0 引言
傳感器種類繁多，且不同類型傳感器的工作原理、測量目標(biāo)和測量環(huán)境差異很大，并且相應(yīng)的檢測系統(tǒng)構(gòu)成也不盡相同，往往在傳感器實(shí)驗(yàn)室中要準(zhǔn)備多套實(shí)驗(yàn)裝置。在傳統(tǒng)的學(xué)校傳感器教學(xué)環(huán)境中，裝置復(fù)雜性比工程應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備要簡單許多，且實(shí)驗(yàn)僅能在固定工位進(jìn)行，無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量或移動性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，使得開展的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占多數(shù)。除此之外，更存在傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)室開展的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的工程應(yīng)用能力難以得到有效培養(yǎng)的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器領(lǐng)域與信息技術(shù)深度結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)物，其具有移動性強(qiáng)、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，時(shí)延短的特點(diǎn)，并且其應(yīng)用目標(biāo)本就是針對傳感器領(lǐng)域的，將它應(yīng)用于傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的改進(jìn)設(shè)計(jì)中是順理成章的，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)室的移動性不強(qiáng)的不足。
1 傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)思路
在確保不降低傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)方便性和效果的前提下，發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，增加實(shí)驗(yàn)的移動性，使其適應(yīng)可變環(huán)境的實(shí)驗(yàn)開展，從而改善學(xué)生的工程應(yīng)用體驗(yàn)，并提高實(shí)驗(yàn)室使用和管理的便利性。
1．1 傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺通常由一套多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)界面顯示軟件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，各種類型傳感器的輸出的電信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口將其輸入到上位機(jī)顯示或處理。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)用不同的界面程序，顯示或處理不同類型的傳感器檢測數(shù)據(jù)，或者直接用萬用表或示波器觀察傳感器輸出的電信號即可。其基本構(gòu)成特點(diǎn)是系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)層次清楚，但整套設(shè)備圍繞實(shí)驗(yàn)工位布置，約束了實(shí)驗(yàn)空間僅局限于實(shí)驗(yàn)臺附近，一些遠(yuǎn)距離測量和移動性要求高的測量場合難以得到滿足。
1．2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺
采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺，各種類型的傳感器仍通過原有方式接入采集儀，各工位的采集儀作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，而配置一臺電腦作為協(xié)調(diào)器，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示，圖中只示意出一個(gè)工位的終端)，并可通過該協(xié)調(diào)器接入局域網(wǎng)，這樣所有實(shí)驗(yàn)工位的顯示和處理終端則可在該局域網(wǎng)內(nèi)訪問所有的采集儀終端。
工作時(shí)實(shí)驗(yàn)室各工位的采集儀均可選擇電池或墻上電源供電，且各終端和協(xié)調(diào)器都通過USB射頻模塊進(jìn)行ZigBee角色的配置。需要說明的是，之所以不將每個(gè)傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)是因?yàn)檫@樣做需要為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置A／D轉(zhuǎn)換模塊，不利于利用原有設(shè)備，且增加成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。在不需進(jìn)行無線聯(lián)網(wǎng)時(shí)，仍可直接將采集儀通過USB接口接入各工位PC機(jī)，然后按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
可以看出，這一實(shí)驗(yàn)平臺在不需要改動原有設(shè)備的前提下，只要增加兩個(gè)射頻模塊(其中協(xié)調(diào)器端可在市場直接采購ZigBee USB Dongle模塊)就可以實(shí)現(xiàn)無線化擴(kuò)展，其升級成本低。它兼顧了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ�，更重要的是因�(yàn)槠?a class="channel_keylink" href="/search.asp">移動性強(qiáng)的特點(diǎn)，如果采集儀采用電池供電，其實(shí)驗(yàn)空間甚至可擴(kuò)展到野外，這與國外學(xué)校教學(xué)中流行的探究性實(shí)驗(yàn)的開展模式相符，這也是本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)所在。
2 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)
2．1 采集儀的設(shè)計(jì)與工作過程
由之前的分析可知，改造的關(guān)鍵之處在于采集儀的設(shè)計(jì)，采集儀通過ZigBee射頻模塊①以終端節(jié)點(diǎn)的形式加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。它采用ST公司基于Cortex-M3核的STM32F103R6T6處理器，可選擇電池或墻上電源供電，可方便地進(jìn)行移動式測量，如圖3所示。該處理器本身具有：1個(gè)USB接口，2個(gè)12位的ADC，20 KBSRAM，128KB FLASH等，這已經(jīng)可以滿足本采集儀的所有技術(shù)需求。由于STM32F103R6T6內(nèi)部自帶多路A／D轉(zhuǎn)換器，所以電路得到了極大簡化。ZigBee RF無線芯片采用TI的CC2430，其內(nèi)部具有一個(gè)8051單片機(jī)專門用于ZigBee協(xié)議棧處理，工作在2．4GHz頻段，數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)250Kh／s，可與STM32F103R6T6進(jìn)行方便的接口配接，其電路如圖4所示。
2．2 采集儀的軟件設(shè)計(jì)
采集儀的軟件設(shè)計(jì)中，無線部分采用TI公司免費(fèi)提供的ZigBee協(xié)議棧。采集儀啟動后，首先檢測是否存在USB連接，如果存在則按USB通信鏈路進(jìn)行工作；否則啟用并配置為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。然后嘗試發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)出建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接請求。
連接建立后，將依據(jù)各工位顯示和處理終端的命令，識別接入的傳感器類型，再根據(jù)傳感器類型調(diào)用不同的數(shù)據(jù)處理子程序，如在光電開關(guān)傳感器的測量中只要取得開關(guān)量即可，而熱電偶溫度傳感器的測量則需要連續(xù)取得環(huán)境溫度。取得數(shù)據(jù)后，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)或USB鏈路發(fā)同對應(yīng)的工位數(shù)據(jù)處理終端。其流程如圖5所示。
2．3 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器僅需要在市場直接采購ZigBee USBDongle模塊就可完成配置，其主要功能是管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，更新相關(guān)的信息，并處理各種ZigBee功能，如創(chuàng)建或修改綁定表、為ZigBee節(jié)點(diǎn)分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。
3 結(jié)語
本文以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為載體，提出了對傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的改進(jìn)設(shè)計(jì)。完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與底層軟硬件的實(shí)現(xiàn)，其組網(wǎng)效果、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室要求，最終使得傳感器實(shí)驗(yàn)的開展具備移動性強(qiáng)的特點(diǎn)。
