摘要：通過(guò)分析傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)構(gòu)成，以及其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘囊苿?dòng)性不足的缺限，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可同時(shí)滿足傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。相關(guān)教學(xué)實(shí)踐表明，該改造成果使學(xué)生更好地加強(qiáng)了對(duì)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的整體概念的理解和相關(guān)技能的訓(xùn)練。
關(guān)鍵詞：傳感器；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；ZigBee；改進(jìn)

0 引言
    傳感器種類繁多，且不同類型傳感器的工作原理、測(cè)量目標(biāo)和測(cè)量環(huán)境差異很大，并且相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成也不盡相同，往往在傳感器實(shí)驗(yàn)室中要準(zhǔn)備多套實(shí)驗(yàn)裝置。在傳統(tǒng)的學(xué)校傳感器教學(xué)環(huán)境中，裝置復(fù)雜性比工程應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備要簡(jiǎn)單許多，且實(shí)驗(yàn)僅能在固定工位進(jìn)行，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量或移動(dòng)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，使得開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占多數(shù)。除此之外，更存在傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的工程應(yīng)用能力難以得到有效培養(yǎng)的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器領(lǐng)域與信息技術(shù)深度結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)物，其具有移動(dòng)性強(qiáng)、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，時(shí)延短的特點(diǎn)，并且其應(yīng)用目標(biāo)本就是針對(duì)傳感器領(lǐng)域的，將它應(yīng)用于傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中是順理成章的，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)室的移動(dòng)性不強(qiáng)的不足。

1 傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路
    在確保不降低傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方便性和效果的前提下，發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，增加實(shí)驗(yàn)的移動(dòng)性，使其適應(yīng)可變環(huán)境的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，從而改善學(xué)生的工程應(yīng)用體驗(yàn)，并提高實(shí)驗(yàn)室使用和管理的便利性。
1．1 傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
    傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常由一套多種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)界面顯示軟件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，各種類型傳感器的輸出的電信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB接口將其輸入到上位機(jī)顯示或處理。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)用不同的界面程序，顯示或處理不同類型的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，或者直接用萬(wàn)用表或示波器觀察傳感器輸出的電信號(hào)即可。其基本構(gòu)成特點(diǎn)是系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)層次清楚，但整套設(shè)備圍繞實(shí)驗(yàn)工位布置，約束了實(shí)驗(yàn)空間僅局限于實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近，一些遠(yuǎn)距離測(cè)量和移動(dòng)性要求高的測(cè)量場(chǎng)合難以得到滿足。

1．2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，各種類型的傳感器仍通過(guò)原有方式接入采集儀，各工位的采集儀作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，而配置一臺(tái)電腦作為協(xié)調(diào)器，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示，圖中只示意出一個(gè)工位的終端)，并可通過(guò)該協(xié)調(diào)器接入局域網(wǎng)，這樣所有實(shí)驗(yàn)工位的顯示和處理終端則可在該局域網(wǎng)內(nèi)訪問(wèn)所有的采集儀終端。

    工作時(shí)實(shí)驗(yàn)室各工位的采集儀均可選擇電池或墻上電源供電，且各終端和協(xié)調(diào)器都通過(guò)USB射頻模塊進(jìn)行ZigBee角色的配置。需要說(shuō)明的是，之所以不將每個(gè)傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)是因?yàn)檫@樣做需要為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置A／D轉(zhuǎn)換模塊，不利于利用原有設(shè)備，且增加成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。在不需進(jìn)行無(wú)線聯(lián)網(wǎng)時(shí)，仍可直接將采集儀通過(guò)USB接口接入各工位PC機(jī)，然后按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
    可以看出，這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在不需要改動(dòng)原有設(shè)備的前提下，只要增加兩個(gè)射頻模塊(其中協(xié)調(diào)器端可在市場(chǎng)直接采購(gòu)ZigBee USB Dongle模塊)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線化擴(kuò)展，其升級(jí)成本低。它兼顧了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，更重要的是因?yàn)槠湟苿?dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，如果采集儀采用電池供電，其實(shí)驗(yàn)空間甚至可擴(kuò)展到野外，這與國(guó)外學(xué)校教學(xué)中流行的探究性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展模式相符，這也是本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)所在。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
2．1 采集儀的設(shè)計(jì)與工作過(guò)程
    由之前的分析可知，改造的關(guān)鍵之處在于采集儀的設(shè)計(jì)，采集儀通過(guò)ZigBee射頻模塊①以終端節(jié)點(diǎn)的形式加入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它采用ST公司基于Cortex-M3核的STM32F103R6T6處理器，可選擇電池或墻上電源供電，可方便地進(jìn)行移動(dòng)式測(cè)量，如圖3所示。該處理器本身具有：1個(gè)USB接口，2個(gè)12位的ADC，20 KBSRAM，128KB FLASH等，這已經(jīng)可以滿足本采集儀的所有技術(shù)需求。由于STM32F103R6T6內(nèi)部自帶多路A／D轉(zhuǎn)換器，所以電路得到了極大簡(jiǎn)化。ZigBee RF無(wú)線芯片采用TI的CC2430，其內(nèi)部具有一個(gè)8051單片機(jī)專門(mén)用于ZigBee協(xié)議棧處理，工作在2．4GHz頻段，數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)250Kh／s，可與STM32F103R6T6進(jìn)行方便的接口配接，其電路如圖4所示。

2．2 采集儀的軟件設(shè)計(jì)
    采集儀的軟件設(shè)計(jì)中，無(wú)線部分采用TI公司免費(fèi)提供的ZigBee協(xié)議棧。采集儀啟動(dòng)后，首先檢測(cè)是否存在USB連接，如果存在則按USB通信鏈路進(jìn)行工作；否則啟用并配置為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。然后嘗試發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)出建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求。
    連接建立后，將依據(jù)各工位顯示和處理終端的命令，識(shí)別接入的傳感器類型，再根據(jù)傳感器類型調(diào)用不同的數(shù)據(jù)處理子程序，如在光電開(kāi)關(guān)傳感器的測(cè)量中只要取得開(kāi)關(guān)量即可，而熱電偶溫度傳感器的測(cè)量則需要連續(xù)取得環(huán)境溫度。取得數(shù)據(jù)后，再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)或USB鏈路發(fā)同對(duì)應(yīng)的工位數(shù)據(jù)處理終端。其流程如圖5所示。

2．3 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器僅需要在市場(chǎng)直接采購(gòu)ZigBee USBDongle模塊就可完成配置，其主要功能是管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入或者退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，更新相關(guān)的信息，并處理各種ZigBee功能，如創(chuàng)建或修改綁定表、為ZigBee節(jié)點(diǎn)分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文以ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為載體，提出了對(duì)傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。完成了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與底層軟硬件的實(shí)現(xiàn)，其組網(wǎng)效果、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室要求，最終使得傳感器實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展具備移動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。