基于无线传感器网络的数据采集系统设计-洪万帆.pdf

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1、电 子 器 件Chinese Journal of Electron Devices第39卷 第1期2016年2月Vol 39 No. 1Feb. 2016Design of Data Acquisition System Based on Wireless Sensor Network*HONG Wanfan，SU Shujing*（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）Abstract：For remote un

2、known monitoring area in the harsh environment，the problem of on-site data acquisition ismore difficult and dangerous，based on the technology of wireless sensor network，a kind of high-accuracy data acquisition system is designed. The system design of wireless voice sensor network node platform with

3、FPGA as themain control chip，the system uses a modular design idea，containing nodes implementing the communication withthe host computers USB data interface module，conditioner converts the sound signal acquisition conditioning modules，wireless transceiver modules for wireless communications，data sto

4、rage memory module and the module responsible for power supply node management. The test results show that the system can be achieved in the final 24kHz sampling rate for the monitoring area of 1 kHz frequency different sound signals of precision acquisition.Key words：wireless sensor network；data ac

5、quisition；FPGA control；data storageEEACC：7220 doi：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.038基于无线传感器网络的数据采集系统设计*洪万帆，苏淑靖*（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）摘 要：针对恶劣环境下远程未知监测区域，进行现场数据采集比较困难和危险的问题，以无线传感器网络技术为基础，设计了一种高精度数据采集系统。系统的无线声音传感器网络节点以FPGA为主控芯片，系统采用了模块化设计的思想，包括含有实现节点与上位机通信功能的USB数据接口模块、调理转换声音信号的采集调理模块、无线通信的

6、无线收发模块、存储数据的存储模块、负责节点供电的电源管理模块。测试结果表明，系统最终可实现在24 kHz的采样率下对监测区域内频率为1 kHz的不同声音信号高精度采集。关键词：无线传感网络；数据采集；FPGA控制；数据存储中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1005-9490（2016）01-0180-06无线数据采集网络是一门新兴的综合性科学技术，涉及到传感器技术、MEMS（微机电系统）技术、数字电子技术、网络和无线通信技术等，因其涉及知识高度集成、多学科高度交叉，是当前的热点研究领域1-2。无线传感器网络 WSN（Wireless Sensor Network）由分布在被测区域

7、内的大量运动的或静止的具有数据采集、无线通信和协同合作能力的微传感器节点组成，每个微传感器针对不同的被测物理量，以多跳和自组织的方式构成覆盖整个被测区域的网络3。各网络节点协作地感知和采集信息，并进行处理，以获得更为详尽而准确的信息，即而达到在室内可以感知外界世界的目的，真正做到现实、人类社会与计算机世界的交互4-6。因其体积小且集成度高，成本低，节点数量大，明显降低布线成本，能应用于工农业控制、灾害监测、环境监测、军事国防、生物医疗、空间海洋探索、城市管理等许多领域7。1 系统总体方案本文设计的无线传感器网络节点平台主要由控制管理部分、数据采集调理部分、USB接口部分、9xtend无线通信部

8、分、RS232接口部分、存储部分、电源管理部分组成。系统采用了模块化设计的思想，系统总体方案结构框图如图 1 所示。数据采集调理模块主要是通过声传感器对模拟声音信号进行采集，并将采集到的模拟量转换为数字量，然后将数字信息传递到控制管理模块；控制管理模块主要是对接收到的数项目来源：国家自然科学基金重点项目(51275491)收稿日期：2015-06-09 修改日期：2015-08-14第1期 洪万帆，苏淑靖：基于无线传感器网络的数据采集系统设计字信息进行分析和处理，从而实施相应的操作；USB接口模块与 RS232接口模块主要实现的是传感器网络节点与上位机之间的通信；存储模块的主要功能是对数字信息

