一种基于无源传感器的数据采集传输系统设计

张　玉，胡艳军

(安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥，230039)



一种基于无源传感器的数据采集传输系统设计

张玉，胡艳军*

(安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥，230039)

无线无源传感器的设计是传感器网络应用中关注的焦点.传统温湿压数据采集系统是单参数封装系统，针对此系统输出单一、可靠性低的特点，基于多参数混合封装技术，设计一种基于无源传感器的数据采集传输系统.该系统由基于STC(systemchip)89C52的定时计数采集、基于ZigBee协议栈无线自组网传输及上位机3部分构成.结合实际应用对系统软硬件进行设计，实际测试结果表明该系统具有有效性和可行性.

无源传感器；ZigBee协议栈；自组网；多参数

近年来，无线传感器网络(wirelesssensornetworks，简称WSN)的应用越来越广[1-3].对于易燃易爆、禁止明火及电等的特殊场合，现场无法提供可靠的电源，尤其是在一些密闭的监控场景下,更是无法对有源传感器节点进行供电[4-5]，导致传统的传感器节点无法使用.因此，无线无源传感器[6-7]的设计和研究便成为传感器网络应用中关注的焦点.国内外学者研究了多种无源传感器，如基于陶瓷材料的非接触式无线无源压力与温度传感器[8]、LC无源湿度传感器的3种实现结构[9]、基于圆柱形微波腔的无线无源温度传感器[10]等.目前的无源传感器多是电磁耦合[11]供电，而且多是单参数封装系统，即温度湿度气压3个传感信号是分别单独输出的，由于没有完成供电电源与传感信号的合二为一，也没有实现多参数输出，能源利用率低.笔者拟提出一种基于无源传感器的数据采集传输系统的设计方案，使用多参数混合封装频率信号，采用STC89C52为主控芯片对输出的频率信号进行定时计数，基于ZigBee[12-14]协议栈CC2530射频模块构建无线传输系统，并对测试结果进行分析验证.

1　无源传感器监测系统模型

无源传感器监测系统包括主系统和次系统[15]，其中主系统完成载波功率发射和数据处理两个功能，次系统完成传感器信息采集及转换、数据调制等功能.当用户需要读取无源传感器信息时，首先启动主系统发射载波，通过主次系统天线中的松散耦合变压器将能量耦合到次系统中，次系统获取能量后将采集传感器数据，将信息组织成数据帧并调制到载波中.主系统监测到数据帧后，对其进行解调处理得到传感器信息.

主系统由振荡器、功率放大、天线、检波、载波滤除、数据解调等功能模块构成，如图1a所示.振荡器产生载波信号经过功率放大后，通过天线发射为次系统提供能量，次系统接收能量并将采集到的数据通过反向散射耦合回主系统天线中，然后主系统利用检波、载波滤除和数据解调后，输出传感器信息.次系统包括温湿压传感器系统和天线收发系统，如图1b所示.天线系统包括能量存储、负载调制、能量管理、分时复用振荡器、分频器、同步信号、容/频(C/f)转换器等功能模块.

图1　无线无源传感器主次系统结构Fig.1　The primary and secondary system structure of wireless passive sensors

当主系统进行载波发射后，次系统通过能量管理模块将天线获得的能量储存起来；当储存的能量满足使用要求后，将驱动C/f转换器对传感器信息进行采集和数据转换；通过同步信号模块和分时复用模块等，将转换的数据按规则组织成数据帧；最后利用分频器和无源负载模块，通过反向散射调制将数据帧加载到载波中.

在实际应用环境，如密闭喷涂房车间，在密闭空间的内部不同位置安放由温湿压传感器系统和天线收发系统组成的无线无源多参数微纳传感器次系统.在密闭房间外部，通过主次系统间的短距离遥测，采集数据并进行无线传输，将测得的温度、湿度和气压数据在上位机上实时显示出来.

