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Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 73
1 引言
无线物联网在运输物流、智慧工厂、智慧农业、智能家居、智能交通等众多场景下都可以得到广泛应用。如文献[1]利用Zigbee 结合4G 网络构建了公共停车位管理系统；文献[2]利用IEEE802.15.4的物理层和MAC 层标准，并结合2G/3G 通信网络，构建了一种电力系统的用电信息采集系统；文献[3]利用倾角计作为传感前端、以线缆连接多个倾角计到GPRS 收发单元、并以太阳能供电，构建了一套房屋质量健康监测系统；文献[4]利用无线自组网结合GPRS 网络构建了一种农作物病虫害智能监控系统；文献[5]从安全角度设计了一种WAPI 的接入终端；文献[6]讨论了无线物联网的多中继协作和切换机制。 法兰加工设备Zigbee 、蓝牙、IEEE802.11b 等几种代表性的无线组网标准各有特点，其中IEEE802.11b 标准速率可以达到11Mbps ，复杂度、成本、功耗都较高，适合于无线internet 接入；蓝牙速率可达到3Mbps ，复杂度、成本、功耗适中，适合于无线手持设备、无线鼠标、无线耳机等应用；Zigbee 速率为数十Kbps 到250Kbps ，复杂度、成本、功耗都较低，适合于无线传感器网络的构建。应变传感器是测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器，可用于力、力矩、压力、加速度、重量、物体形变等参数的测量、监测。金属导体材料制作的电阻式应变片具有精度高、测量范围广、寿命长、结构简单、环境适应性好、易于实现小型化以及价格低廉等特点，适合于桥梁、大坝、超高层建筑等的应力监测，以保障建筑物的健康。
文/郭二辉
2 系统架构
Zigbee 网络参考OSI （Open System Interconnection ）七层模型，形成了五层Zigbee 网络，分别为物理层（PHY ）、介质访问控制层（MAC ）、网络层（NWK ）、应用程序支持子层（APS ）、应用层（APL ）。其中Zigbee 协议定义了NWK 层、APS 层、APL 层等三层，PHY 层和MAC 层则直接借用IEEE 802.15.4标准（文献[7]）。Zigbee 网络各层示意图如图1所示。
Zigbee 的物理层和MAC 层基于IEEE802.15.4标准，该标准给出了星形网络
（
Star Topology
）和对等网络（Peer-to-Peer Topology ）两种拓扑结构，如图2
所示。
从目标应用场景约束、系统复杂度和成本等角度出发，可以选择星形网络结构或对等网络结构。利用串口，将应变传感器模块连
接于每个Zigbee 网络节点上，即可构成基于Zigbee 的无线应变传感网络，以星形网络为例，如图3所示。
图1：Zigbee 网络五层示意图
图2：Zigbee 网络的拓扑结构
图3：星形Zigbee 应变传感网络
图4：Zigbee 节点模块
图5：应变传感器模块
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3 Zigbee节点模块
Zigbee 节点模块采用TI 公司CC2530F256结合CC2591构成。CC2530F256集成了RF 收发器、增强型8051 CPU ，具有8KB RAM 以及256KB 片上闪存，可以结合TI 公司的ZigBee 协议栈（Z-Stack ），形成完整的ZigBee 节点模块。为增加传输距离，搭配TI 公司2.4GHz 射频芯片CC2591，该射频芯片内部集成了PA 、LNA 、开关、巴伦和匹配网络，可以提供最高22dBm 的输出功率，能够大大提车位管理系统
升传输距离。如图4所示。
4 应变传感器模块
应变传感器模块由电阻应变片、信号检测与放大、信号采集与处理三部分组成。电阻应变片采用康铜材料、350Ω、10mm 应变片，标称疲劳寿命超过千万次。信号检测与放大部分，采用直流电桥结构，将电阻应变片作为电桥的一边接入，利用两级运算放大器进行应变片信号检测。信号的数字化采集与分析，利用意法半导体公司的STM32F103进行，该器件为低功耗MCU ，内核采用ARM 公司32位
Cortex-M3 CPU ，主频72 MHz ，带有单周期乘法及硬件除法功能，并具有2个1µs 12位ADC ，可以完成应变电压信号的数字化采集和处理。如图5所示。
5 无线传感节点搭建与测试
电阻应变片随着所受外力的不同而产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将增大或减小，信号检测与放大电路输出的不同电压信号代表电阻应变片的不同弯曲状态。将此电压信号数字化、采集并进行分析，即可得电阻应变片的弯曲状态是否出现异常变化，从而得到待检测部位是否正常的信息，监控主机通过综合分析各个监测部位的传感器模块的信息，即可得到建筑物是否健康的结论。将Zigbee 节点模块与应变传感器模块组合起来，即构成一完整的无线应变传感节点。搭建无线应变传感节点实验
系统，使应变片处于不同弯曲状态，传感节点的数据通过Zigbee 发往主机端，在主机端进行数据分析。如图6所示。
主机端收到数据之后，利用Matlab 进行数据分析。图7为应变片弯曲状态保持不变和应变片弯曲状态改变15
度所得的数据对比，
自动滤水器由对比可见，应变片弯曲状态不变时，数据为围绕基底附近的随机噪声；而当应变片弯曲状态改变时，主机端收到的数据出现了明显的规则跳变。下图分别为两种状态下的采集数据对比，为了提高监测精度，应变片弯曲状态变化的数据用单元平均方法作了平滑处理。供氧器
6 小结
电阻式应变传感器因为价格低、精度高、测量范围广、寿命长、结构简单等优点，广泛应用于建筑物重点部位的应力监测；Zigbee 网络因其低功耗、低成本、易组网等特点，而适合于各类传感网络。本文设计了一种基于
Zigbee 和电阻应变片的无线应变传感网络节点，并搭建实验系统、通过实测数据验证了其可行性。
参考文献
[1]冯佳.基于无线物联网的户外公共停
车位管理研究[J].自动化技术与应用,2018,37(08):59-62.
[2]洪光英.智能无线物联网技术在晋江
用电信息采集中的应用[J].通讯世界,2013,11:189-191.透射电镜制样
[3]肖烽.基于物联网传感技术的房屋健康
监测[J].江西建材,2017,215(14):251-252.
[4]房亚，谷利芬，张莉等.基于物联网农
业病虫害智能监控的自动喷药机研究[J].农机化研究，2017,8(8):224-227.[5]晏强.基于WAPI 的无线物联网接入终
端设计与研究[D].成都：成都理工大学,2012.
[6]王振朝.基于网络编码的无线物联网多中
继协作切换机制刍议[J].电子技术与软件工程，2013(18):62.
[7]IEEE std 802.15.4-2015，IEEE Standard
for Low-Rate Wireless Networks[S].
作者简介
郭二辉（1981-），男，安徽省灵璧县人。2001年毕业于合肥工大电子工程专业。现为中国电子科技集团公司第三十八研究所集成电路研发中心高级工程师。研究方向为集成电路设计、嵌入式开发。
作者单位
中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088
图6：无线应变传感节点实验系统
图7：应变片不同弯曲状态下的监测数据
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