甘肃无线应变传感器

基于无线传感器网络的CAN总线互联
1 引言


装甲车辆状态信息采集系统的信息采集单元通常采用CAN总线连接，某些情况下，车辆上装和下装之间的旋转连接器由于没有连线空间，需要无线通信模块为上装和下装的CAN总线提供一个透明的无线通道。本文基于无线传感器网络给出一种无线通道的设计，主要包括CAN总线无线接入控制模块电路设计以及无线传感器节点的通信协议设计等内容。


2 电路设计


以无线传感器网络为基础的CAN总线扩展系统总体结构如图1所示，其主要由两块CAN总线无线接入控制模块构成，每个模块的组成及各部分的作用是：无线传感器节点的微控制器及存储器模块，接收对端无线接人控制模块传来的数据并存储，然后将数据交CAN控制器待发，同时接收CAN控制器传来的数据并通过传感器网络将数据发送到对端无线接入控制模块；CAN 控制器采用SJA1000，运行CAN协议，为传感器网络结点提供CAN总线服务；收发器采用TJA1050作为CAN控制器与物理媒体的物理接口，为 CAN控制器提供比特流服务。

3 无线传感器节点


3.1 无线传感器网络节点硬件结构


图 2所示为无线传感器网络节点的硬件，包括传感器模块、微处理器模块和无线通信模块等三个功能部分。GAINTS系列节点使用AT-MEGA128单片机作为控制器和处理核心，无线通信模块核心采用工作在433 MHz的单芯片低电压CC1000收发器，该射频芯片具有工作电压低(2.1～3.6V均可工作)、能耗低、体积小等非常适合于集成的特点。它采用FSK 调制方式，外部采用SPI的接口，可以和微控制器直接相联。CC1000使用频率为14.745 MHz的晶振作为驱动，在该驱动下面CC1000可以提供的较大数据传输率为19.2KB／s，也就是说每ms不到3个字节，这个数据对MAC层的协议是很有用的，在设置ACK等待时间和RTS-CTS等待时间的时候需要考虑这些参数。

3.2 通信协议设计


本文基于TinyOS底层通信接口进行通信协议设计。对TinyOS编程采用的是nesC语言，这是一种类似C的语言，是对C的扩展，也是结构化的语言，是基于组件式的编程，模块化的设计。nesC组件有两种：Module(模块)和Configuration(连接配置文件)。Module在模块中主要实现代码的编制，可以使用和提供接口，在它的实现部分必须对提供接口里的command和使用接口里的event进行实现。


TinyOS是基于一种组件架构方式的开源的嵌入式操作系统，一个应用程序可以通过连接配置文件(a wiring specification)将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发去唤醒传感器工作。tasks一般用在对于时间要求不是很高的应用中，且tasks之间是平等的，即在执行时是按先后顺序，一般为了减少tasks的运行时间，要求每一个task都很短小，能够使系统的负担较轻；events一般用在对于时间要求很严格的应用中，而且它可以优先于tasks和其他events执行，可以被一个操作完成或是来自外部环境的事件触发，在TinyOS中一般由硬件中断处理来驱动事件。在TinyOS中由于tasks之间不能互相占先执行，所以 TinyOS没有提供任何阻塞操作，为了让一个耗时较长的操作尽快完成，一般都是将对这个操作的需求及其完成分开来实现，以便获得较高的执行效率。由于在 Tiny-OS中没有进程管理的概念，它对任务是按简单的FIFO队列进行处理的，对资源采取预先分配，且这个队列里较多只能有7个未解决的任务。我们设计时，主要处理三类事件，即串口接收数据事件、无线接收数据事件和定时器事件。


①串口接收数据事件。每次节点从串口接收到一个字节的数据将触发该事件。对于信息采集任务来说，其信息是定时采集的。同时，CAN总线的速率远远大于无线传输的速率。因此，在节点开辟了一段较大的缓存区，对CAN 总线传过来的数据进行缓存。该缓存区的大小取决于无线传输的速率以及CAN总线在一个定时采集周期的数据量大小。假设无线传输的速率为V、缓存区大小为 Mem、采集周期为T、每个采集周期的数据量为Data，注意V为传输有效数据的速率，即要去掉协议开销以及管理和控制开销，则至少满足 V×T≥Data，Mem≥Data。为提高无线传输的效率，不是每次从串口接受到一个字节就从无线接口发走，而是每次缓存的字节数达到无线传输一个数据包的大小时，启动任务一UARTRcvdTask。这种采用任务的方式进行实际的无线数据传输可以避免阻塞其他event事件。

