一種液位測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

房澤平，張 瑩

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

一種液位測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

房澤平，張 瑩

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

提出了一種液位測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案.該裝置主要由直流電極液位傳感器、MSP430單片機(jī)和無線收發(fā)模塊組成.由該實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建的基于labVIEW的液位測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié).

液位測量；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)裝置

液位是生活和工業(yè)生產(chǎn)中最普遍、最重要的工業(yè)參數(shù)之一.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向低功耗、低速率、低成本可靠傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，為工業(yè)現(xiàn)場中液位、壓力及溫度等信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)［1－4］.構(gòu)建液位測量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以克服傳統(tǒng)的有線傳輸液位測量系統(tǒng)的電磁干擾、信號(hào)衰減、布線麻煩、設(shè)備可移動(dòng)性不強(qiáng)和工作量大等缺點(diǎn).目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)問題逐漸成為新的研究熱點(diǎn).本文設(shè)計(jì)了一種液位測量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置.利用該實(shí)驗(yàn)裝置，可用于《傳感器技術(shù)》、《虛擬儀器技術(shù)》和《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》等課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)［5］.

1 無線液位測量節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)主要由液位測量模塊、MSP430單片機(jī)、無線收發(fā)模塊和電池模塊等組成.無線液位測量及傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示.由圖1可知，液位測量基于直流電極式方法，采用MSP430F123單片機(jī)進(jìn)行液位信息采集和處理，測量得到的液位信息經(jīng)無線收發(fā)模塊（采用nRF905芯片）傳輸.該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了液位測量及無線傳輸，其液位測量模塊調(diào)理電路簡單，MSP430單片機(jī)和nRF905芯片功耗低，采用電池供電能滿足供電需

求［6－8］.

圖1 無線液位測量及傳輸系統(tǒng)框圖

2 液位測量原理

2.1 直流電極式液位測量

直流電極傳感器是利用液體的導(dǎo)電特性，將導(dǎo)電液體的液面升高與電極接通視為電路的開關(guān)閉合，該信號(hào)經(jīng)由簡單電路傳給后續(xù)處理電路，其測量原理如圖2所示.在圖2中，一個(gè)電極與地端連接，放置在最深處，其余電極連接至后續(xù)處理電路.電極用金屬材料制成，縱向依次排列在中間鏤空的棒子外部或者內(nèi)部，并且在棒子一端至少開一個(gè)入口，使電極能夠與被測液體接觸.這種檢測方法的測點(diǎn)數(shù)目與測量精度隨電極排列方式的改變而改變，因此該方法適用于導(dǎo)電液體的液位測量［2］.

2.2 液位信息采集

液位信息由直流電極傳感器采集，經(jīng)由液位信息處理電路連接至單片機(jī)接口后，計(jì)算出液位的數(shù)值.液位信息處理電路如圖3所示.

圖2 直流電極式液位測量原理圖

圖3 液位信息處理電路圖

電極間液體的電阻隨著液體的深度不同而不同，同時(shí)A點(diǎn)的電壓值也不同.若電極直接接至后續(xù)單片機(jī)接口電路，會(huì)存在單片機(jī)無法判斷的電平值，為此，這里設(shè)置了比較器電路.根據(jù)測量液體的高度適當(dāng)調(diào)整Vref值.當(dāng)電極接觸到液體時(shí)，A點(diǎn)與接地電極通過液體導(dǎo)通，A點(diǎn)有一定的電壓值，若A點(diǎn)電壓小于Vref值，則比較器B點(diǎn)為邏輯“0”電平；當(dāng)電極未接觸到液體時(shí)，A點(diǎn)與接地電極不能導(dǎo)通，A點(diǎn)的電壓值為3.2 V，即高于Vref值，則比較器B點(diǎn)為邏輯“1”電平.

3 無線收發(fā)

該無線收發(fā)模塊采用NORDIC公司的單片無線收發(fā)一體芯片nRF905，只需少量外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)，其與MSP430F123接口電路如圖4所示.

nRF905芯片內(nèi)置集成頻率合成器、接收解調(diào)器、電源管理器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等模塊；數(shù)據(jù)的曼徹斯特編碼／解碼由硬件完成，無須用戶干預(yù)，非常方便，工作于433／868／915MHz的ISM頻段.該芯片有ShockBurst接收和ShockBurst發(fā)送2種工作模式及掉電（Power Down）和待機(jī)（Standby）2種節(jié)能模式.微控制器通過SPI接口對(duì)其進(jìn)行配置.該芯片功耗低，當(dāng)輸出功率為－10dBm時(shí)，工作電流只有11mA，在接收模式時(shí)工作電流為12.5mA，易于實(shí)現(xiàn)低功耗的目標(biāo)［2－4］.

圖4 MSP430F123與nRF905接口

4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

該節(jié)點(diǎn)軟件主要包括初始化程序、液位測量程序、無線收發(fā)程序、顯示程序、功能設(shè)定程序和串口通信程序等，其流程圖如圖5所示.每個(gè)液位測量模塊和無線發(fā)送模塊設(shè)置地址，由此可以組成多點(diǎn)液位的測量和無線傳輸系統(tǒng).

圖5 軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

基于上述實(shí)驗(yàn)裝置，構(gòu)建由3個(gè)液位測量節(jié)點(diǎn)、無線收發(fā)模塊、Sink節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)（LabVIEW）等組成的液位測量無線傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并用于《虛擬儀器技術(shù)》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué).為方便實(shí)驗(yàn)和簡化設(shè)計(jì)，Sink節(jié)點(diǎn)與液位測量節(jié)點(diǎn)相同.液位測量節(jié)點(diǎn)對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后通過無線收發(fā)模塊傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)，再由Sink節(jié)點(diǎn)通過RS－232串口將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，并通過在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的LabVIEW軟件來顯示、處理和分析液位數(shù)據(jù).基于LabVIEW的監(jiān)控軟件（如圖6所示）主要由4部分構(gòu)成：串口通信、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示界面［9］.

6 結(jié) 語

該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了液位測量和無線傳輸.基于該節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建的液位測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可用于《傳感器技術(shù)》、《虛擬儀器技術(shù)》和《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》等課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué).該系統(tǒng)硬件電路簡單，功耗低，可靠性高，使用方便，實(shí)現(xiàn)容易.

圖6 監(jiān)控軟件界面

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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

房澤平（1975－），男（滿族），遼寧開原人，講師，碩士.