文摘
低功耗无线传感器/执行器网络是专门为压电陶瓷transducer-based积极开发和优化传感应用。无线传感器网络承诺增加系统的灵活性,降低系统成本,提高通过分散鲁棒性。压电陶瓷信号调节电路、驱动电路、电源管理、无线单片机集成在硬件设计。内部IEEE 802.15.4无线堆栈协议提供服务是在硬件上实现,和用户输入/输出一起管理一个shell提供更容易调试和配置接口。设计系统提供了一种低功耗无线解决方案对许多应用,如无线结构健康监测和无线结构振动控制。
1。介绍
在过去的二十年里,大量的研究工作都集中在无线传感器网络(网络)及其潜在的应用程序由于增加了灵活性和低成本他们承诺提供与有线相比安装(1- - - - - -3]。其中,许多努力了无线传感器网络的设计和开发平台。面向网络是高度系统的的设计。系统的物理和逻辑结构与其他环境要求限制了无线网络的设计和无线传感器设备4]。不同应用程序的不同约束使得有必要有一个基于平台的开发方法的组件可以被重用。
在硬件方面,许多公司和大学提出了他们的网络平台。从功耗和系统性能的角度来看,当前传感器网络平台可分为两大类:低功率消耗,特定于应用程序的平台和高功率消耗,功能齐全的高性能平台。前者通常由低功耗微处理器和一些特定于应用程序的资源,而后者通常有一个通用处理器和一个完整的资源可以通过一个通用的输入/输出(GPIO)接口(5]。最著名的低功耗系统是开源硬件平台,云母系列(6),由加州大学伯克利分校(7),由弩(8]。云母复合传感、通信、和计算成一个完整的架构,而消费只有一小部分1瓦特的电能。在云母平台,Atmel的八位AVR微处理器(9作为中央处理单元,和德州仪器的2.4 GHz无线收发器10,11)是用作无线组件。可以连接到不同的扩展传感器板云母平台实现光传感、温度、加速度,或声。另一个流行的传感器节点由加州大学伯克利分校的开发也就是目的。目的利用TI的16位单片机作为CPU和TI MPS430 CC2420电台的无线通信。与云母系列相比,Telos拥有更好的性能功耗和计算能力(12]。
耶鲁大学在高性能方面,设计了XYZ平台以ARM7TDMI CPU和TI CC2420的无线收发机(13]。ARM核心处理器提供了更大的内存和更高的系统性能;然而,能源消耗也大。另一个著名的平台是Imote2从英特尔平台14]。与XScale PXA271处理器,Imote2可以运行多达几百兆赫和能承受复杂的处理算法。然而,在高速模式下功耗太大,不适合长期的电池驱动的监视应用程序。有一些类似的硬件平台从几个不同的公司:安博公司。15),尘埃Inc . (16],Sentilla [17,18),等等。桑迪亚国家实验室提出了一种模块化的平台,质量(5]。而不是传统建筑的资源都是由一个单片机控制的,每个董事会质量都有自己的特定的处理单元。模块之间的通信是由Inter-Integrated电路(我2C)总线。这个设计非常模块化的软件和硬件和技术是一个简单的架构实验室实验。然而,诱导复杂性从多个处理单元施加大量的编码开销对于一个简单的传感器节点,这使得它不真实的应用程序中。
应该指出的是,上述简短的评论只是部分,不包括所有可用的解决方案。尽管许多传感器网络平台生产,大多数平台目标通用应用程序和不针对特定的应用程序进行了优化。没有多少工作在网络平台上优化piezoceramic-based传感器网络。Piezo-based主动传感基础上有特殊要求,如相对较高的采样率(在几千赫兹),合并的放大器驱动的压电陶瓷元件,和低能耗实现积极的感应。此外,成本低功耗设计所需的技术基础。在本文中,无线网络是专门为压电陶瓷换能器设计和优化,和一个平台被用来检测实现的影响,积极的传感结构健康监测(SHM) [2)和无线结构振动控制(3]。
2。硬件设计
的设计提出了无线传感器的无线协调员和piezo-based无线传感。无线的功能协调包括构建和管理无线网络,所有无线传感器节点的控制性能,实现的路由信息,从网络传输数据到有线电台。无线传感器用于测量的影响,振动记录,执行数据采集,并将数据传递给无线协调员。
无线协调员由四部分组成:传感单元、驱动单元、无线单片机、电源管理模块。无线传感器节点有一个类似的结构随着无线协调员,除了简化电源管理模块和驱动单元的消除减少功耗。图1说明了无线传感器节点的架构(图1(一))和无线协调员(图1 (b))。无线传感单元和无线协调员的细节将在以下部分。
(一)无线传感器
(b)无线协调员