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荷兰埃因霍温理工大学已经开发出一种尺寸很小的无线温度传感器。这种传感器可以利用射频信号来获得电力。


这意味着传感器不必连接任何线缆，而用户也不必为传感器更换电池。对于智能楼宇等应用而言，这将是发展中的重要一步。
未来，智能楼宇将布满传感器，从而即时响应住户的各类需求，而这样的传感器需要支持长时间使用，例如当用户走进房间时打开空调和灯光开关。然而，传感器必须是无线的，且不需要更换电池，才能满足这样的需求，否则在大楼内，用户每天都要为不同传感器更换电池。


埃因霍温理工大学研究人员高浩(Hao Gao，音)开发了这种传感器，而这也是他的博士学位研究课题。他开发的传感器仅有2平方毫米大小，重量仅为1.6毫克。


当前版本的传感器传感范围只有2.5厘米，研究人员计划在一年内使这一距离扩大至1米，而较终目标则是5米。传感器配备了专门的路由器，内置的天线则可以将射频电磁波传送给传感器，带来电力。由于能量传输精确瞄准了传感器，因此路由器只消耗非常少的电力。此外，传感器自身的设计也使能耗保持在较低的水平。


这种传感器可以埋置在油漆、塑料和混凝土的下方。埃因霍温理工大学无线技术教授皮特·巴尔图斯(Peter Baltus)表示，这意味着传感器可以方便地用于建筑物内。


传感器内置的天线能通过路由器获得能源。传感器将会充电，而在电力足够后，传感器将会开机，测量温度，并将信号发送给路由器。基于测量到的温度，这一信号有着略微不同的频率。而根据频率的不同，路由器可以计算出实际温度。


同样的技术可以被用于其他类型的无线传感器，例如运动传感器、光线传感器，以及湿度传感器。巴尔图斯表示，这一技术的应用范围非常广泛，例如可用于支付系统、无线身份认证系统、智能楼宇，以及工业生产系统中。此外，这一技术的成本不高：在大规模量产的情况下，单个传感器价格可低至20美分。传感器的生产基于65纳米CMOS工艺。
应变片式传感器工作原理及特性
1、电阻应变片工作原理


电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。


2、应变片的种类、材料及粘贴


金属电阻应变片的种类有丝式和箔式两种。


1）丝式：直径0．01～0．05mm，材料为胶膜、纸、玻璃纤维布等。



图1　金属电阻应变片的结构


2）箔式应变片：直径0．003~0．01mm





原理：它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；


优点：


1）敏感栅尺寸准确，线条均匀；


2）其弯头横向效应可以忽略；


3）可通过较大的电流；


4）散热性好，寿命长；


5）生产效率高；


3、电阻应变片的特性


（一）电阻应变片主要特性：


1）灵敏系数


2）横向效应


3）机械滞后，零漂及蠕变


4）温度效应


5）应变极限、疲劳寿命


6）动态响应特性


（二）应变片的温度误差及补偿


由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。


1）电阻温度系数的影响


敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：


Rt=R0（1+α0Δt）　　　　　　　ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt


2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产生附加电阻变化。





由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：





可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,　α0,　βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。


通常温度误差补偿方法有两类：


1）线路补偿法







完全补偿：


①R3=R4;


②R1和RB相同;


③粘贴材料一样;


