传感器测量系统的目的_基于无线传感器网络的体温测量系统设计

　　摘要:介绍了一种利用无线传感器网络,完成体温数据无线传输的方案。该系统的主控部分采用了符合ZigBee标准的CC2430芯片,融合了传感器技术、生命信息检测技术和ZigBee技术。实验表明本系统具有功耗低、体积小、精度高以及实时性强、稳定可靠、使用灵活方便的特点。
　　关键词:无线传感器网络;CC2430;体温测量
　　中图分类号:TP274.2 文献标识码:A
　　
　　Design of temperature measurement system based
　　on wireless sensor network
　　
　　TIAN Ying LIU Jun
　　(Department of Communication Engineering, Engineering College of Armed Police Force, Xi’an 710086)
　　
　　Abstract:This paper introduces a new scheme which uses wireless sensor network to transmit temperature information.The system adopts CC2430 specifically tailored for ZigBee applications as the main control chip and combines sensor technology, Life Information detection technology and ZigBee technology.Experiments show that the measurement system has the characteristics of low power consumption,small size,high accuracy,real-time data transmission,stable and reliable performances,convenient and flexible operation.
　　Keywords: wireless sensor network;CC2430;temperature measurement
　　
　　1引言
　　
　　现有的测量监护系统存在一定局限性,主要表现在:(1)传感器通过有线方式和处理器连接(2)独立的传感器间缺乏整合(3)不支持信号的持续采集和数据的实时处理(4)体积和功耗大,不便于携带。本文针对这些问题进行研究探讨,通过对生命信息检测技术及ZigBee无线传输协议的分析研究,结合相应的嵌入式软件及应用软件系统,研究并设计出一种基于无线传感器网络的体温测量系统。
　　无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理方式受到国内外学术界和科技界的高度重视。它综合了微机电系统、传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,以自组多跳的网络方式传送到用户终端,实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通,从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动[1]。
　　
　　2系统总体结构设计
　　
　　本系统的无线传感器网络的实现采用了ZigBee的简单组网技术,设计了以监护平台计算机为中心,微型感知节点为移动终端的星形网络架构。在这种网络结构中,所有终端节点设备与中心网关设备通信。整体架构如图1所示。
　　 中心网关设备的具体功能:
　　(1)负责整个网络的初始化,确定ZigBee网络的ID号和操作的物理信道,并统筹短地址分配,提供数据路由和安全管理等服务。
　　(2)通过串口与上位机指挥中心进行数据通信。
　　(3)可以对正在请求增加的子节点做出判断,允许或者禁止其加入,也可以删除已加入到网络中的子节点。
　　(4)对已经加入的各个子节点进行实时监测,如果某一子节点发生异常状况,则中心设备发出相应的报警信息。
　　(5)数据保存和备份。
　　微型感知终端的具体功能:
　　(1)终端可以自动寻找中心网关设备,申请加入网络。
　　(2)完成采集所接入的模拟信号传感器信息的读取发送功能。
　　(3)自动唤醒自动测量体温值,通过实时时钟设定测量时间,完成在一定时间间隔内的数据采集和测量。
　　
　　3体温测量系统的硬件设计
　　
　　 3.1系统硬件电路图设计
　　下图为使用protel软件设计的系统硬件电路原理图。系统硬件主要分为两部分,一部分是体温传感器模块,另一部分是处理收发模块,如图2所示。
　　
　　 3.2收发处理模块
　　本系统选用CC2430芯片进行设计。该芯片是Chipcon公司生产的首款支持ZigBee协议的SoC解决方案。它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。
　　CC2430芯片沿用了以往CC2420芯片的结构,在单个芯片上集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051) ,具有32/64/128 kB可编程闪存和8KB的SRAM,还包含DMA、模/数转换器(ADC)、定时/计数器、AES - 128安全协处理器、看门狗定时器(WatchdogTimer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。