9、进行存储，在试验后可通过对比来提高产品研发的效率；9xtend无线通信模块实现的是节点与节点之间数据传递和命令收发；电源管理模块则是为无线传感器网络节点平台的各个功能模块供电，从而起到节能的目的，实现节点高效平稳的工作。图1 系统总体方案结构框图2 采集系统设计2.1 主控芯片模块设计本节点采用的FPGA芯片是Spartan-3AN系列的 XC3S1400AN 芯片，该系列芯片主要有两个优点：一是优越的SRAM模式，保证FPGA的高性能，其非易失性可有力的保证FPGA稳定工作；二是其接口较多且封装小，能够减小硬件设计时电路板尺寸，以便于产品向微型化和高集成度方向发展。XC3S1400AN芯片有

10、1 400个系统门，8个DCM，最大可用I/O口502个，最大差分I/O口227个，其中引出了 40 个扩展接口，这样可以更方便的与其他硬件电路实现连接，从而提高节点的通用性。2.2 通信模块设计通信模块分为 9XTend 无线收发模块和 USB数据接口模块。无线收发模块主要实现无线网络传感器节点与节点之间的异步串行数据传递和命令收发，9XTend 内核设备为射频模块 XT09-SI 型号产品，是Digi公司出品的一款ISM 900 MHz频段产品。USB数据接口模块使用由FTDI公司开发生产设计的 FT245BL芯片来实现节点向上位机传送数据，FT245BL 芯片内部制定了两个数据缓冲区（F

11、IFO），分别是 128 byte 的接收缓冲区（接收FIFO）和 384 byte 的发送缓冲区（发送 FIFO）。这两个 FIFO 是 USB 总线数据和并行数据格式的匹配缓冲区，在本节点中就是 FT245BL 与硬件主控制器FPGA的数据缓冲区。2.3 采集调理模块设计系统中的采集调理模块包括声传感器、调理电路、A/D转换芯片。节点选用的声传感器为北京声望公司设计生产的产品，型号为 MPA416，长度为61 mm，可响应的频率范围为20 Hz至20 kHz，输出接口为 SMB，需 4 mA 的恒流源供电，最大电压24 V，动态范围 29 dB/A127 dB/A，灵敏度（502）dBmV

12、/Pa，本底噪声为29 dB/A。2.3.1 调理电路设计声传感器需 4 mA 的恒流源供电，所以设计恒流源电路中选用了LM134芯片；设计中需产生一个2.5 V 基准电压，故选用了半导体公司生产的芯片LM136。图2所示为采集通道信号调理电路，选用的是压控电压源二阶高通滤波电路，图中2.5 V基准电压用于产生直流偏置的作用，模拟信号进入采样调理电路后经过滤波、放大、偏置和跟随后可以保持在05 V的范围内输出以满足芯片ADS8365的采样需求。2.3.2 采集电路设计系统设计最重要的一点是要还原原来的模拟信号，这就需要采样信号有足够高的采样频率。根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理，在进行

13、A/D 转换过程时，采样频率至少要大于信号中最高频率的 2 倍，而在一般的应用中要保证采样频率为信号最高频率的 5 倍10 倍，才能较好的还原原来模拟信号的信息8。在时钟的频率设计上，本节点选用了 18.432 0 MHz 的外部晶振，在程序的编写上，首先进行 2 倍频，然后再进行 32 分频，从而能将 1.152 MHz 的时钟输入到 ADS8365 的时钟端。在设计时，将采样率定为单通道 24 kHz，这需要对倍频后得到的 36.864 MHz 时钟 4 分频，这样可以得到 9.216 MHz。之后用 9.216 MHz 作为FPGA 内部采集模块的时钟，在这个模块内对时钟计数，每一个循环

14、周期是 384 个计数值，计算出 f=9.216 MHz/384=24 kHz，这就是单通道的采样率。本节点设计的采集模拟量信号最高频率为1 kHz，因此将各通道采样率设置为 24 kHz 可满足设计要求。模数转换（A/D）芯片是采集部分的重要组成，本节点选用的模数转换芯片是TI公司设计生产的ADS8365。它的特点是速度快、功耗低、6个通道同步采样、16位并行接口、+5 V供电。ADS8365的时钟频率范围为0.05 MHz到5 MHz，由芯片资料可知，当输入时钟为3 MHz时，单路通道数据传输率可以181电 子 器 件 第39卷达到100 ksample/s，转换时间为5.5 s；在时钟输

