一种液位测量无线传感器网络节点实验装置的设计

房泽平，张 莹

（中原工学院，郑州450007）

一种液位测量无线传感器网络节点实验装置的设计

房泽平，张 莹

（中原工学院，郑州450007）

提出了一种液位测量无线传感器网络节点实验装置的设计方案.该装置主要由直流电极液位传感器、MSP430单片机和无线收发模块组成.由该实验装置构建的基于labVIEW的液位测量无线传感器网络实验系统，适用于实践教学环节.

液位测量；无线传感器网络；节点；实验装置

液位是生活和工业生产中最普遍、最重要的工业参数之一.无线传感器网络技术是一种面向低功耗、低速率、低成本可靠传输的无线通信技术，为工业现场中液位、压力及温度等信号传输的关键技术［1－4］.构建液位测量的无线传感器网络系统，可以克服传统的有线传输液位测量系统的电磁干扰、信号衰减、布线麻烦、设备可移动性不强和工作量大等缺点.目前，无线传感器网络的实现问题逐渐成为新的研究热点.本文设计了一种液位测量的无线传感器网络节点的实验装置.利用该实验装置，可用于《传感器技术》、《虚拟仪器技术》和《无线传感器网络技术》等课程的实践环节教学［5］.

1 无线液位测量节点

该节点主要由液位测量模块、MSP430单片机、无线收发模块和电池模块等组成.无线液位测量及传输系统框图如图1所示.由图1可知，液位测量基于直流电极式方法，采用MSP430F123单片机进行液位信息采集和处理，测量得到的液位信息经无线收发模块（采用nRF905芯片）传输.该节点实现了液位测量及无线传输，其液位测量模块调理电路简单，MSP430单片机和nRF905芯片功耗低，采用电池供电能满足供电需

求［6－8］.

图1 无线液位测量及传输系统框图

2 液位测量原理

2.1 直流电极式液位测量

直流电极传感器是利用液体的导电特性，将导电液体的液面升高与电极接通视为电路的开关闭合，该信号经由简单电路传给后续处理电路，其测量原理如图2所示.在图2中，一个电极与地端连接，放置在最深处，其余电极连接至后续处理电路.电极用金属材料制成，纵向依次排列在中间镂空的棒子外部或者内部，并且在棒子一端至少开一个入口，使电极能够与被测液体接触.这种检测方法的测点数目与测量精度随电极排列方式的改变而改变，因此该方法适用于导电液体的液位测量［2］.

2.2 液位信息采集

液位信息由直流电极传感器采集，经由液位信息处理电路连接至单片机接口后，计算出液位的数值.液位信息处理电路如图3所示.

图2 直流电极式液位测量原理图

图3 液位信息处理电路图

电极间液体的电阻随着液体的深度不同而不同，同时A点的电压值也不同.若电极直接接至后续单片机接口电路，会存在单片机无法判断的电平值，为此，这里设置了比较器电路.根据测量液体的高度适当调整Vref值.当电极接触到液体时，A点与接地电极通过液体导通，A点有一定的电压值，若A点电压小于Vref值，则比较器B点为逻辑“0”电平；当电极未接触到液体时，A点与接地电极不能导通，A点的电压值为3.2 V，即高于Vref值，则比较器B点为逻辑“1”电平.

3 无线收发

该无线收发模块采用NORDIC公司的单片无线收发一体芯片nRF905，只需少量外围器件就可以实现无线收发，其与MSP430F123接口电路如图4所示.

nRF905芯片内置集成频率合成器、接收解调器、电源管理器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等模块；数据的曼彻斯特编码／解码由硬件完成，无须用户干预，非常方便，工作于433／868／915MHz的ISM频段.该芯片有ShockBurst接收和ShockBurst发送2种工作模式及掉电（Power Down）和待机（Standby）2种节能模式.微控制器通过SPI接口对其进行配置.该芯片功耗低，当输出功率为－10dBm时，工作电流只有11mA，在接收模式时工作电流为12.5mA，易于实现低功耗的目标［2－4］.

图4 MSP430F123与nRF905接口

4 节点软件设计

该节点软件主要包括初始化程序、液位测量程序、无线收发程序、显示程序、功能设定程序和串口通信程序等，其流程图如图5所示.每个液位测量模块和无线发送模块设置地址，由此可以组成多点液位的测量和无线传输系统.

图5 软件流程图

5 实验装置的应用

基于上述实验装置，构建由3个液位测量节点、无线收发模块、Sink节点和计算机（LabVIEW）等组成的液位测量无线传感器实验系统，并用于《虚拟仪器技术》课程的实践环节教学.为方便实验和简化设计，Sink节点与液位测量节点相同.液位测量节点对液位信号进行采集、调理和转换，然后通过无线收发模块传输至Sink节点，再由Sink节点通过RS－232串口将数据送至计算机，并通过在计算机上运行的LabVIEW软件来显示、处理和分析液位数据.基于LabVIEW的监控软件（如图6所示）主要由4部分构成：串口通信、系统配置、数据存储和显示界面［9］.

6 结 语

该实验装置实现了液位测量和无线传输.基于该节点实验装置构建的液位测量无线传感器网络实验系统，集成计算机技术、传感器技术和无线传感器网络技术，可用于《传感器技术》、《虚拟仪器技术》和《无线传感器网络技术》等课程的实践环节教学.该系统硬件电路简单，功耗低，可靠性高，使用方便，实现容易.

图6 监控软件界面

［1］ 孙虎.液位检测技术的现状及传感器的选择［J］.内蒙古石油化工，2009（14）：60－61.

［2］ 赵刚，唐得刚.几种常用的液位在线检测方法的比较［J］.中国仪器仪表，2005（5）：36－40.

［3］ 李冬梅.国内外液位计量仪表技术发展动向［J］.仪器仪表用户，2002（9）：5－7.

［4］ 晏红，王选择.液位自动化测量系统设计［J］.现代仪器，2002（2）：9－11.

［5］ 张恩平，刘希民.基于CC2510的无线液位变送器设计［J］.化工自动化及仪表，2010，37（4）：49－53.

［6］ 贾飞飞，王朝晖，焦斌亮.基于MSP430超声波液位测量仪的设计及无线收发［J］.仪表技术与传感器，2010（3）：25－27.

［7］ 李敏哲，赵继印，李建坡.基于超声波传感器的无线液位测量系统［J］.仪表技术与传感器，2005（11）：35－37.

［8］ 房泽平.基于双 MCU和nRF2401的无线传感器网络系统［J］.自动化仪表，2009（8）：25－27.

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Design of Node Experimental Device of Wirless Sensor Network System of Liquid Level Measuring

FANG Ze－ping，ZHANG Ying
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，Chiona）

This article puts forward the project of wireless liquid level measuring node experimental device.This project is chiefly composed of the direct current electrode liquid level sensor，microcontroller and wireless transceiver module and MSP430MCU.Finally，the wirless sensor network system of liquid measuring based on LabVIEW is made by using the experimental nodes，and it is used to practical training courses.

liquid level measuring；WSN；node；experimental device

TP212.9

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.05.018

1671－6906（2012）05－0076－03

2012－06－05

房泽平（1975－），男（满族），辽宁开原人，讲师，硕士.