　　CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别小于27 mA或25 mA。CC2430具有从休眠模式转换到主动模式用时短的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[2]。
　　
　　 3.3体温传感器模块设计
　　 3.3.1电桥测量方案的设计
　　体温传感器模块采用的是Pt100温度传感器。Pt100是由铂金属热电阻制作的正温度系数热敏电阻传感器,具有测温范围广、稳定性好、精确度高、抗振动、示值复现性高和耐氧化等特点,是中低温区(-200℃～650℃)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计。它在0 ℃的额定电阻值是100Ω,电阻温度系数α为3.92×10-3/℃,电阻率为9.81×10-6Ω・cm2/cm。
　　铂热电阻阻值与温度关系为:
　　0℃≤t≤850℃时,
　　 RPt100=100*(1+At+B*t2)(1)
　　式中,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735。可见Pt100的线性较好。由于本系统应用于人体温度的测量,测量范围比较窄,35℃～42℃即可满足测量要求,因此可以认为阻值与温度呈线性关系,阻值表达式可简化为:
　　 RPt100=100(1+At) (2)
　　在生理测量中,电桥是一个重要的测量线路,它是从传感器到放大器的桥梁,具有结构紧凑、灵敏度高、测量准确度好的特点。本文采用惠斯登电桥作为信号检测变化电路的传感器电桥。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　从电桥获取的差分信号接入电压跟随器以便隔离后级电路对电桥电路的影响,再送入低功耗集成四运放LM324中进行放大,从而得到足够的信号幅度,最后送入CC2430芯片的ADC中。
　　为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大,前级固定放大10倍,后级放大115倍,并在放大电路两级间接入接地电容,用来降低噪声,提高系统抗干扰能力。此外,为了保证电桥的输入端获得稳定的电压,在电源输入端处接入TL431,使电桥的输入电压稳定在5 V。
　　 3.3.2 A/D转换电路设计
　　本系统的模数转换采用CC2430内置ADC。考虑到测量体温的范围为35℃～42℃,经测量电桥转换成电信号的输出电压是毫伏级的,这样的直接输出对于CC2430的ADC是无法采集的,需要将以上毫伏信号放大成与ADC匹配的信号。
　　为了提高测量精度,并充分利用ADC的测量量程,将35℃的输出电压设为“零点”, 42℃时的电桥输出经两级放大后达到3 V。
　　为达到以上设计要求,该A/D转换电路利用LM324构成减法电路来实现,通过电阻R1K分压,从电源处获取参考电压VREF=5×R1K/( R1K+R39K),将VREF送入减法电路与测量电路的第一级前置放大器的输出电压相减,即可使35℃时输出为零。
　　经计算,当温度t=35℃时,RPt=113.65Ω,带入式子:
　　得U0=13.12 mV,经过前置放大器放大10倍后输出电压应为131.2 mV,所以VREF=131.2 mV。
　　当温度t=42℃时,RPt=116.38Ω,带入式子(3)中,得U0=15.73 mV,经前置放大器放大10倍,并与VREF相减后输出为26.1 mV,则第二级放大器的放大倍数AV=3000/26.1≈115。
　　
　　4体温测量系统的软件设计
　　
　　本系统移植了TI公司的ZigBee2006协议栈,以ZStack-1.4.2-1.1.0的SerialApp例程为基础进行体温测量系统的应用开发。
　　ZigBee2006协议栈提供了可靠、安全、高效的ZigBee协议实现方法,采用分层的软件结构,各层相对独立,便于设计和调试。其中的OSAL 层实现了一个轮转查询式操作系统,采用多任务事件轮循机制,当各层初始化之后,系统进入低功耗模式,按照任务的优先级,由高到低不断查询几个要执行的任务是否有事件发生,如果发生,唤醒系统,进入中断处理事件,完成后转入低功耗模式。如果没有发生,就查询下一个任务。这个无限循环的查询功能是通过任务调度过程osal_start_system实现。这种软件构架可以降低系统的功耗[3]。
　　
　　 4.1星形网络的设定
　　在ZigBee2006协议栈中,可以实现三种组网形式。网络的设置在nwk_globals.c和nwk_globals.h中完成[4]。
　　为了实现星形网络,首先通过nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID参数来定义网络类型。参数STACK_PROFILE_ID有3种量,分别表示网状网络、星状网络、和树状网络。在nwk_globals.h中加入如下定义语句,从而在系统中构建星形结构的ZigBee无线传感网络:#define STACK_PROFILE_IDGENERIC_STAR
　　此外还需设置参数MAX_NODE_DEPTH网络路由深度和网络中的设备数NWK_MAX_DEVICE_LIST。根据星形网络的特殊性,设路由深度为1,本系统中设最大能容的设备数为20。实现语句如下:
　　#define MAX_NODE_DEPTH1
　　#define NWK_MAX_DEVICE_LIST 20// Maximum number of devices
