一种基于Zigbee的无线应变传感节点设计

郭二辉

摘要：本文设计了一种无线应变传感节点，采用康铜材料、3500、10mm应变片接入直流电桥结构，利用两级运算放大器进行应变信号检测，其后采用STM32F103低功耗MCU进行数据采集，数据通过Zigbee节点发往监控主机，在监控主机进行数据分析。最后搭建了一个实验系统，通过实测分析验证了设计的可行性。

[关键词]电阻应变片无线传输紫蜂协议

1引言

无线物联网在运输物流、智慧工厂、智慧农业、智能家居、智能交通等众多场景下都可以得到广泛应用。如文献[1]利用Zigbee结合4G网络构建了公共停车位管理系统;文献[2]利用IEEE802.15.4的物理层和MAC层标准，并结合2G/3G通信网络，构建了一种电力系统的用电信息采集系统;文献[3]利用倾角计作为传感前端、以线缆连接多个倾角计到GPRS收发单元、并以太阳能供电，构建了一套房屋质量健康监测系统;文献[4]利用无线自组网结合GPRS网络构建了一种农作物病虫害智能监控系统;文献[5]从安全角度设计了一种WAPI的接入终端;文献[6]讨论了无线物联网的多中继协作和切换机制。

Zigbee、蓝牙、IEEE802.11b等几种代表性的无线组网标准各有特点，其中IEEE802.11b标准速率可以达到11Mbps，复杂度、成本、功耗都较高，适合于无线internet接入;蓝牙速率可达到3Mbps，复杂度、成本、功耗适中，适合于无线手持设备、无线鼠标、无线耳机等应用;Zigbee速率为数十Kbps到250Kbps，复杂度、成本、功耗都较低，适合于无线传感器网络的构建。应变传感器是测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器，可用于力、力矩、压力、加速度、重量、物体形变等参数的测量、监测。金属导体材料制作的电阻式应变片具有精度高、测量范围广、寿命长、结构简单、环境适应性好、易于实现小型化以及价格低廉等特点，适合于桥梁、大坝、超高层建筑等的应力监测，以保障建筑物的健康。

2系统架构

Zigbee网络参考OSI（OpenSystemInterconnection）七层模型，形成了五层Zigbee网络，分别为物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用程序支持子层（APS）、应用层（APL）。其中Zigbee协议定义了NWK层、APS层、APL层等三层，PHY层和MAC层则直接借用IEEE802.15.4标准（文献[7]）。Zigbee网络各层示意图如图1所示。

Zigbee的物理层和MAC层基于IEEE802.15.4标准，该标准给出了星形网络（StarTopology）和对等网络（Peer-to-PeerTopology）两种拓扑结构，如图2所示。

从目标应用场景约束、系统复杂度和成本等角度出发，可以选择星形网络结构或对等网络结构。利用串口，将应变传感器模块连接于每个Zigbee网络节点上，即可构成基于Zigbee的无线应变传感网络，以星形网络为例，如图3所示。

3Zigbee节点模块

Zigbee节点模块采用TI公司CC2530F256结合CC2591构成。CC2530F256集成了RF收发器、增强型8051CPU，具有8KBRAM以及256KB片上闪存，可以结合TI公司的ZigBee协议栈（Z一Stack），形成完整的ZigBee节点模块。为增加传输距离，搭配TI公司2.4GHz射频芯片CC2591，该射频芯片内部集成了PA、LNA、开关、巴伦和匹配网络，可以提供最高22dBm的输出功率，能够大大提升传输距离。如图4所示。

4应变传感器模块

应变传感器模块由电阻应变片、信号检测与放大、信号采集与处理三部分组成。电阻应变片采用康铜材料、350Q、10mm应变片，标称疲劳寿命超过千万次。信号检测与放大部分，采用直流电桥结构，将电阻应变片作为电桥的一边接入，利用两级运算放大器进行应变片信号检测。信号的数字化采集与分析，利用意法半导体公司的STM32F103进行，该器件为低功耗MCU，内核采用ARM公司32位Cortex-M3CPU，主频72MHz，带有单周期乘法及硬件除法功能，并具有2个1μs12位ADC，可以完成应变电压信号的数字化采集和处理。如图5所示。

5无线传感节点搭建与测试

电阻应变片随着所受外力的不同而产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将增大或减小，信号检测与放大电路输出的不同电压信号代表电阻应变片的不同弯曲状态。将此电压信号数字化、采集并进行分析，即可得电阻应变片的弯曲状态是否出现异常变化，从而得到待检测部位是否正常的信息，监控主机通过综合分析各個监测部位的传感器模块的信息，即可得到建筑物是否健康的结论。将Zigbee节点模块与应变传感器模块组合起来，即构成一完整的无线应变传感节点。搭建无线应变传感节点实验系统，使应变片处于不同弯曲状态，传感节点的数据通过Zigbee发往主机端，在主机端进行数据分析。如图6所示。

主机端收到数据之后，利用Matlab进行数据分析。图7为应变片弯曲状态保持不变和应变片弯曲状态改变15度所得的数据对比，由对比可见，应变片弯曲状态不变时，数据为围绕基底附近的随机噪声;而当应变片弯曲状态改变时，主机端收到的数据出现了明显的规则跳变。下图分别为两种状态下的采集数据对比，为了提高监测精度，应变片弯曲状态变化的数据用单元平均方法作了平滑处理。

6小结

电阻式应变传感器因为价格低、精度高、测量范围广、寿命长、结构简单等优点，广泛应用于建筑物重点部位的应力监测;Zigbee网络因其低功耗、低成本、易组网等特点，而适合于各类传感网络。本文设计了一种基于Zigbee和电阻应变片的无线应变传感网络节点，并搭建实验系统、通过实测数据验证了其可行性。

参考文献

[1]冯佳。基于无线物联网的户外公共停车位管理研究[J].自动化技术与应用，2018，37（08）：59-62.

[2]洪光英，智能无线物联网技术在晋江用电信息采集中的应用[J].通讯世界，2013，11：189-191.

[3]肖烽。基于物联网传感技术的房屋健康监测[J].江西建材，2017，215（14）：251-252.

[4]房亚群，谷利芬，张莉等。基于物联网农业病虫害智能监控的自动喷药机研究[J].农机化研究，2017，8（8）：224-227.

[5]晏强，基于WAPI的无线物联网接入终端设计与研究[D].成都：成都理工大学，2012.

[6]王振朝。基于网络编码的无线物联网多中继协作切换机制刍议[J].电子技术与软件工程，2013（18）：62.

[7]IEEE std 802.15. 4-2015， IEEE Standardfor Low-Rate Wireless Ne tworks [S].