15、入为5 MHz时，其有16.5个时钟的转化时间和3.5个时钟的获得时间（ADS8365转换时序图如图3所示）。其电路设计原理图如图4所示，通过FPGA来控制模数转换芯片采集模拟量和转换成数字量，并将转换的数字量交由FPGA处理。图2 调理电路原理图图3 ADS8365转换时序图图4 采集电路原理图2.4 存储模块设计在室外实际应用中，需要节点对采样的数据进行保存以便于后期数据的分析和研究，所以电路中设计了FLASH存储模块。在硬件电路设计中选用FLASH 芯片的型号为 K9WBG08U1M，大小为 4Gbyte，该芯片内部有两个Device，1个Device有4个Plane，1个Plane中有

16、2 048块，1块有64页，1页有4K字节，如图5所示为FLASH硬件设计原理图。182第1期 洪万帆，苏淑靖：基于无线传感器网络的数据采集系统设计图5 FLASH原理图3 实验结果通过声音校准仪发出声音信号源，声信号源的参数为1 kHz、114 dB，传感器节点中的声传感器接收到声信号后转换成模拟电信号进入采集调理电路，然后由FPGA控制转换为数字信号。根据芯片手册提供的声压级计算公式：SPL(dB)=20log10pe(Pa)210-5Pa，传感器的灵敏度为50 mV/Pa。可以得出传感器在接收114 dB的声音信号时输出的电压为0.501 2 V，进入调理电路后输出的电压为920 mV4

17、.04 V，然后进入芯片ADS8365。利用24 kHz的采样率对声音校准仪发出的不同声音信号进行采集，将采集到的数据通过USB接口回传至上位机，最后通过上位机软件对数据包进行还原。1列12列为通道采集的数据，采样率为24 kHz，采集的声音信号频率为1 kHz，12个点为一个周期，13列、14列为帧计数，15列、16列为帧尾。如图5图 7 所示为上位机还原出来的波形，可以看出，在24 kHz的采样率下，还原出来的信号光滑无毛刺。图6 通过上位机软件还原出的采样正弦波形183电 子 器 件 第39卷图7 通过上位机软件还原出的采样方波波形图8 通过上位机软件还原出的采样三角波形4 结束语通过将

18、大量声音传感器空投到未知监测区域的方式，建立无线传感器网络节点平台，在此基础上设计了一种数据采集系统，该系统通过上位机软件还原采集到的波形，由波形数据可以看出，系统可实现对监测区域内声音信号的高精度采集。本文设计的数据采集系统只选择了采集声音信号的声音传感器，如果将声音传感器换成其他类型的传感器，如温度、压力等传感器，即可采集未知区域内的这些参数。参考文献：1 解子亮.分布式无线数据采集的实现D.合肥：中国科学技术大学，2011.2 赵鹏，孙玫，钱海忠，等.基于移动机器人无线传感网络数据采集方法研究J.电子器件，2013，36(6)：881-884.3 王福豹，史龙，任丰原，等.无线传感器网络

19、中的自身定位系统和算法J.软件学报，2005，16(5)：857-868.4 余向阳.无线传感器网络技术综述J.单片机与嵌入式系统应用，2008(8)：1-11.5 刘泳锐，刘文怡，张彦军.声无线传感网络节点数据高速存储实现J.电子器件，2013，36(5)：696-699.6 石军锋，钟先信，陈帅，等.无线传感器网络结构及特点分析J.重庆大学学报（自然科学版），2005，28(2)：16-19.184第1期 洪万帆，苏淑靖：基于无线传感器网络的数据采集系统设计7 Akyildiz I F，Su W，met al. Wireless Sensor Networks：AsurveyJ. Computer Network，March 2002，38(4)：393-422.8 林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用J.电气电子教学学报，2009，31(5)：98-100.洪万帆（1989-），男，汉族，湖北黄梅人，中北大学仪器与电子学院，硕士，主要研究方向电路与系统、信号处理，；苏淑靖（1971-），女，汉族，山西吕梁人，中北大学副教授，博士，主要研究方向为测试技术、电路系统。185