　　最后设置整个网络中需要的路由器和最终节点的个数。
　　byte CskipRtrs[MAX_NODE_DEPTH+1] = {5,0};是通过一个数组的方式定义在0级(协调器直接通讯)最多挂载5个路由器,第一级不挂载。
　　byte CskipChldrn[MAX_NODE_DEPTH+1] = {5,0};是通过一个数组的方式定义在0级(协调器直接通讯)最多挂载5个终端,第一级不挂载。
　　
　　 4.2模拟量的测量编程
　　CC2430芯片的A/D输入端引脚和I/O口的P0口复用,引脚必须通过ADC输入配置寄存器进行配置,把寄存器ADCCFG相应位设置为1。本系统的A/D引脚用了P0.0口,分辨率为14位,参考电压为AVDD_SoC。下面是测温程序的部分实现代码。
　　ADCResult[0]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_RESOLUTION_14);
　　ADCResult[1]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[2]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[3]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[4]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[5]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[6]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[7]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[8]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　ADCResult[9]=
　　HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_ RESOLUTION_14);
　　for(int z=0;z 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　afStatus_t afDataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,uint8 options, uint8 radius )
　　(2)数据格式定义
　　两字节地址+“号”+“:”+ “体温”+“:”+两字节体温值+“℃”。其中两字节地址为其IEEE地址后两位。
　　(3)数据接收
　　网关接收到感知节点发送的体温数据后,将触发SYS_EVENT_MSG事件,并对AF_INCOMING_ MSG_CMD信息做出处理,调用SerialApp_ ProcessMSGCmd函数,执行命令SERIALAPP_ CLUSTERID1,利用函数HalUARTWrite将数据发送到串口。
　　(4)可靠传输
　　为了提高数据传输的可靠性,网关在接收到感知节点采集的数据后,将接收状态参数打包成为接收数据响应信息,返回给感知节点。若发送不成功,产生重发数据响应事件SERIALAPP_RSP_ RTRY_EVT,重发响应信息。若感知节点收到接收数据响应信息,执行命令SERIALAPP_CLUSTERID2,判断信息包中的接收状态参数。若接收状态为OTA_SUCCESS,表明接收节点将数据成功发送到串口,若接收状态为OTA_DUP_MSG,表示数据发重了,若接收状态为OTA_SER_BUSY,表明接收节点串口繁忙,应启动重发机制,利用重发数据事件SERIALAPP_MSG_RTRY_EVT重发数据,重发的次数由RtryCnt设定。由于在数据包之前增加了序列号SerialApp_SeqTx,多次重发的数据不会被接收节点重复发送到串口。
　　
　　5结果与讨论
　　
　　 按照以上所述方案设计的体温测量系统,能够在接收传感器节点信息的同时对信息进行分析处理和存储,并且实现精确、可靠的信息采集、存储与实时监测功能。另外由于采用了低功耗、高度集成化的CC2430作为主控和射频芯片,极大地降低了系统功耗,简化了系统设计。未来,随着无线传感器网络技术的发展,本系统的应用前景将更加广阔。
　　
　　参考文献
　　[1] 王骥,沈玉利,林菁.基于无线传感器网络生理参数采集系统设计[J].电子测量与仪器学报,2009,23(2):94-99.
　　[2]李正,关永,王亮等.嵌入式ZigBee串口模块的设计[J].微计算机信息,2009(20):40-41.
　　[3] 崔逊学,赵湛,王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].北京:国防工业出版社,2009:244-245.
　　[4] 汪丰,赵明光,符志鹏.基于Zigbee技术的无线医疗监护网络的研究[J].中国医疗设备,2008(12):13-16.
　　
　　作者简介
　　田颖,武警工程学院通信系研究生,主要研究方向为无线通信技术与电子技术应用。
　　刘军,武警工程学院通信系电子技术教研室教员,教授,研究生导师,主要研究方向为无线通信技术与电子技术应用。
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