一种小型化无线传感网络的设计

蔡惠华 孟翔宇 孙德冲 吴永红 葛 萌 戴宜霖

（北京航天计量测试技术研究所，北京 100076）

一种小型化无线传感网络的设计

蔡惠华 孟翔宇 孙德冲 吴永红 葛 萌 戴宜霖

（北京航天计量测试技术研究所，北京 100076）

采用zigbee技术实现基于mems传感器的无线传感网络节点小型化设计，组成的小型化系统可用于航天器各仓段内部温度、湿度、压力、加速度等状态参数的监测。小型化无线传感网络采用集中供电方式即可以减小节点体积，又便于后续电池更换。传感器信号无线传输方式，可以大大减少航天器电线电缆的数量、减小布线带来的困难及航天器总体质量。

无线式传感网络 航天器状态监测 传感器节点

AbstractA mini system of WSN base on the mems sensor was made by uses of zigbee technology.the temperature，humidity，pressure，acceleration of spacecraft ’s every cabin station can be test by this system.The mini WSN system’s power was supplied together by wire，this not only can reduce the volume of sensor notes，but also can convenient for the change of battery.sensor notes transmiss wirless can reduce the amount of wire cable，the wire cable layout problem and the quality of spacecraft.

Key wordsWSN Spacecraft station testSensor notes

1 引言

航天飞行器在飞行过程中，需要在线实时地获取与飞行器结构健康状况有关的状态信息，如温度、压力、噪声、振动、冲击等参数，这些传感器种类繁多、而且大都采用线缆连接方式，传统线缆连接方式，造成航天器质量体积功耗增加，布局布线复杂，后期测试困难[1]。

目前基于zigbee方式的无线传感网络技术发展十分迅速，而且也大量应用于民用物联网技术中，而采用ZigBee技术组建的无线传感器网络具有自组织和自愈功能，通信可靠，并具有功耗低、网络容量大、成本低、覆盖范围广等特点，满足无线传感器网络所需分布式、自组织、规模大和动态性强等要求[2]。

国内外针对无线传感器网络技术的研究越来越多，也进行了相关的地面测试试验验证。在航空航天领域，国外的研究已经成功实现搭载。第二炮兵工程大学对于VSHMS的研究，目前尚未进行机载或者弹上试验，仅在地面进行相关试验验证[3]。国外很多机构致力于无线传感网络在航天飞行器内状态监测的研究，Thomas Becker等人设计了用于飞机结构健康的监测自主式传感器节点，对飞机的疲劳状况、损伤状况以及结构压力进行监测[4]。M.Beekema等人提出了可应用在在线飞行器内部状态监测的无线传感器网络模型，该系统模型中采用了新型的多网关设计[5]。新加坡南洋理工大学于2014年成功研制基于ZigBee技术的无线传感器网络并实现星载，使卫星的规模降低至少10%。

航天器产品一方面传感器多，如果每个传感器都配备独立电池，更换不方便。另一方面，航天器内设备多，空间狭小，需要传感器节点体积尽量小。本文基于这种运用背景，提出采用电池集中供电方式的小型化传感器网络应用于航天器结构状态监测。传感器节点尺寸目前主要受制于电池的尺寸，采用集中供电方式即可以减小节点体积，又便于后续电池更换。每种传感器节点至少有2～4根信号传输线，采用无线传输方式，可以大大减少航天器电线电缆的数量、减小布线带来的困难及航天器总体质量。

2 系统组成及原理

本设计提出的用于飞行器内部状态监测的小型化无线传感器网络系统是采用Zigbee网络技术实现的，无线传感网络主要由四部分组成，传感器节点、网关节点、计算机、电池。采用集中供电的方式，总体的系统框图如图1所示。

2.1 传感器节点

传感器节点由控制及无线模块、传感器两部分组成如图2所示，其中无线通信及控制模块采用TI公司CC2530模块。CC2530内含增强型8051和一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。通信接口一般根据传感器的特性有SPI、I2C、ADC等。控制模块通过通信接口控制传感器采集信号，并将信号接收后通过无线模块发送出去。

2.2 网关节点

网关节点由控制及无线模块、flash存储、通信接口转换三部分组成如图3所示，控制及无线模块一方面将传感器节点发送过来的数据通过SPI接口发送给flash存储，通过通信接口转换模块传送给上位机，另一方面接收上位机指令，无线发送给传感器节点。其中控制及无线模块与传感器节点的硬件模块一致。

2.3 计算机界面

该系统中，计算机属于选用设备，计算机主要是实现对传感器网络参数调整和设置，本设计有两种应用：

①不接入计算机及用户界面时，传感器采集到的信息，通过无线收发器发送给网关，网关将接收到的信息存储在外置flash芯片里。

②接入用户界面，一方面可以实时显示各个节点的信息状态，对无线传感器网络系统的工作状态可随时进行调整和设置；另一方面可以将存在flash芯片里的历史数据提取出来并进行信息处理。

3 系统硬件设计

3.1 传感器节点

3.1.1 控制及无线模块

ZigBee无线通讯模块由TI的低功耗RF芯片CC2530、32MHz系统时钟晶振、32.768KHz的监控时钟晶振及能使射频性能最佳化的RF射频前端匹配滤波电路、天线组成。天线主要有外接SMA天线和集成了sniffer天线。本文采用集成的siniffer天线，无线通讯模块的电路原理图如图4所示。

3.1.2 传感器

本文实现的无线传感网络系统中测试的参数包括温度，湿度、压力、三向振动这四种参数。其中温度：-40～+120℃，误差：±3%；湿度：0～100%RH，误差：±3%；

