(jī)的命令、采集并發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)思想，將節(jié)點(diǎn)分為傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理，主要由以下部件組成：電感測(cè)量頭（DGC-8ZP／B型軸向測(cè)頭）、接口芯片NE5521、高精度16位A／D轉(zhuǎn)換芯片CS5523；處理器模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的運(yùn)算處埋，由高速低功耗8位微處理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041組成；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.1 傳感器平臺(tái)

本設(shè)計(jì)中傳感器平臺(tái)豐要實(shí)現(xiàn)對(duì)微位移的測(cè)量，其核心測(cè)量電路如圖4所示。

微位移測(cè)量采用差動(dòng)變壓器LVDT（Linear VariableDifferential Transformer）與接口芯片NE5521實(shí)現(xiàn)。LVDT結(jié)構(gòu)是由在圓柱形骨架上繞有螺旋形的原邊和兩個(gè)付邊繞組所組成的線圈及一可動(dòng)鐵芯構(gòu)成，它可將微小位移的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，具有分辨率高、靈敏度高、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。NE5521是差動(dòng)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換專用芯片，內(nèi)部集成了交流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)放大、信號(hào)解調(diào)電路和一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，它只需外接幾個(gè)元件就可構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)變壓器變送器，且具有功耗低、體積小、使用方便等特點(diǎn)。適合本設(shè)計(jì)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)器件在功耗和休積等方面的要求。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：電容C2_0、電阻R2_6和NE5521內(nèi)部的振蕩器組成正弦波發(fā)生單元，此單元所產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大器放大整形后由NE5521的11、12引腳輸出，為L(zhǎng)VDT提供交流激勵(lì)信號(hào)，正弦波頻率 =（+5V～1.3V）／［+5V×（R2_6+1.5K）×C2_0］；LVDT的輸出由L2_IN輸入到同步解調(diào)器，取自12引腳的同步信號(hào)經(jīng)相位調(diào)節(jié)電路（R2_7和C2_5組成）調(diào)節(jié)后送入同步解調(diào)器。經(jīng)解調(diào)后的測(cè)量信號(hào)由引腳5送人帶有調(diào)零的二階有源濾波電路（由NE5521內(nèi)部的運(yùn)放、R2_1、R2_2、R2_3、R2_4、R2_5、C2_1、C2_2和可調(diào)電阻W2組成）進(jìn)行濾波放大處理。最終，測(cè)量信號(hào)由引腳1輸出到后續(xù)處理電路。

2.1.2 無(wú)線通信平臺(tái)

無(wú)線通信平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、七位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000實(shí)現(xiàn)。CC1000具有低電壓（2.3～3.6V）低功耗、高靈敏度、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、可編程輸出功率（-20～10dBm）傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，其FSK數(shù)傳速度可達(dá)72.8kbps，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力。CC1000與ATMEGA128通信通過(guò)三線串行接口（PDATA、PCLK、PALE）進(jìn)行。外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下選配的。電路如圖5所示。

2.2 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于整個(gè)節(jié)點(diǎn)是基于嵌入式系統(tǒng)組建的，所以對(duì)軟件設(shè)計(jì)也有很高的要求。因此，本設(shè)計(jì)采用專門針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)TinyOS（crossbow公司提供），以及在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。TinyOS操作系統(tǒng)采用了輕量級(jí)線程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)模式和組件化編程等思想，有效提高了節(jié)點(diǎn)CPU的效率、節(jié)約了系統(tǒng)功耗。TinyOS的元件庫(kù)包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)采集等工具。這些工具可以原樣使用，也可以經(jīng)過(guò)修改供定制系統(tǒng)使用，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用帶來(lái)了便利。下面說(shuō)明幾個(gè)主要功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.2.1 微位移數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計(jì)采用組件化編程思想，將數(shù)據(jù)采集部分作為TinyOS的一個(gè)組件并嵌入其中，采用支持組件化編程的nesC語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，包括A／D采樣、數(shù)字濾波等。為了提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)選擇A／D轉(zhuǎn)換芯片CS5523的轉(zhuǎn)換范圍為55mv檔（在實(shí)際電路中經(jīng)測(cè)試，當(dāng)傳感器的位移量變化400μm時(shí)，信號(hào)經(jīng)處理后的變化量為45mV），信號(hào)輸入方式為差動(dòng)輸入。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先要進(jìn)行零點(diǎn)和滿度的標(biāo)定，確保儀器工作在良好的線性范圍內(nèi)，從而提高測(cè)量精度。接著依次啟動(dòng)A／D的各個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并分別讀入4組A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后進(jìn)行數(shù)字濾波處理，再將所得結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

2.2.2 無(wú)線通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中對(duì)協(xié)議棧采用分層實(shí)現(xiàn)，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層協(xié)議向數(shù)據(jù)鏈路層提供硬件操作接口。發(fā)送時(shí)，實(shí)現(xiàn)信道編碼算法，然后將編碼后的完整數(shù)據(jù)幀通過(guò)RF硬件接口發(fā)送出去；接收時(shí)，將數(shù)據(jù)從RF硬件接口中正確地提取出來(lái)，然后組成數(shù)據(jù)幀，再進(jìn)行信道解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議處理。數(shù)據(jù)鏈路層為相鄰的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路連接，并傳輸數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)數(shù)據(jù)單元。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的生成與選擇，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接交換網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)單元。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用VB6.0編程，由RS-232串口通過(guò)無(wú)線接口模塊實(shí)現(xiàn)與中繼節(jié)點(diǎn)的串行通信。采用圖形化人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，有效減少了以往測(cè)量過(guò)程中由人為因素帶來(lái)的誤差，提高了在數(shù)據(jù)分析、誤差信息反饋等方面的能力，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和測(cè)量效率。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人們提供了一種全新的信息獲取和信息處理途徑。本文所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)存在的不足，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、組網(wǎng)使用方便、抗干擾能力強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)功能可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，該測(cè)徑儀已在內(nèi)蒙古某機(jī)械制造廠投入生產(chǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

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