④同一温度场


2）应变片的自补偿法





则被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料,则达到温度自补偿的目的。


（三）应变片式电阻传感器的测量电路


直流电桥


直流电桥平衡条件


直流电桥电压灵敏度


电桥的非线性误差


直流电桥平衡条件：





交流电桥


交流电桥的平衡条件


交流应变电桥的输出特性及平衡调节


直流电桥输出电压很小，须放大但直流放大器易于产生零漂。





交流电桥平衡调节：





（四）电阻应变片的选择、粘贴技术


1）目测电阻应变片有无折痕．断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。


2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0．5欧姆．


3）试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。


4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。


5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。


6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。


7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮

科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。
电阻应变式称重传感器应用的局限性
电阻应变式称重传感器有两大缺陷：
1.低电阻，高能耗；
2.是一个不完全二阶传感器系统。
应用受到局限：
1.只能在220V，20Hz交流电源区应用，不能应用于无交流电区域。
2.只能用于静态或准静态称重，不能进行动态称重

无线传感器网络关键技术




1 拓扑控制




拓扑控制技术的主要功能是数据转发，同时通过控制功率或邻居节点来实现网络的覆盖度和连通度。良好的网络拓扑能够提高路由效率、降低网络能耗，以延长网络生存周期。拓扑控制作为WSN中的核心问题，能够为数据融合、路由协议以及目标定位等提供技术支撑。




目前已有的拓扑控制算法分为节点功率控制和层次型拓扑控制两类。功率控制是通过调整传感器节点的发送功率，在满足网络覆盖率和连通性的前提下，尽可能减少节点发送功率。当每个节点的功率发生变化时，网络的拓扑结构也会发生变化，同时降低节点间的干扰，较终使网络达到较佳连通性。层次型拓扑控制利用分簇机制，让形成簇头节点，每个簇头节点成为一个骨干网将网络划分成多个簇，其他非骨干网节点可以暂时停止通信以降低网络能耗，只允许骨干网进行数据转发。


2 路由协议




在无线传感器网络中，网络连接需要根据实际情况，需联合合适且特定的算法还有系统软件建立的实时动态的连接，并不是采用一种事先安排好的连接方式。网络带宽、处理功耗等一些网路实时方面的影响因素是网络运行时必然要考虑的因素，因此，当网络出现意外时，网络根据实际情况能够实时地进行重构或是更新网络系统等操作。节点之间通信连接的可靠性是有限的，有时阴影衰落也是影响网络连接的因素之一，所以在设计满足网络需求的路由软件时要仔细考虑通信的可靠性问题。




3 数据融合




在WSN中，通过数据融合技术可以对传感器节点收集到的数据进行融合处理，去除冗余信息，节省网络能量，延长网络生命周期。此外，利用数据融合技术可以对网络内感知到的多份数据进行分析和综合处理以提高信息的准确度。然而，数据融合技术在进行数据处理时，会增加网络运行时间，造成网络的时间延迟。


4 时间同步




时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。在WSN中，节点间通常需要相互协作才能完成感知和监测功能，此时要求各个节点之间保持同样的时钟。目前已有的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/miniSync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）。



5 定位技术




在WSN的实际应用中，用户不仅关注传感器节点在监测区域内的感知数据，也希望获取这些节点的位置信息。因此，定位技术作为WSN中的关键技术具有十分重要的地位。




在WSN中传感器节点的定位方式分为两种：基于测距的定位和基于非测距的定位技术。基于测距的定位是通过测量节点间的距离和方向角度来确定待定位节点的坐标，此方法对节点硬件要求较高，能达到精确定位；基于非测距的定位是通过网络内节点间的连通性来获取待定位节点的较终坐标的，由于*测量节点间的距离使得对节点的硬件要求较低，降低了网络的成本，但是定位精度不高。

无线传感器网络技术
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，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 覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。


无线传感器网络 （wireless sensor network）简称WSN，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个基站(称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。


传感器节点是一种非常小型的计算机，一般由以下几部分组成：


1．处理器和内存（一般能力都比较有限）。


2．各类传感器（温度、湿度、声音、加速度、**定位等）。


3．通讯设备（一般是无线电收发器或光学通信设备）。


4．电池（一般是干电池，也有使用太阳能电池的）。


5．其他设备，包括各种特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）。


无线传感器网络中的基站的作用是从各个传感器节点收集数据，集中处理然后提交给用户。因此，基站一般有更强的数据处理和通讯能力以及更持久的电力。


DL-WZXT无线传感器网络是新一代的传感器网络。DL-WZXT无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无...无线传感器网络 的详细介绍 DL-WZXT无线传感器网络 DL-WZXT无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用。

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