基于ZigBee无线传输的倾角传感器网络*

张国明， 胡 洁， 王素梅， 刘 达， 江 毅

(1.北京理工大学 激光微纳制造实验室，北京 100081；2.北京理工大学 光电学院，北京 100081)

基于ZigBee无线传输的倾角传感器网络*

张国明1， 胡 洁1， 王素梅1， 刘 达1， 江 毅2

(1.北京理工大学 激光微纳制造实验室，北京 100081；2.北京理工大学 光电学院，北京 100081)

应用ZigBee传感器节点的硬件和软件以及上位机软件研制了一种无线倾角传感器网络系统。采用了二次温度补偿解决温度对测量精度的影响，并对无线网络的功耗进行了优化处理。实验表明：该系统的测量精度达到了±0.01°(倾角测量范围为±3°)，数据采集间隔为1次/s时，平均电流仅为0.21 mA，达到了高精度低功耗的设计要求。

无线传感器网络； 倾角传感器； ZigBee； LabVIEW； 二次温度补偿

0 引 言

随着物联网的发展，倾角传感数据的采集变得越来越广泛和重要。如可穿戴设备上的人体姿态测量；工业上,航空测量、飞行器的惯性测量系统、车船倾斜测量、钻井平台测量、基建测量、岩体倾向判断等许多行业都用到了倾角传感器[1]，并且需要大量安装在不同位置的倾角传感器。

本文中数据传输使用ZigBee无线传感器网络(WSNs)技术，是由大量随机分布的、具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器节点组成的[2]。与传统有线系统相比，无线系统无需考虑布线，可大大提高工作效率，与其他无线网络技术相比，ZigBee技术具有数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低等优势[3～5]。

1 硬件系统结构设计

系统整体设计如图1。传感节点作为终端节点进行倾角数据采集并进行简单处理后，由无线模块发送到协调器，再由协调器上传给上位机进行数据的处理分析和显示。由于节点硬件资源有限，如何在保证节点拥有足够的计算、存储和通信能力的前提下，高效使用能量，延长节点的寿命从而增加网络的生命周期，并且控制成本和体积，都是传感器网络硬件平台设计需要考虑的问题[6]。

图1 系统整体结构示意图Fig 1 Diagram of overall structure of system

传感器节点由三部分构成：YLZ—332双轴倾角传感器；无线数据传输采用CC2530模块；电源管理模块。传感节点结构示意图如图2所示。

图2 传感器节点示意图Fig 2 Diagram of sensor node

YLZ—332双轴倾角传感器采用了Analog Devices(ADI)公司的3D—MEMS技术，同时配合修正软件和ASIC专用处理电路，对温度变化进行了补偿，是一种高分辨率、高精度、大量程、低功耗的数字倾角传感器。其分辨率优于0.004°(单轴测量，在±25°范围内)，±3°范围内，测试温度(25±4)℃，精度可达±0.01°，但是当温度大幅度变化时，测量精度下降，为了解决这个问题，需要进行二次温度补偿，内置温度传感器可用来进行温度的二次补偿。功耗非常低，平均工作电流仅1 mA。可以外接报警器，当倾角达到某一设置的临界值时，触发报警器实现现场报警的功能。传感数据的通信协议采用串行异步通信协议(UART)，其输出信号为TTL电平，读取倾角传感器的数据时采用“请求—应答”的方式。不请求，则不传送数据，这样不但降低了功耗且方便CC2530的数据采集。

采用的CC2530无线模块是2.4 GBZ IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，内嵌增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8 kB RAM等强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。支持ZigBee协议栈(Z—Stack协议栈)，方便用户的开发和使用。

CC2530主要有三个功能，即数据采集、电源管理模块的控制，以及无线数据的收发。由于读取倾角传感器的数据时采用“请求—应答”的方式，所以，数据采集的功能是直接发送数据采集命令，倾角传感器就会返回相应的数据。为了降低功耗，倾角传感器的供电采用周期性的供电模式，即CC2530采集传感数据时恢复供电，不采集时中断供电，通过CC2530的P00口控制电源管理模块实现。