2　基于无源传感器的数据采集传输软硬件设计

笔者结合密闭喷涂房车间的监测，进行了基于无源传感器的数据采集传输软硬件设计.置于玻璃喷涂房外的主系统使用直流电源直接供电，置于喷涂房内的无源传感器次系统通过与主系统电磁耦合来获取能量,并且将温湿压频率信号数据调制到载波上，耦合回主系统.

数据采集部分以8051为内核的STC89C52芯片为主控芯片，STC89C52中的T1工作于定时器状态，T0工作于计数器状态，T2工作于波特率状态(其产生9 600的波特率).将基于ZigBee协议栈的CC2530射频模块作为收发节点，发送节点对采集到的数据信息进行打包处理，接收节点通过指令接受来自空中的数据，传给计算机处理后，在上位机显示.

硬件总体设计框图如图2a所示.硬件分为2部分，一部分是底板，集成了12V转5V及5V转3.3V的电源电路、12V直流供电接口、USB接口、TTL接口、RS232接口、RS485/422接口、STC89C52芯片和一个CC2530插槽.另一部分为插槽中的CC2530射频模块，其中配有2.4G天线.系统的软件编写采用模块化方法，设计总体流程如图2b所示，整个系统软件分为数据采集、无线传输和上位机.

图2　软硬件设计流程Fig.2　The flow chart of hardware and software design

无源传感器监测系统时钟的频率为62.5Hz，同步信号为一段周期为16ms的恒高电平信号，软件分离3个传感器数据，先找到同步信号，持续定时10μs，直到第一个下降沿产生，依次以16ms为采样周期进行频率计数，顺序读取3个传感器频率.

上位机采用基于C++语言的MFC对话框窗口，除去串口设置与标题文字，界面主要分为3个模块：温湿压值显示、温湿压值与频率的关系显示、可人工查询的数据库.

3　数据采集传输系统的实现及测试

3.1系统搭建与调试

软硬件设计及实验系统搭建完成后，进行了实地测试和分析验证.根据实地测试环境，要求系统接收多个喷涂房传感器组网的数据信息，所以系统中需要使用4套发送设备和1套接收设备，选择68号和69号喷涂房进行测试，每个房间安装2个采集传输终端设备，上位机可获取4个终端设备的数据信息.

将搭建好的硬件系统的接收端连接到上位机，启动硬件系统，系统演示界面如图3所示.运行基于C++语言编写的MFC对话框窗口，打开串口，更新频率与温湿压关系的数据库，进行频率查询与比对，读取对应频率的温湿压数据，且实时显示出不同喷涂房内的不同组温湿压传感器的频率以及温湿压值.

图3　上位机软件显示Fig.3　The host computer software display

温度的变化范围为0～60 ℃，其梯度为2 ℃；湿度变化范围为30%～95%，其梯度为2%；气压的变化范围为600～1100hPa，其梯度为25hPa.为了保证数据的准确性和可靠性， 3组数据表中的值都是20次测量取平均值后的结果.从图3可以看出，4套采集传输设备采集得到的数据在演示界面上得到了显示，同一个房间内的两套传感器采集设备得到的结果几乎一致.

3.2性能评估

图4　温度、湿度及气压的实际和理论结果对比Fig.4　Practical and theoretical results comparison chart of temperature, humidity and pressure

测试分析无源传感器在不同环境参数下的应变性能，以便得到相关信息.将无源传感器置于温湿压变化箱，每次固定其中两参数为常态.图4a为测量出的温度传感器频率的实际值与示波器跟踪结果(理论值)随温度变化的曲线对比；图4b为湿度传感器频率的实际值与理论值随湿度变化的曲线对比；图4c为气压传感器频率的实际值与理论值随气压变化的曲线对比.

由图4可以看出，3种情形下的实际值和理论值的误差均很小，均在允许的误差范围内，且实际值与理论值的曲线变化趋势相同，由此表明该系统具有可行性与可靠性.

4　结束语

笔者设计了一种基于无源传感器的温湿压数据采集传输系统，该系统利用无源传感器的频率作为输出信号，采用对频率信号定时计数的方法来实现数据读取.采用搭建的数据采集传输软硬件平台和上位机软件测试系统，较好地实现了数据的准确获取，整个系统可靠性强，具有较强的实用性.该系统可应用于设备间接供电的领域.

