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1、无线测试系统综合实验实验指导书廖立平2009年5月一、 实验目的图1：无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Network）（见图1），当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽、准确的信息,传送到需要这些信息的用户。它由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对
2、象信息，并发送给观察者。它分为如下三种网络形式：星形网络，网状网络节点有三种拓扑结构，如图2中所示。星状网拓扑结构中所有节点都与基站和网关进行双向通信（图 2中A 图）。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与互联网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间网络点，相互之间并不传输数据或命令。网状拓扑结构所有节点都相同，而且直接互相通信，与基站进行数据传输和命令传输（图2中B 图），网状网的每个节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容错能力较强。混合网力求兼具星状网的简
3、洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点（图2中C 图）。在混合网中，路由节点和中继节点组成网状结构，图2：无线传感器网络结构无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统（Remote Battlefield Sensor System，简称REMBASS -伦巴斯）、网络中心战（NCW）及灵巧传感器网络（SSW）、智能尘（smart dust）、Intel?Mote、Smart-Its项目、S
4、ensIT、SeaWeb、行为习性监控（Habitat Monitoring）项目、英国国家网格等。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、
5、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。二、实验原理无线传感器特点：1、传输距离。由于采用专用高频电路板材
6、，合理的阻抗匹配，在相同的电池供电及功率消耗下， 节点的通信距离编程可调0100m，有效距离达50M 以上，适合大部分短距离无线传感器网络应用要求。2、功耗低。元器件采用低功耗器件，在使用低功耗通信协议栈时，在睡眠状态，电流仅为5mA ，在掉电节能模式下，电流更是只有110A 左右。节点使用2 节AA 电池即可正常工作。3、使用方便。节点每个都有串口和JTAG 口，都可以对每个节点方便地进行编程，不需要复杂的编程环境；另外每个节点都可以直接接到计算机上，充当SINK 节点，同样不需要专门定制的接口板，十分方便。4、软件资源。为了扩展产品的适用范围，有兼容目前WSN 领域最主流的802.15.4
7、 规范的协议栈，开发语言是C，易于开发与相互共享交流，完全可以成为我们公共的平台。总体架构见图3，它由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，在一个节点提供了可扩展不同传感器的接口，所以可能包括多种传感器器件；处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括了数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等等；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。图3：无线传感器总体框架图4：软件结构图5 机械参数
8、遥测测试系统框图在无线网络传感器一般集成一个低功耗的微控制器(MCU)以及若干存储器、无线电/光通信装置、传感器等组件，通过传感器、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境交互。一般说来，单个传感器的功能是非常有限的，但是当它们被大量地分布到物理环境中，并组织成一个传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验，再配置以性能良好的系统软件平台，就可以完成强大的实时跟踪、环境监测、状态监测等功能。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。以应变测量为例，首先，被测物在传感器的测量下，通过简单的系统单芯片SOC，得到物体的应变变化，然后，