2.1。传感单元
传感单元由两部分组成:检测电路和信号调节电路的影响。piezomaterial-based传感的原理是压电,电荷产生的力作用在压电传感器。传感单元的功能意义和规范电荷信号一个适当的电压信号,可以抽样模拟到数字转换器(ADC)的单片机系统。压电传感电路不同于普通信号调节电路压电传感器是一个电容性负载和有一个很大的输出电阻。低功耗piezo-sensing单元为piezomaterial-based专门设计的无线传感器网络。
2.1.1。信号调节电路
电荷的振幅,因此当前由压电传感器产生振动的大小成正比。压电传感器通常用于测量动态信号,如振动;因此,这个设计不需要的电路电荷,电荷泄漏将不是一个问题。有几种方法来测量电荷信号。一个常见的方法是使用集成电路电荷转换成电流,然后一个电压信号。这个方法可以解决这个问题的一个压电传感器的高阻抗特性。然而,它会导致另一个主要问题,即饱和的解耦电容电路。这需要调整电路参数在一定范围的输入。如果电荷的数量戏剧性的变化,如在我们的例子中,它是不适合使用集成电路。来优化压电换能器的信号调节,使用一个大电阻的方法将电荷信号的电压信号是采用这种设计。 Although the impedance of the piezoelectric sensor is large, it does not affect the charge converted to voltage on the large resistor. And with a proper selection of an op-amp, this circuit works much better than the integration circuit. The tradeoff in this design is that a high-value resistor could produce a larger signal and small noises can be easily amplified through high-value resistors. Experimental results show that a 1 M resistor is the best choice for usage.
在图2压电陶瓷换能器,阁下是连接器,和(负电容电荷泵电路中包含)消除了直流值从压电陶瓷在1欧姆电阻将电荷信号转换为电压信号。电阻器是一个可选电阻器可调谐匹配不同的负荷需求。运放UO1A是用来放大的电压增益可调电阻器RA1。这个阶段可以表示成的增益
生成的信号双相压电陶瓷材料;然而,微控制器上的ADC非常两极。第一级运放只扩展信号的一个合适的范围内,和一个额外的运算放大器需要添加偏置信号。图3显示了偏置电路。
这个电路进一步放大输入信号和添加一个1.25伏特抵消输出,所以输出可以是一个范围从0到2.5伏。输入-输出关系可以表示为
的最后一部分信号调节电路的sallen-key低通滤波器反锯齿ADC采样要求的目的,如图4。默认的采样速度是250 Hz,是一个可调电阻。截止频率是由 当是10 K。更大的价值 ,截止频率越低。SHDN(关闭)是一个断电控制逻辑的输入,提供了一种不使用时关闭电路。抗锯齿的低通滤波器在数字信号处理是非常重要的因为频率高于奈奎斯特频率是并入低频范围。单片机系统中的高频噪声是常见由于高速切换发生在数字电路。这些频率大多被反锯齿。抗锯齿过滤器使用ADC采样器之前将减弱高频高于奈奎斯特频率,使混叠采样设备。
2.1.2。影响检测电路
影响检测电路的目的是对压电式传感器的影响和产生一个中断信号,单片机通知事件的影响。这个特性可以为低功耗技术监测系统是非常有用的,那里的中断唤醒信号用于单片机。阈值的影响是可配置的信号调节电路通过改变电阻的运放电路。图5显示检测电路的影响。
检测电路的影响需要一期放大器的输出,和RC电路和二极管主要峰值检测器。
2.2。驱动单元
压电陶瓷材料时将会产生一个电荷受到的应力或应变(直接压电效应);压电陶瓷材料也将机械应力或应变,当电场应用于压电材料在其连接的方向(逆压电效应)。压电材料的压电特性使活跃的感应能力,它允许一个压电材料作为传感器或执行机构的结构健康监测的目的,减少传感器的数量和系统的复杂性。因此,驱动单元用于生成一个驱动信号控制和激励。例如,在结构健康监测的应用程序,一个横扫正弦信号产生的驱动单元可以作为激励源由于活跃的传感特性和产生振动波传播的内部结构。健康状态评估的振动响应。
