文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > zigbee传感器检测系统

zigbee传感器检测系统

基于ZigBee技术的传感器检测系统

设计与实现

王辉林,李莎莎

(山东理工大学机械工程学院测试与精密仪器实验室,山东淄博 255049)

摘要:介绍了基于ZigBee技术的传感器检测系统的系统构成,成功的组建了传感器虚拟测量平台。本系统通过发送模块发送传感器检测的数据,以ZigBee协议进行无线传输,由接受模块接受发送的数据,再将采集到的数据通过A/D转换经串口送入计算机,然后通过采用虚拟仪器技术的检测系统对数据进行处理分析以及显示等。由于本系统采用无线传输,可应用于环境比较复杂的检测场所及自动控制等领域。

关键词:传感器检测系统;ZigBee协议;虚拟仪器技术

中图分类号:TP393

当前,计算机技术、通讯技术和传感技术可以说是电子信息的三大技术,也是测控系统必不可少的应用技术。随着社会的发展和工业生产的进步,检测系统已经应用于机械加工,桥梁建筑,军事防御,自动控制及环境检测等领域,并且应用范围及领域将进一步扩大。

传统的监测系统一般是根据被测量的需求选用合适的传感器,由传感器检测的数据通过有线传送到数据采集装置,由专用设备或计算机对数据进行分析处理。当被测量的场所较简单舒适,易于布线时,此类检测系统可以满足测量应用的需要,但是对于环境较恶劣,监测场所较复杂,布线较困难,人员不宜于长期驻留的测量场所,此类监测系统的应用就会受到很大程度的限制。基于上述考虑,我们搭建了这套基于ZigBee技术的无线传感器检测系统,以满足应用的需要。

1 无线通讯协议的选用

新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)协议。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。

此外,ZigBee 技术还有较强的的抗干扰特性。此特性主要是指抗同频干扰,即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的,因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、Wireless USB以及家用的无绳电话和微波炉共存。

在工业领域,利用传感器和ZigBee网络,可使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易;可以作为决策辅助系统的重要组成部分,例如危险化学成分的检测、火警的早期检测

和预报,高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新,重点在于低功耗,可最大程度地延长电池的寿命,减少检测和维护。减少ZigBee网络的维护成本。

正是基于ZigBee技术如此多的优点,考虑到实际情况我们采用了ZigBee无线通讯协议。

2 系统总体设计方案

本检测系统总体结构框图如图1所示。由传感器检测到的数据经信号调理电路(包括信号的放大、滤波等)后经A/D转换进行数据采集。采集到的数据通过无线发射模块对数据进行传送,由无线接受模块负责对发送的数据进行接收,接收到的数据经串口送入计算机,由基于LabVIEW的软件系统进行进一步处理及数据显示。

zigbee传感器检测系统

图1传感器检测系统总体结构

Fig. 1 Structure of Sensor measurement System

3 系统硬件设计及实现

系统硬件设计主要包括传感器信号的调理电路设计,A/D 转换及其数据采集的硬件选用及控制电路,无线通讯模块的电路设计等。其中A/D 转换及其数据采集与无线通讯模块设计于同一块电路板上。

3.1传感器调理电路设计

由于本系统采用了四种不同类型的传感器来检测所需要的信号,因其检测原理不同,其调理电路也各不相同,但大都由放大电路及滤波电路构成。经调理电路输出的后的数据将进行模/数转换及数据采集,为数据收发做准备。

3.2A/D 转换及其数据采集

本系统采用STC12LE5412A单片机实现A/D转换及其数据采集的控制部分。STC12LE5412A系列单片机是单时钟/机器周期(IT)的兼容8051内核单片机,是高速/低功耗的新一代8051单片机,全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。STC12LE5412A单片机属于增强型的8051单片机,编程、外围电路设计、和其它硬件兼容性方面都比较优秀,它又集成了看门狗,增加了安全性,带有A/D转换,简化了外围电路的设计,使外围电路的复杂程度降低,增强了系统的可靠性。10位的A/D转换精度,对于本系统已经足够,本系统采用其作为下位机控制数据采集及通讯模块的运行。

