论文_基于wifi的位移传感器网络节点的硬件设计

1、 -1- 中国中国科技论文在线科技论文在线 基于基于 wifi 的位移传感器网络节点的硬件设计的位移传感器网络节点的硬件设计 刘学瑞，黄河，黄艳秋，李晓 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008） E-mail：liuhai2200 摘摘 要要：无线传感器网络是综合智能信息系统，集信息采集、信息处理、信息传输于一体， 在医疗护理、 军事领域、 环境监测等领域得到了广泛的应用。 本文采用 GainSpan 公司的 wifi 解决方案 GS1010 芯片，设计出了一种基于 wifi 的位移传感器网络节点，着重介绍其硬件的 设计。测试表明，该节点具有较长的通讯距离及高的精确度。 关键字

2、：关键字：无线传感器网络；wifi；位移传感器 中图分类号：中图分类号：TN92 1. 引言引言 位移传感器是直线位移传感器在结构上的精巧集成， 充分结合了角度传感器和直线位移 传感器的优点，是一款结构紧凑、测量行程长、安装空间尺寸小、具有高精度测量的优良传 感器1。 位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制， 它把直线移动的机械量 变换为电量,广泛地用于测量预先被变成位移的各种物理量,如伸长、移动、膨胀、应变、应 力、重量等，它的特点是静特性的线性度好,结构简单,工作可靠,频带宽,灵敏度高,时间常数 小。因此，它在机械、煤炭、航空、铁路、电力、建筑、建材、航天、水利、冶金、石油

3、等 部门得到广泛地应用2。根据设计要求和工作环境的特殊情况，本文设计出了一种基于 wifi 的位移传感器，很好的满足了工作现场的要求。 2. Wifi 简介简介 Wifi是Wireless Fidelity的缩写3,是一种无线局域网数据传输的技术与规格,也就是IEEE 所定义的无线通信标准IEEE 802.11。无线局域网是有线局域网的扩展和替换,是在有线局域 网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以 实现。IEEE 802.11标准发表于1997年,其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。 物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的

4、2种无线调频方式和1种红外传输的方式,总数据 传输速率设计为2Mbps。2个设备之间的通信可以自由直接(Ad Hoc)的方式进行,也可以在基 站(Base Station,BS)或者访问点(Access Point,AP)的协调下进行。 随后,IEEE又发布了一些补充 协议,包括物理层的补充协议IEEE802.11a/b/g和其它一些服务相关协议,如对服务等级(QoS) 支持的802.11e、对安全和鉴权补充的802.11i等。802.11b是使用历史最长的Wifi技术,工作在 2.4GHz频段上,采用直接序列扩频DSSS技术和补偿码键控CCK调制方式,可提供11Mbps、 5.5Mbps、2

5、Mbps、1Mbps多种速率,覆盖范围为80100m;802.11g是802.11b的一个扩展,同 802.11b一样,802.11g也使用了2.4GHz频率,覆盖范围也相同,它在2.4GHz频段使用正交频分复 用(OFDM)调制技术,使数据传输速率最高可以达到54Mbps;802.11a则使用5.8GHz频率,最高 能够以54Mbps的速度传递数据,但覆盖范围仅有30m左右。 3.硬件设计硬件设计 3.1 设计的基本思路设计的基本思路 首先，位移传感器可以将拉绳的长度转化为电信号，然后将位移传感器的输出接到 -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 GS1010 的 ADC 接口，GS101

6、0 的 APP CPU 对采集到的数据进行处理，随后再将数据进行 打包， 再通过 WLAN CPU 将数据打包成符合 IEEE802.11 协议的数据无线发送出去； 在接收 端符合 IEEE802.11b/g 协议的接入点（Access Point）接收无线载波发送过来的数据，通过 RJ45 接口送给上位机，上位机对接收过来的数据解包显示，本文对上位机部分不做重点说 明。 节点的硬件主要由 GS1010 芯片、位移传感器单元、无线发射单元、串口单元、电源供 电单元、数码管显示单元，文章着重对 SOC、电源模块、数码管显示模块、位移传感器模 块进行说明。图 1 给出了节点的硬件结构。 图 1 节

7、点的硬件结构 Fig 1 the hardware structure of the node 3.2 SOC 在节点中， 嵌入式 wifi 终端硬件平台采用美国 GAINSPAN 公司的 GS1010 芯片， GS1010 是一个高度集成、超低功耗 wifi 无线片上系统（SOC） ，它包含一个 802.11 射频前端、媒体 控制器（MAC）和基带处理器，片上 FLASH 和片上 SRAM，两个 ARM7 处理器，和丰富 的 IO 外设,所有这些资源都集中在一个 10mmx10mmx0.85mm体积4， 采用 QFN 封装的芯片 内,极大的节约了 pcb 的面积， 且 GS1010 具有极低