低功率MAX504利用。10位数字模拟转换器Max504是由一个+ 5伏特;因此,数字逻辑的SPI总线也是5伏特。然而,单片机运行在3.3伏范围。因此,22-ohm串行SPI总线上的电阻是把保护单片机不受损坏。图6说明了DAC电路。
输出范围可以配置为0到2.048伏或0到4.096伏特。0到2.048伏特的范围用于设计,它可以与另一个放大电路调整−10 + 10伏的电压。DAC的输出是离散的,导致高频信号。采用低通滤波器来消除这些DAC产生的高频率的变化。图7显示了放大和低通滤波器电路。利用2.048伏电压参考从MAX504,运放U03A改变驱动信号从一个极地(0 - 2.048伏范围)双相(−2.048 + 2.048伏范围)。所示的输入-输出关系
在放大器U03B用来放大5倍,到达−10 - 10-volt范围。低通滤波器U02B sallen-key低通滤波器,这是一样的抗锯齿过滤器的传感单元。
2.3。电源管理单元
电源管理单元直接决定了节电性能。WSN定位piezo-based的应用程序需要双电压供应完成传感和执行任务。几个电压调节器是用来调整电池电压的理想值。在电压转换,一个有效的电路能够优化功率效率最高的水平。
图8说明了优化电源管理单位的无线协调员(左)和无线传感器(右)。和图9显示电力系统的电路设计。
78 xxsr开关电源,调节9伏为DAC 5伏特,U2是电荷泵产生负电源,U3是LDO(低压差稳压器)提供清洁电源单片机(微控制器单元)。
2.4。无线单片机
无线协调器是整个系统的关键设备。图10显示了JN5139单片机的系统框图。单片机由四部分组成:RISC CPU核心与记忆,不同的片上外设,2.4 GHz无线组件,和电源管理。
piezoceramic-based主动传感网络与其他网络的不同之处在于,更高的采样率,计算能力,降低电力成本是必要的。JN5139单片机是一个很好的解决方案。JN5139组件可以在32兆赫和32位MIPS转移工作。为了大幅提高电池寿命,三种工作模式由JN5139保证整个系统成本约束的力量。
2.5。的硬件系统
无线协调员的照片所示的数字11和12。图11提供了一个俯视图,而图12提供了一个底视图。注意DAC,微控制器和电源管理的一部分被放置在顶部的PCB,单片机外围,BNC连接器,其余的电源管理放在底部。通用异步接收/发送器(UART)连接器放在PCB的一边。
图13展示了弩Imote2之间的性能比较,云母,Telos, Jennic WSN系统而设计的。虽然Imote2提供了一个更高的速度和更多的资源,价格和能耗较高,取消它在大规模SHM的应用程序。云母具有相对较低的功耗和更低的成本;然而,有限的内存大小和低速度使它不可能从PZT-based满足高采样率的要求应用程序。尽管终极速度更高,有限的内存大小是一个问题。设计Jennic传感器网络平台提供特别设计的压电信号调节电路和低功率驱动DAC电路。此外,电源管理单元提供了一个高效的双电源,需要piezo-based传感。可以看出,与其他商用网络平台相比,压电陶瓷transducer-based Jennic WSN系统优化设计的应用程序,因为它提供了一个相对较高的采样频率,低功耗,大内存数据存储、和丰富的片上资源。
3所示。嵌入式软件平台设计
硬件系统,嵌入式软件系统对不同的无线应用程序提供了一个平台。软件平台具有以下功能:管理访问硬件外围设备,处理各种中断请求,实现无线传感器网络软件栈,执行用户输入和输出,为应用层提供服务。这些功能可以分为几个不同的层次。图14说明了系统的软件平台。
3.1。硬件抽象层(HAL)
硬件外围设备的管理是通过驱动程序实现。硬件驱动程序包括定时器驱动、ADC驱动程序,串行外围接口(SPI)公交司机,DAC司机,无线电司机,GPIO司机和UART的司机。一个计时器驱动程序提供计数和定时服务无线堆栈和其他应用程序。ADC驱动实现ADC在单片机的控制和阅读。SPI总线驱动和DAC司机一起实现发送一个电压的功能。无线电司机负责处理输入无线包和发送无线消息。GPIO司机使应用程序读写GPIO销上的逻辑电平。UART供应函数接口发送和接收等字符。处理中断的中断服务例程(ISR)。这一层紧密合作与硬件驱动层在应用程序层产生不同的请求。 The driver layer together with the ISR layer forms the so-called HAL.