9、数据经过基于CMOS技术的放大元件，将经过处理的低功耗数据转给无线传输模块，该模块将数据进行A/D转换后，无线传输给接收模块，并通过终端对数据分析处理，实现远距离就可以完成强大的实时跟踪、环境监测、状态监测等功能，在资源受限的条件下完成感知、通信和控制功能。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。无线传输接收模块体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，。节点每个通道内置有独立的高精度120-1000桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥，半桥，全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器。采集的数据既可以实时
10、无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的2M 数据存储器，保证了采集数据的准确性。节点的空中传输速率可以达到250K BPS，有效室外通讯距离可达100m等优点。三、实验设备CSY2000系列传感器与检测技术实验台、SG802 无线应变节点、SG402无线应变节点、A302无线加速度节点、网关S903、戴尔计算机，活塞式压力计，压力传感器BHR-2型，荷重传感器BHR4型，四、实验步骤：（一）接线1. 将压力传感器接在上，四分之一桥接法见图，半桥接法见图，全桥接法见图，其他接线见附录图：SG802四分之一桥的接线图图：SG802半桥的接线图图9：SG802全桥的接线图（二）、数据采集1、唤醒节
11、点打开必创BEEDATA软件。右键单击屏幕左侧显示的节点，在出现的菜单中选择拓扑查询（如图2-1）。左键选定SN802，右键点击弹出功能对话框，选择【唤醒节点】，此时状态框内出现唤醒确认信息，节点进入工作状态。2、设置2.1【测量设置】：内含【量程】及【采样率】。【量程】：为15000.00，此量程为四分之一桥路状态下测定；【采样率】：分为1sps，10sps，20sps，50sps，100sps及200sps（sps=每秒采样频率）六档采样率，适用与静态测试及准动态测试要求，可根据工况需要选择；2.2【通道设置】：在此菜单中可通过勾选来设定使用应变节点内的通道数量；通过点击下拉菜单设置应变节
12、点中每个通道的采样方式，分为四分之一桥，半桥及全桥。必创无线应变节点各个通道可进行独立设置，各信道可独立设置四分之一桥，半桥及全桥的测量方式（桥路连接方式请参考必创无线应变节点使用说明）；见图13 图13：通道设置 注意：为达到最佳数据采集及数据波形观测效果，建议在设置时，采样率为截止频率的4倍以上；2.3【实验记录信息配置】、 图14 实验记录信息配置如图14所示，实验记录格式选择标准文本文件2.4【采集通道校正】 图15：采集通道设置 图16：采集通道校准第一步：进入【设置】【采集控制设置】，将需校准节点设置为，采样率：1sps，测量方式：二分之一桥，设置完毕后点击【应用】并退出，将传感器
13、以正确连接接入校准设备，校准设备输出 0（如图15）； 第二步：进入【设置】【采集通道校准】，输入用户名、密码（默认值见软件说明书）进入设置界面（如图16）；第三步：选择需要校准的通道。首先要进行零偏校准，在标称值填入“0”，在“第一步：自动校正零偏（标称值=测量值）”项前打勾； 第四步：待通道零偏值平稳后，点去“第一步：自动校正零偏（标称值=测量值）”项前勾选，点击“应用”，完成零偏校准。将校准设备调至 100（非0输出即可），在标称值处填入输出值，在“第二步：自动校正系数（标称值=测量值）”项前打勾；第五步：待通道系数稳定后，点去“第二步：自动校正系数（标称值=测量值）”项前勾选，点击 “
14、应用”，完成系数校准。该通道校准完成。 重复以上操作可完成对全部通道的校准。 验证：可通过将校准设备调为零输入，点击“开始 100测试”观察该通道测试输出值，验证完毕点击“结束 100测试”结束。3、数据采集3.1采集数据显示 点击窗口菜单内的新建显示窗（按显示要求选择图表显示窗，巴图显示窗，曲线显示窗，单信道显图17：采集数据显示示窗，历史记录图表显示窗），在弹出的信道选择窗口上选择需要显示的信道，通过点击或按键将需要显示的信道从可用信道区加入到显示信道区（如图2-3）；点击或按键将不需要显示的信道从显示信道内移回可用通道；3.2 开始采集点击选中所需开始采集数据的节点，点击测量菜单内的【开
15、始采集】/或点击工具栏内按钮/或右键点击所选节点，在所弹出对话框内的按钮，可对选定节点进行采集；状态提示栏内将返回开始采样确认信息，节点的Link灯开始闪烁；3.3显示曲线 点击打开曲线显示窗。在显示窗口标题部分包含横纵座标轴单位及所显示所有通道采样率。（如图18）图18：实时显示曲线（1） 坐标轴单位：纵坐标为测量值（加速度或应变），随时间（单位：秒）实时变化；（2） 采样率：当前信道（或多个信道）采样率；（3） 显示图例：标明不同信道的颜色显示；（4） 纵坐标轴及放大倍数：显示当前量程范围；（5） 横坐标轴及放大倍数：显示一段时间内的变化，跟据显示格数放大倍数可调节此段时间大小。操作：（1）鼠标右键点击窗体，会出现操作菜单（如图19）图19：座标显示（2）纵坐标范围，里面包括对纵坐标的两种设置。 显示方式1：自动调整和手动设定。自动设定项为默认项，显示窗会根据数据的变化自动调节窗体；手动