8、的功耗， 在待机状态的功耗仅有 0.018mW， 2000mAh 的电池可以有几年的使用寿命。图 2 给出了 GS1010 模块。 图 2 GS1010 模块 Fig2 the module of GS1010 -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 3.3 电源模块电源模块 电源模块由两部分组成：TPS76030 供电模块和 TPS62261 供电模块。 TPS76030 供电模块：节点中某些 IC 采用 3.0V 供电，考虑到硬件系统对电源要求具有 稳压功能和纹波小等特点， 另外也考虑到硬件系统的低功耗特点， 因此该硬件系统的电源部 分采用 TI 公司的 TPS76030 芯片实现，该芯

9、片能很好的满足该硬件系统的要求，另外该芯 片具有很小的封装，因此能有效的节约 pcb 板的面积5。图 3 给出了 TPS76030 供电模块的 连接示意。 图 3 TPS76030 供电模块 Fig3 the power module of TPS76030 TPS62261 供电模块：GS1010 芯片可使用 1.8V 或 3.3V 来供电，考虑到我们选用的电池 电压只有 3.6V，我们选用了 TPS62261 芯片，该芯片的输入电压范围是 2V 到 6V，输出电 压 1.8V，驱动电流可以达到 600mA，满足 GS1010 无线发送时需要大电流的要求。 3.4 数码显示模块数码显示模块

10、显示模块采用CH451芯片来驱动4为数码管，CH451是一个整合了数码管显示驱动和键 盘扫描控制以及P监控的多功能外围芯片，CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码 管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能，并且提供上电复位和看门狗等监控功 能6，CH451的最低供电电压为3.0V，利用该芯片驱动四位数码管，仅需要3根信号线，减 少了信号线的使用。图4给出了数码管模块的连接示意。 -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图4 数码管模块 Fig 4 the module of Digital Tube 3.5 位移传感器单元位移传感器单元 位移传感器单元主要由位移传感器、

11、供电模块 REF3318。 位移传感器的量程为 0-1000mm，具有0.25%的线性度，内部的绕线混合电位计可以将 拉绳的长度转换为电阻的变化，考虑到 GS1010ADC 的最大输入电压为 1.8V，所以采用 REF3318 作为供电电压，REF3318 具有 5mA 的驱动电流，最大温漂为 30ppm/C，具有高的 初始精确度，满足作为位移传感器电压基准的要求。 4.测试测试 测试地点选择为马路的两侧，选用 AP1270G2-IDU 作为无线 AP，这是一款可以工作在 2.4GHz 频段，完全兼容 802.11b/g 协议标准的高性能、高安全性的 AP，内置的单频无线模 块（11b/g），

12、为无线应用提供了极大的灵活性，也降低了设备所受的干扰及获得更大的覆 盖范围，AP 采用定向天线，笔记本与无线 AP 通过 RJ45 网线连接，笔记本上装有节点的上 位机软件。 通讯性能测试：节点射频发射功率为 9dbm 时，节点与 AP 的最大通讯距离为 700m， 当距离超过 700m时，节点与 AP 失去联系，上位机软件按搜索不到节点的信息，节点再向 AP 覆盖区域内移动时，上位机软件能够重新搜索到节点信息。 精确度性能测试：测试工具为量程 1000mm 的卷尺，在 AP 的覆盖区域内，固定位移传 感器及其拉绳的一端， 软件的编写已经将节点位移传感器第一次上电时拉绳的长度值保存下 来，缩短

13、位移传感器的拉绳长度，用卷尺测量使得变化量为 500mm，多次测量后,上位机得 到的结果均保持在 500mm1000*0.25%范围内。 5.结论结论 本文设计了一种基于wifi的位移传感器网络节点，其结构简单、精度高，易于实现，具 有较高的工程实用性。wifi技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技 -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 术，将随着技术的进一步发展，将成为实现无线监测系统最理想的应用方案和发展趋势。 参考文献参考文献 1 卢国纲位移测量技术及其传感器的最新发展VMEM，2005(4)：72-73 2 彭东林，刘小康，张兴红，等精密时栅位移传感器研究制造技术

14、与机床，2005(11)：9-10 3 孙弋等. 基于 Wifi 技术的井下多功能便携终端的设计与实现J.工矿自动化,2007 年,3 期：60-63 4GS1010 datasheet.2009 年 5 沈建华, 杨艳琴编著. MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与实践 M.北京：北京航空航天大学出 版社 2008 6 CH451 中文手册.2009 年 The Hardware Design of Displacement Sensor Network Node Based on Wifi Liu Xuerui, Huang He, Huang Yanqiu, Li Xiao S

15、chool of Information and Electrical Engineering, China University of mining and technology, Jiangsu, Xuzhou, (221008) Abstract Wireless sensor network (WSN) is an integrated intelligent information system combined by the technologies of information collection, processing, and transmission, which has been widely applied in the field of medical care, intelligent filed, and environmental monitoring.In the paper we adopt GS1010, offering a solutions for wifi technology, which is introduced by GainSpan.We design a displacement sensor network node based