3.2。用户输入/输出层
用户输入/输出是通过UART设计的。壳牌项目建成,系统调试和系统配置可以实现。
shell程序利用UART司机和从UART串行检索和解析用户输入寄存器。输入字符然后附加到shell的缓冲区的末尾或公认的功能键,如“退格”,“删除”或“选项卡。“对于后者的情况下,执行相应的操作,由输入功能键。“删除”将引发壳缓冲区的指针,计数器来减少。“选项卡”将通过UART发送出一个Tab键到控制台;然而,它没有影响壳缓冲区。“输入”是标志指示输入完成。图15显示外壳处理的流程图。
UART shell是用于测试和配置系统功能和管理无线网络。事实上,通过操作和使用shell命令通过一个计算机的串行端口调试程序,如腻子,可以编写任何过程。图16显示外壳使用腻子的快照。在图中,“帮助”命令打印出系统中所有注册的命令。
3.3。无线传感器网络堆栈
无线传感器网络堆栈的WSN应用程序是一个关键的软件组件。JN5139无线单片机集成一个完全兼容2.4 GHz无线收发器内部IEEE 802.15.4协议,提供服务和网络协议中使用的内部系统是基于IEEE 802.15.4。提供服务网络堆栈被组织成三层,如图17。MAC子层和LLC子层共同构成数据链路层。
物理(体育)层直接与无线电司机和交互处理物理传输以及数据交换。它实现的功能,比如通道评估、调制,数据包同步和无线电控制。媒体访问控制(MAC)层提供服务关联的时光,灯塔,保证时隙代管理和访问控制对共享渠道。
3.4。网络拓扑结构
内部IEEE 802.15.4支持以下类型的网络拓扑:提供服务的明星拓扑,拓扑树,网状拓扑。潘树拓扑配置为一个单一的中央协调器周围其他传感器节点。每一个节点只能与锅协调员沟通。因此,为了使一个节点发送消息到另一个节点,通过锅协调员必须传递消息。这个的优点是简单的配置和管理,而缺点是有限的通信范围和缺乏一个替代路线的一条路径的故障。图18说明了明星拓扑。
树拓扑结构是基于父母和孩子,有更多额外的nodes-router节点系统。不过,系统中只有一个锅协调员,和结束节点和路由器有一个父节点。每个节点只能与儿童或母公司。树拓扑比开始更先进的拓扑因为它可以覆盖更大的区域;然而,管理也越来越复杂。图19说明了树的拓扑结构。
类似的网络拓扑网格拓扑结构,通信规则更灵活,路由器节点的范围内彼此可以直接沟通。网状拓扑的优点是增加替代路线。能达到更高的鲁棒性在网状拓扑,因为一个破碎的路线很容易被另一个取代。图20.显示了网格拓扑结构。
3.5。消息传播
通过传感器网络信息传播取决于采用的网络拓扑结构。星形拓扑结构,这两个地址将锅协调员。树拓扑,下一跳地址是发送节点的父。网状拓扑,下一跳地址将成为第一个节点如果目标节点的范围。
一个特定拓扑的实现是由路由器节点和项目协调员。它是在数据链路和网络层实现。星形拓扑结构是最简单的实现,不需要网络层。这种拓扑下,潘协调员维护结束节点表和管理每个传感器节点的连接和分离。没有路由表在这种情况下,由于每个路线只是协调员的直接路径。传感器节点的网络地址只需要知道潘协调员,在输入源地址和目的地址输出。
树和网状拓扑结构,每个路由器节点的路由表维护。固定的路由方案或网络层的路由发现过程需要构建路由表。固定路由拓扑更严格,只有适合的情况下传感器的位置是固定的。路由发现策略提供了一个更灵活的配置。在路由发现,一个路由器广播启动结束节点的源地址,其中包含目的地定位结束节点的网络地址。
4所示。结论
摘要piezoceramic-based无线嵌入式系统设计和测试。硬件系统由四部分组成:信号调节,驱动,电源管理,无线单片机。哈尔的软件平台系统是由层,网络堆栈层和用户层输入/输出管理。更容易调试和配置接口提供的shell用户。内部网络堆栈是基于IEEE 802.15.4协议提供服务。硬件和软件平台的准备,不同的单孔位微吹气扰动和控制系统上的应用程序可以被开发。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作的支持下由中国国家重点研发项目批准号。2017 yfd0701003 2016 yfd0200702 2016 yfc0400207,和2017年yfc0403203;中国国家自然科学基金批准号下51509248;吉林省重点研发计划项目批准号下20180201036科幻小说;和中国高校科学基金批准号。2018年qc128和2018 sy007。