[1]詹建徽, 张代远. 传感器应用、挑战与发展[J]. 计算机技术与发展, 2013, 23 (8): 118-121.

[2]许俊杰, 陈磊, 董辛旻. 基于ZigBee的振动监测无线传感器网络设计[J]. 机床与液压, 2010, 38 (22): 107-108.

[3]孙利民, 李建中, 陈渝, 等. 无线传感器网络[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005．

[4]BOGUER.Energyharvestingandwirelesssensors:areviewofrecentdevelopments[J].SensorReview, 2009, 29 (3): 194-199.

[5]GLYNNE-JONESP,WHITENM.Self-poweredsystems:areviewofenergysources[J].SensorReview, 2001, 21 (2): 91-98．

[6]THAITT,MEHDIJM,AUBERTH,etal.AnovelpassivewirelessultrasensitiveRFtemperaturetransducerforremotesensing[C]∥MTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,IEEE, 2010: 473-476．

[7]HINESJH,OLIELP,COTEGO,eta1.16-sensorpassivewire-lessSAWhumiditysensorsystem[C]//ProceedingsofFrequencyControlSymposium(FCS), 2012: 1-4.

[8]丁利琼. 基于陶瓷的无线无源高温压力与温度传感器的设计制备及测试[D]. 山西:中北大学信息与通信工程学院， 2014.

[9]李小菲.LC无源湿度传感器研究及实现[D]. 陕西: 西安电子科技大学微电子学院， 2014.

[10]CHENGHT,RENXH,SIAMAKE.Wirelesspassivetemperaturesensorsusingintegratedcylindricalresonator/antennaforharsh-environmentapplications[J].IEEESensorsJournal, 2015, 15 (3): 1453-1462.

[11]傅文珍, 张波, 丘东元, 等. 自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29 (18): 21-26.

[12]王权平, 王莉.ZigBee技术及其应用[J]. 现代电信科技, 2004 (1): 33-37.

[13]周怡頲, 凌志浩, 吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J]. 自动化仪表， 2005, 26 (6): 5-9.

[14]蔡型, 张思全. 短距离无线通信技术综述[J]. 现代电子技术, 2004, 27 (3): 65-67.

[15]DEHENNISAD,WISEKD.Awirelessmicrosystemfortheremotesensingofpressure,temperature,andrelativehumidity[J].JournalofMicroelectroMechanicalSystems,IEEE, 2005, 14 (1): 12-22.

(责任编辑郑小虎)

Thedesignofdatacollectionandtransmissionsystembasedonpassivesensors

ZHANGYu，HUYanjun*

(KeyLaboratoryofIntelligentComputing&SignalProcessing,MinistryofEducation,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)

Thedesignofwirelesspassivesensorisanimportantissueinsensornetworkapplications.Inthispaper,traditionaltemperature，humidityandpressuredataacquisitionsystemwasasingleparameterpackagesystem，aimedatthecharacteristicsofsingleoutputandlowreliabilityofthesystem,adatacollectionandtransmissionsystembasedonpassivesensorsandmulti-parameterhybridpackagingtechnologywasdesigned.Thissystemwascomposedbythreeparts,thehostcomputer,timecountingsamplingbasedonSTC(systemchip) 89C52andwirelessadhocnetworktransmissionbasedonZigBeeprotocolstack.Combinedwiththepracticalapplicationofthehardwareandsoftwaredesignofthesystem,theactualtestresultsshowedthatthesystemwaseffectiveandfeasible.

passivesensors；ZigBeeprotocolstack；adhocnetworks；multi-parameter

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.02.011

2015-10-07

国家863高技术研究发展计划资助项目(2013AA041101)

张玉(1989-)，男，安徽亳州人，安徽大学硕士研究生；*胡艳军(通信作者)，安徽大学教授，博士生导师，E-mail:yanjunhu@ahu.edu.cn.

TN914

A

1000-2162(2016)02-0062-05