电源管理模块采用两节3.7 V聚合物锂离子电池，通过稳压芯片LM1117—3.3提供稳定的3.3 V电压，8050三极管充当倾角传感器的电源开关。电源管理模块主要有两个功能：为ZigBee模块和倾角传感器提供稳定的供电电压以及控制倾角传感器的供电时间，在不影响正常工作的前提下，降低了功耗。

2 上位机软件设计

LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言—G语言(graphics language)的虚拟仪器软件开发工具，其在测量测试、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的引用[7]。

传感节点采集到数据后，进行简单处理并经过无线传感网络将数据发送到协调器，然后通过USB转串口线，实现协调器到上位机的数据传输。上位机软件获取数据的方式为请求—应答的方式，即上位机软件发送一组命令后，协调器解析命令后作出响应，将相应数据发送给上位机软件。本文倾角数据的获取是通过上位机软件发送一个周期请求角度数据的命令，协调器就可以不断地上传数据并显示到如图3的界面上，图4为电压监控界面和历史数据查询界面，方便对所有以往数据的管理。

图3 软件界面一Fig 3 Software interface 1

图4 软件界面二Fig 4 Software interface 2

3 实验分析与二次温度补偿

由于温度对倾角传感器的精度有较大的影响，即最大零位温度漂移为0.1 ℃，所以，为了保证无线倾角传感器的精度，需要对倾角传感器进行二次温度补偿。本实验使用内置温度传感器提供标定所需要的温度数据。

本实验分别对X轴，Y轴做了零值标定。现只给出X轴的零值标定过程,即

(1)

图5 不同温度下的零位漂移Fig 5 Zero drift at different temperature

通过以上测定数据，拟合出的温度漂移函数直线为

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

根据式(3)并通过上位机软件进行二次补偿。经测试，当温度在5～65 ℃变化，角度在±3°变化时，精度仍可达±0.01 ℃的设计要求。最后进行了节点的功耗测试，当倾角数据的采集间隔为1次/s时，测得平均电流为0.21 mA，很好地满足了低功耗的要求。

4 结束语

本文设计的无线传感网络系统可以实现无线数据的采集、无线发送、处理、显示，可以应用于可穿戴设备、智能家居、工业等领域。

系统实际测试表明：该系统的测量精度达到了±0.01°(倾角测量范围为±3°)，数据采集间隔为1次/s，平均电流仅为0.21 mA，达到了高精度低功耗的设计要求。

[1] 夏家和，赵 忠，卫育新．微型智能电子水平仪设计[J]．兵工

自动化，2005，224(1):69-71．

[2] Pottie G J，Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Communications of the ACM,2000,43(5):51-58.

[3] Bilgin B E，Gungor V C.Performance evaluations of ZigBee indifferent smart grid environments[J].Computer Networks，2012，56(8):2196-2205.

[4] Lynch J P.Design of a wireless active sensing unit for localized structural health monitoring[J].Structural Control & Health Monitoring，2005，12(3/4):405-423.

[5] Zhang Qian,Yang Xianglong,Zhou Yingming,et al.A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J].Journal of Zhejiang University:Science A，2007，8(10):1584-1587.

[6] 赵 海，赵 杰，刘 征，等.一种无线传感器网络节点的设计与实现[J].东北大学学报：自然科学版，2009，30(6):809-812.

[7] 王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003，39(21):122-125.

胡 洁，通讯作者，E—mail：jiehu2@bit.edu.cn。

Wireless transmission tilt angular sensor network based on ZigBee*

ZHANG Guo-ming1， HU Jie1， WANG Su-mei1， LIU Da1， JIANG Yi2

(1.Laser Micro/Nano Fabrication Laboratory，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.School of Optoelectronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

Develop a wireless sensor networks(WSNs)system used for tilt angular measurement by applying hardware,software of ZigBee sensor node and upper PC software.Adopt technique of twice temperature compensation to solve influence of temperature on measurement precision, and optimize power consumption of WSNs.The experiment shows that measurement precision of system is ±0.01° (range of tilt angular measurement is ±3°),and the average current is only 0.21 mA,meets the design requirements of high precision and low power consumption.

wireless sensor networks(WSNs); tilt angular sensor; ZigBee; LabVIEW; twice temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0064—03

2015—11—02

国家“863”计划资助项目(2015AA043504)

TP 393

A

1000—9787(2016)07—0064—03

张国明(1989-)，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为传感与控制。