0 引言
傳感器種類繁多，且不同類型傳感器的工作原理、測量目標和測量環境差異很大，并且相應的檢測系統構成也不盡相同，往往在傳感器實驗室中要準備多套實驗裝置。在傳統的學校傳感器教學環境中，裝置復雜性比工程應用環境下的設備要簡單許多，且實驗僅能在固定工位進行，無法進行遠距離測量或移動性強的實驗，使得開展的實驗中驗證性實驗占多數。除此之外，更存在傳統傳感器實驗室開展的實驗中，學生的工程應用能力難以得到有效培養的問題。無線傳感器網絡是傳感器領域與信息技術深度結合的技術產物，其具有移動性強、通信可靠、網絡容量大，時延短的特點，并且其應用目標本就是針對傳感器領域的，將它應用于傳感器實驗平臺的改進設計中是順理成章的，從而彌補傳統傳感器實驗室的移動性不強的不足。
1 傳感器實驗平臺的設計思路
在確保不降低傳統傳感器實驗平臺的實驗方便性和效果的前提下，發揮無線傳感器網絡的優勢，增加實驗的移動性，使其適應可變環境的實驗開展，從而改善學生的工程應用體驗，并提高實驗室使用和管理的便利性。
1．1 傳統傳感器實驗平臺的基本結構和特點
傳統傳感器實驗平臺通常由一套多種傳感器、數據采集卡及上位機界面顯示軟件組成，結構如圖1所示。其中，各種類型傳感器的輸出的電信號，經A／D轉換后，由數據采集卡通過USB接口將其輸入到上位機顯示或處理。學生在做實驗時，可根據需要調用不同的界面程序，顯示或處理不同類型的傳感器檢測數據，或者直接用萬用表或示波器觀察傳感器輸出的電信號即可。其基本構成特點是系統組成結構層次清楚，但整套設備圍繞實驗工位布置，約束了實驗空間僅局限于實驗臺附近，一些遠距離測量和移動性要求高的測量場合難以得到滿足。
1．2 基于無線傳感器網絡的傳感器實驗平臺
采用ZigBee無線網絡的傳感器實驗平臺，各種類型的傳感器仍通過原有方式接入采集儀，各工位的采集儀作為ZigBee終端節點，而配置一臺電腦作為協調器，構成星型網絡拓撲結構的無線網絡(如圖2所示，圖中只示意出一個工位的終端)，并可通過該協調器接入局域網，這樣所有實驗工位的顯示和處理終端則可在該局域網內訪問所有的采集儀終端。
工作時實驗室各工位的采集儀均可選擇電池或墻上電源供電，且各終端和協調器都通過USB射頻模塊進行ZigBee角色的配置。需要說明的是，之所以不將每個傳感器作為終端節點是因為這樣做需要為每個節點都配置A／D轉換模塊，不利于利用原有設備，且增加成本和系統復雜度。在不需進行無線聯網時，仍可直接將采集儀通過USB接口接入各工位PC機，然后按傳統的實驗平臺架構進行實驗。
可以看出，這一實驗平臺在不需要改動原有設備的前提下，只要增加兩個射頻模塊(其中協調器端可在市場直接采購ZigBee USB Dongle模塊)就可以實現無線化擴展，其升級成本低。它兼顧了傳統實驗模式，更重要的是因為其移動性強的特點，如果采集儀采用電池供電，其實驗空間甚至可擴展到野外，這與國外學校教學中流行的探究性實驗的開展模式相符，這也是本文改進設計的目標所在。
2 實驗平臺的設計
2．1 采集儀的設計與工作過程
由之前的分析可知，改造的關鍵之處在于采集儀的設計，采集儀通過ZigBee射頻模塊①以終端節點的形式加入ZigBee無線網絡。它采用ST公司基于Cortex-M3核的STM32F103R6T6處理器，可選擇電池或墻上電源供電，可方便地進行移動式測量，如圖3所示。該處理器本身具有：1個USB接口，2個12位的ADC，20 KBSRAM，128KB FLASH等，這已經可以滿足本采集儀的所有技術需求。由于STM32F103R6T6內部自帶多路A／D轉換器，所以電路得到了極大簡化。ZigBee RF無線芯片采用TI的CC2430，其內部具有一個8051單片機專門用于ZigBee協議棧處理，工作在2．4GHz頻段，數據通信速率可達250Kh／s，可與STM32F103R6T6進行方便的接口配接，其電路如圖4所示。
2．2 采集儀的軟件設計
采集儀的軟件設計中，無線部分采用TI公司免費提供的ZigBee協議棧。采集儀啟動后，首先檢測是否存在USB連接，如果存在則按USB通信鏈路進行工作；否則啟用并配置為ZigBee終端節點。然后嘗試發現網絡，并向協調器發出建立ZigBee網絡連接請求。
連接建立后，將依據各工位顯示和處理終端的命令，識別接入的傳感器類型，再根據傳感器類型調用不同的數據處理子程序，如在光電開關傳感器的測量中只要取得開關量即可，而熱電偶溫度傳感器的測量則需要連續取得環境溫度。取得數據后，再通過ZigBee網絡或USB鏈路發同對應的工位數據處理終端。其流程如圖5所示。
2．3 協調器的軟件設計
協調器僅需要在市場直接采購ZigBee USBDongle模塊就可完成配置，其主要功能是管理整個ZigBee網絡，當有節點加入或者退出網絡時，更新相關的信息，并處理各種ZigBee功能，如創建或修改綁定表、為ZigBee節點分配群集(Cluster)ID等。其流程如圖6所示。
3 結語
本文以ZigBee無線傳感器網絡為載體，提出了對傳統傳感器實驗平臺的改進設計。完成了基于無線傳感器網絡的傳感器實驗平臺的設計與底層軟硬件的實現，其組網效果、響應速度、系統穩定性達到了實驗室要求，最終使得傳感器實驗的開展具備移動性強的特點。
