基于无线传感器网络技术的传感器实验平台设计

摘要：通过分析传统传感器实验平台的技术构成，以及其相关的实验模式存在的移动性不足的缺限，结合无线传感器网络的特点，对传统传感器实验平台进行改进设计和实现，可同时满足传统传感器实验和无线传感器网络技术实验教学的需要。相关教学实践表明，该改造成果使学生更好地加强了对传感器与检测系统的整体概念的理解和相关技能的训练。
关键词：传感器；实验平台；ZigBee；改进

0 引言
    传感器种类繁多，且不同类型传感器的工作原理、测量目标和测量环境差异很大，并且相应的检测系统构成也不尽相同，往往在传感器实验室中要准备多套实验装置。在传统的学校传感器教学环境中，装置复杂性比工程应用环境下的设备要简单许多，且实验仅能在固定工位进行，无法进行远距离测量或移动性强的实验，使得开展的实验中验证性实验占多数。除此之外，更存在传统传感器实验室开展的实验中，学生的工程应用能力难以得到有效培养的问题。无线传感器网络是传感器领域与信息技术深度结合的技术产物，其具有移动性强、通信可靠、网络容量大，时延短的特点，并且其应用目标本就是针对传感器领域的，将它应用于传感器实验平台的改进设计中是顺理成章的，从而弥补传统传感器实验室的移动性不强的不足。

1 传感器实验平台的设计思路
    在确保不降低传统传感器实验平台的实验方便性和效果的前提下，发挥无线传感器网络的优势，增加实验的移动性，使其适应可变环境的实验开展，从而改善学生的工程应用体验，并提高实验室使用和管理的便利性。
1．1 传统传感器实验平台的基本结构和特点
    传统传感器实验平台通常由一套多种传感器、数据采集卡及上位机界面显示软件组成，结构如图1所示。其中，各种类型传感器的输出的电信号，经A／D转换后，由数据采集卡通过USB接口将其输入到上位机显示或处理。学生在做实验时，可根据需要调用不同的界面程序，显示或处理不同类型的传感器检测数据，或者直接用万用表或示波器观察传感器输出的电信号即可。其基本构成特点是系统组成结构层次清楚，但整套设备围绕实验工位布置，约束了实验空间仅局限于实验台附近，一些远距离测量和移动性要求高的测量场合难以得到满足。

1．2 基于无线传感器网络的传感器实验平台
    采用ZigBee无线网络的传感器实验平台，各种类型的传感器仍通过原有方式接入采集仪，各工位的采集仪作为ZigBee终端节点，而配置一台电脑作为协调器，构成星型网络拓扑结构的无线网络(如图2所示，图中只示意出一个工位的终端)，并可通过该协调器接入局域网，这样所有实验工位的显示和处理终端则可在该局域网内访问所有的采集仪终端。

    工作时实验室各工位的采集仪均可选择电池或墙上电源供电，且各终端和协调器都通过USB射频模块进行ZigBee角色的配置。需要说明的是，之所以不将每个传感器作为终端节点是因为这样做需要为每个节点都配置A／D转换模块，不利于利用原有设备，且增加成本和系统复杂度。在不需进行无线联网时，仍可直接将采集仪通过USB接口接入各工位PC机，然后按传统的实验平台架构进行实验。
    可以看出，这一实验平台在不需要改动原有设备的前提下，只要增加两个射频模块(其中协调器端可在市场直接采购ZigBee USB Dongle模块)就可以实现无线化扩展，其升级成本低。它兼顾了传统实验模式，更重要的是因为其移动性强的特点，如果采集仪采用电池供电，其实验空间甚至可扩展到野外，这与国外学校教学中流行的探究性实验的开展模式相符，这也是本文改进设计的目标所在。

2 实验平台的设计
2．1 采集仪的设计与工作过程
    由之前的分析可知，改造的关键之处在于采集仪的设计，采集仪通过ZigBee射频模块①以终端节点的形式加入ZigBee无线网络。它采用ST公司基于Cortex-M3核的STM32F103R6T6处理器，可选择电池或墙上电源供电，可方便地进行移动式测量，如图3所示。该处理器本身具有：1个USB接口，2个12位的ADC，20 KBSRAM，128KB FLASH等，这已经可以满足本采集仪的所有技术需求。由于STM32F103R6T6内部自带多路A／D转换器，所以电路得到了极大简化。ZigBee RF无线芯片采用TI的CC2430，其内部具有一个8051单片机专门用于ZigBee协议栈处理，工作在2．4GHz频段，数据通信速率可达250Kh／s，可与STM32F103R6T6进行方便的接口配接，其电路如图4所示。

2．2 采集仪的软件设计
    采集仪的软件设计中，无线部分采用TI公司免费提供的ZigBee协议栈。采集仪启动后，首先检测是否存在USB连接，如果存在则按USB通信链路进行工作；否则启用并配置为ZigBee终端节点。然后尝试发现网络，并向协调器发出建立ZigBee网络连接请求。
    连接建立后，将依据各工位显示和处理终端的命令，识别接入的传感器类型，再根据传感器类型调用不同的数据处理子程序，如在光电开关传感器的测量中只要取得开关量即可，而热电偶温度传感器的测量则需要连续取得环境温度。取得数据后，再通过ZigBee网络或USB链路发同对应的工位数据处理终端。其流程如图5所示。

2．3 协调器的软件设计
    协调器仅需要在市场直接采购ZigBee USBDongle模块就可完成配置，其主要功能是管理整个ZigBee网络，当有节点加入或者退出网络时，更新相关的信息，并处理各种ZigBee功能，如创建或修改绑定表、为ZigBee节点分配群集(Cluster)ID等。其流程如图6所示。

3 结语
    本文以ZigBee无线传感器网络为载体，提出了对传统传感器实验平台的改进设计。完成了基于无线传感器网络的传感器实验平台的设计与底层软硬件的实现，其组网效果、响应速度、系统稳定性达到了实验室要求，最终使得传感器实验的开展具备移动性强的特点。