3.3无线通讯硬件电路设计

ZigBee无线通讯协议是比较优秀廉价的解决方案,考虑到成本和实际情况,采用了ZigBee通讯协议。

硬件电路采用了单片射频收发器nRF905的芯片。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.9~3.6V,32引脚QFN封装(5×5mm),工作于433/868/915MHz 三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器,ShockBurstTM 工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF905的详细结构如图2所示。

zigbee传感器检测系统

图2 nRF905的结构图

Fig.2 structure of nRF905

无线通讯的电路原理图如图3所示。其实物图如图4所示,左边两路为信号发送端(最多可为七路,本应用系统中使用四路作为信号发送端),右边一路为信号接收端,信号接收端接收到的数据经过串口输入PC,由虚拟仪器技术设计的检测平台进行进一步的数据处理及显示等。在发射模块中留有接口以便接入传感器采集到的信息。

zigbee传感器检测系统

图3无线通讯收发模块电路原理图

Fig.3 electric circuit schematic diagram

about receiving and sending module of wireless transmission

zigbee传感器检测系统

图 4 无线通讯收发模块

Fig.4 receiving and sending module of wireless transmission

4 系统软件设计

本系统的上位机应用程序采用NI公司出品的LabVIEW图形化编程软件进行编写。此软件是NI公司专为虚拟仪器开发设计的软件平台,采用框图程序的编程思想,使编程变得更容易简单,更人性化,更有乐趣。此外,LabVIEW还提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储,并且还提供了大量常用于自动化测试测量领域的控件,使得用户可以在很短时间内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。因此被广泛应用于汽车、通讯、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域。正是如此,在开发系统的过程中选用LabView作为编程语言。

本软件的主要功能是用来从串口读取数据之后,对数据进行处理后显示或者对数据进行分析。本软件系统通过设置串口的基本参数来配置软件从计算机串行通讯数据口读取数据,并通过缓存大小设置来确定一次读取的数据量。将从串口缓存获的数据通过数据读取子程序连接到压力测量通道、加速度测量通道、转速通道、温度通道。压力、转速、温度一般是测量的静态量,一般不需要进行数字滤波,将其显示出来即可,如有需要可以显示输出随时间变化的曲线,而加速度是一个动态参数,需要进行数字滤波。考虑到测量加速度一般是为了分析振动等情况,所以必要时还需要进行FFT变换来分析信号。制定本软件主程序流程图如图5所示。

经过对系统进行需求分析和功能分解后,对系统进行设计,所编制的系统运行界面如图6所示。

zigbee传感器检测系统

图5 传感器检测系统软件流程图

Fig.5 software flowchart of sensor measurement system

zigbee传感器检测系统

图6 系统软件运行界面

Fig.6 operation interface of system software

5 结束语

本系统将ZigBee技术应用于传感器检测系统,扩大了检测系统的应用范围,使其可以应用于检测环境复杂危险或人员不宜久留和现场不宜布线的测量场所。并且由于虚拟仪器技术的采用,使本系统的开发更为迅速,提高了效率,增强了系统的人机交互能力,提高了系统的实时性。

由于本系统采用无线传输,可应用于环境比较复杂的检测场所及自动控制,环境监测,灾情监控等领域。可以相信,不久的将来,由于协议的开放性和ZigBee联盟的大力推动,基于IEEE802.15.4的传感器检测系统将在楼宇自控、环境监测、PC外设等许多低速数据传输场合得到广泛应用,并迅速形成产品。

参考文献:

[1]中国ZigBee 联盟. ZigBee 技术探析.2004

[2]李勋,刘源,李静东.单片机实用教程.北京航空航天大学出版社,2000

[3]许森,黄东,丁维明.基于MC13192的无线传感器网络设计.单片机与嵌入式系统应

用.2007,3: 47-50

[4]周枫,袁景淇,吴元民.基于LabVIEW的串口通讯在PCR仪监控系统中的应用.自动化

仪表. 2005,8: 44-45.

Design and Implementation of Sensor measurement System based on

ZigBee technology

W ANG Hui-lin, LI Sha-sha

(Lab for Test and Dept OF Precision Instrument, Coll of Mech Engin, Shandong University of

Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:The constitution of Sensor measurement System based on ZigBee technology was introduced, and succeed in establishing virtual measurement flat based on sensor.This system sent the data the sensor has measured through sending module, carried on the wireless transmission based on the ZigBee protocol, and accept the data by receiving module, and transmit the acquired data which transformed by A/D convert to the computer through serial to proceed and display by measurement system which designed by virtual instrument technique.

Key words:Sensor measurement System; ZigBee protocol; virtual instrument technique

王辉林:45岁,山东理工大学机械工程学院测试与精密仪器实验室。主要从事传感器设计及测控系统的设计与研究。高级实验师,工程师,硕士生导师

李莎莎:25岁,山东理工大学机械工程学院硕士研究生。专业方向:传感器及光电仪器设计。主要研究虚拟仪器技术的应用及光电检测技术。

通讯地址:山东理工大学机械工程学院测试与精密仪器实验室

邮编:255049

联系电话:0533-******* 手机:137********

E-Mail:sha126sha@http://www.wendangku.net/doc/1e67742fbd64783e09122bce.html; lishasha83@http://www.wendangku.net/doc/1e67742fbd64783e09122bce.html