压力：0～100kpa，误差：±2%；

三向振动：±10g，2～200Hz，误差：±10%；

三向振动：±20g，10～1600Hz，误差：±10%。

为了实现小型化，选用的传感器必须体积小，且具备SPI、I2C、ADC等常用接口。根据以上要求，选择mems传感器，mems传感器集成度高，只需简单的外围电路就能正常工作。本文设计中的温湿度传感器采用sensirion公司的SHT15芯片，压力传感器选用美国精量电子生产的MS4525D0芯片，三向振动传感器选用美国ADI公司的ADXL326 MEMS芯片和DXL375 MEMS芯片。

传感器的外围电路如图5（a）～（d）所示，其中温湿度传感器、压力传感器通信接口均为I2C模式，三向振动传感器ADXL375通信接口为SPI模式，ADXL326是模拟信号输出，采用ADC模式。

温湿度传感器SHT15输出为十六进制数，转成十进制后，按公式（1）～（3）进行转化。

式中：X——温度输出十进制数；T——实际温度值，单位为℃；Y——湿度输出的十进制数；RHlinear——修正的湿度值；RHtrue——实际的湿度值，单位为RH%。

压力传感器MS4525D0输出为十六进制数，转成十进制后，按公式（4）和公式（5）进行转化。

式中：X——温度输出十进制数；T——实际温度值，单位为℃；Y——压力输出的十进制数；P——实际压力值，单位为kPa。

三向振动传感器ADXL375输出灵敏度典型值在49mg/LSB，1g重力加速度变化读书对应在20左右。本设计中，ADXL375采用SPI与无线通讯模块进行通信，其SPI接口采用4线式，SDI（串行数据输入）、SDO（串行数据输出）、CS（从使能信号）、SCLK（串行移位时钟）。采集结果转换公式如式（6）所示。

式中：X——振动数值输出十进制数，采集结果是最终的振动传感器值，单位为g。

三向振动传感器ADXL326输出x，y，z三向模拟信号，无线通信模块自带AD转换器，支持7bits到12bits的分辨率。传感器输出和供电电压有关系。以本设计供电电压3.3V为例，该传感器灵敏度典型值约为62mV/g，1g重力加速度变化，输出电压对应变化62mV，0g输出在1.65V。需要注意的是，0g对应1.65V只是理论值，实际还需要进行校准。采集结果转换公式如式（7）所示：

式中：X——振动数值输出十进制数，采集结果是最终的振动传感器值，单位为g。

3.2 网关节点

3.2.1 flash存储

SPI Flash具有数据可靠、引线少、接口简单、使用方便的优点。本设计中数据存储Flash采用W25Q64BV芯片，该芯片具有64Mbit容量，4M的SPI传输速率。主处理器通过SPI协议控制数据的读、写、擦除等功能。SPI Flash的电路原理如图6所示。

3.2.2 通信接口转换电路设计

CC2530模块具有USART0和USART1两个串行通信接口，它们可运行于异步UART模式或同步SPI模式，本设计采用的是异步UART通信，考虑到有些计算机不具有串口接口，另外设计了串口转换设计，采用了接口转换器 PL2303，实现了USB到串口的转换，如图7所示。

4 实物及系统测试界面

4.1 传感器节点及网关节点实物图

设计完成的实物非常小巧，并具有外接接口的结构设计，方便安装到各个待测试的部位。传感器节点及网关的实物图如图8～图9所示。实物尺寸见表1。

表1 传感器实物尺寸

4.2 测试界面

无线传感器网络系统的计算机界面用于实现对传感器网络参数调整和设置，如图10所示。

计算机接入该系统后，开启系统所有工作，点击“输出结果”按钮，会将所有的结果保存到一个execel表格文件里。输出的结果包含信息标志，网络地址，时间，功率、节点号，测试结果等基本信息，具体见表2。以表2中第2列为例，节点号“03”代表压力传感器，对应测试结果中“100.35”代表输出的压力值100.35kPa，21.32代表输出的温度值21.32℃。

表2 输出结果列表

5 结束语

本文主要针对航天器内部的特殊应用，介绍温湿度、压力、三向振动等各个无线传感器节点及协调器的具体硬件电路设计，介绍 了系统的软件功能，组成小型化无线传感器网络系统，给出测试结果。本次测试是在常温下地面室内进行，测试结果准确可靠，但仍需进行下一步的校准等工作。

[1]陈丹，郑增威，李际军.无线传感器网络研究综述[J].计算机测量与控制，2008（08）.

[2]周莉，曹松等.航天器内环境监测的无线传感器网络技术研究[J]. 空间科学学报，2012，32（6）：846～854.

[3]姚鹏等.基于无线传感器网络的飞行器结构健康监测系统的关键技术研究与应用[J].现代电子技术.2013，36（11）.

[4]Thomas Becker，Martin Kluge，Josef Schalk，et al.Autonomous Sensor Nodes for Aircraft Structural Health Monitoring [J].IEEE SENSORS JOURNAL，2009，9（11）：1589～1595.

[5]M.Beekema.Fault-Tolerant Platform for Intra-Spacecraft Modular Wireless Sensor Network[D]，Nederland：Delft University of Technology，2011.

[6]李志新.基于zigbee无线传感网络的组网研究与实现[D].南京：南京大学硕士学位论文，2015.

[7]刘瑞超.无线传感网络中数据收集技术研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2014.

Design of a Miniaturization Wireless Sensor Network

CAI Hui-hua MENG Xiang-yu SUN De-chong WU Yong-hong GE Meng DAI Yi-lin
（Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，beijing 100076，China）

TN98

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.13

2017-04-10，

2017-06-26

蔡惠华（1986.02-），女，工程师，硕士，主要研究方向：微波，电学、无线电计量测试技术及测试设备研发。

1000-7202（2017）03-0060-06