基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器實驗平臺設(shè)計
來源：網(wǎng)絡(luò) 時間：2012-07-10 關(guān)鍵詞：儀器儀表 傳感器 傳感器技術(shù) 0 引言 傳感器種類繁多，且不同類型傳感器的工作原理、測量目標和測量環(huán)境差異很大，并且相應的檢測系統(tǒng)構(gòu)成也不盡相同，往往在傳感器實驗室中要準備多套實驗裝置。在傳統(tǒng)的學校傳感器教學環(huán)境中，裝置復雜性比工程應用環(huán)境下的設(shè)備要簡單許多，且實驗僅能在固定工位進行，無法進行遠距離測量或移動性強的實驗，使得開展的實驗中驗證性實驗占多數(shù)。除此之外，更存在傳統(tǒng)傳感器實驗室開展的實驗中，學生的工程應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、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，時延短的特點，并且其應用目標本就是針對傳感器領(lǐng)域的，將它應用于傳感器實驗平臺的改進設(shè)計中是順理成章的，從而彌補傳統(tǒng)傳感器實驗室的移動性不強的不足?！ ? 傳感器實驗平臺的設(shè)計思路 在確保不降低傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的實驗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，增加實驗的移動性，使其適應可變環(huán)境的實驗開展，從而改善學生的工程應用體驗，并提高實驗室使用和管理的便利性?！ ?.1 傳統(tǒng)傳感器實驗平臺的基本結(jié)構(gòu)和特點 傳統(tǒng)傳感器實驗平臺通常由一套多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機界面顯示軟件組成，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顯示或處理。學生在做實驗時，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)成特點是系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)層次清楚，但整套設(shè)備圍繞實驗工位布置，約束了實驗空間僅局限于實驗臺附近，一些遠距離測量和移動性要求高的測量場合難以得到滿足?！ ?center>
1.2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺 采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺，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，而配置一臺電腦作為協(xié)調(diào)器，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示，圖中只示意出一個工位的終端)，并可通過該協(xié)調(diào)器接入局域網(wǎng)，這樣所有實驗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。
2.2 采集儀的軟件設(shè)計 采集儀的軟件設(shè)計中，無線部分采用TI公司免費提供的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通信鏈路進行工作;否則啟用并配置為ZigBee終端節(jié)點。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?！ ∵B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)同對應的工位數(shù)據(jù)處理終端。其流程如圖5所示?！ ?center>
2.3 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計 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ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當有節(jié)點加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時，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)點分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。
1.2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺 采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器實驗平臺，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，而配置一臺電腦作為協(xié)調(diào)器，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示，圖中只示意出一個工位的終端)，并可通過該協(xié)調(diào)器接入局域網(wǎng)，這樣所有實驗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。
2.2 采集儀的軟件設(shè)計 采集儀的軟件設(shè)計中，無線部分采用TI公司免費提供的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通信鏈路進行工作;否則啟用并配置為ZigBee終端節(jié)點。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?！ ∵B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)同對應的工位數(shù)據(jù)處理終端。其流程如圖5所示?！ ?center>
2.3 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計 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ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當有節(jié)點加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時，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)點分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。
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