2 无线测径系统设计方案
    整个系统由若干无线测径传感器节点、中继节点、无线接口模块和上位机组成，如图2所示。其中无线传感器节点按需要分布在各测量点，执行数据采集、预处理和传输等工作。中继节点负责将传感器节点所测得的数据转发到上位机的无线接口。上位机通过无线通信方式和各个节点进行通信，向节点发送控制命令和收集数据，并对采集到的每个节点的微位移数据进行智能分析、显示和打印。

2.1 节点硬件系统设计
    无线传感器节点是组成网络的最基本单元，它负责响应上位机的命令、采集并发送数据。本设计采用了Crossbow公司Mote系列中的MICA2节点模块的设计思想，将节点分为传感器模块、处理器模块和无线通信模块。传感器模块负责数据采集、预处理，主要由以下部件组成：电感测量头（DGC-8ZP/B型轴向测头）、接口芯片NE5521、高精度16位A/D" title="A/D">A/D转换芯片CS5523；处理器模块负责信号的运算处理，由高速低功耗8位微处理器ATMEGA128和512KB的串行Flash AT45DB041组成；无线通信模块负责数据的发送与接收，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000构成。其结构如图3所示。

2.1.1 传感器平台
    本设计中传感器平台主要实现对微位移的测量，其核心测量电路如图4所示。

    微位移测量采用差动变压器LVDT（Linear Variable Differential Transformer)与接口芯片NE5521实现。LVDT结构是由在圆柱形骨架上绕有螺旋形的原边和两个付边绕组所组成的线圈及一可动铁芯构成，它可将微小位移的变化转换成电信号的变化，具有分辨率高、灵敏度高、工作稳定等特点。NE5521[4]是差动变压器信号转换专用芯片，内部集成了交流激励信号发生器、信号放大、信号解调电路和一个独立的运算放大器，它只需外接几个元件就可构成一个差动变压器变送器，且具有功耗低、体积小、使用方便等特点。适合本设计中无线传感器节点对器件在功耗和体积等方面的要求。
    实现过程如下：电容C2_0、电阻R2_6和NE5521内部的振荡器组成正弦波发生单元，此单元所产生的正弦波经放大器放大整形后由NE5521的11、12引脚输出，为LVDT提供交流激励信号，正弦波频率f=（+5V～1.3V）/[+5V×(R2_6+1.5K)×C2_0]；LVDT的输出由L2_IN输入到同步解调器，取自12引脚的同步信号经相位调节电路（R2_7和C2_5组成）调节后送入同步解调器。经解调后的测量信号由引脚5送入带有调零的二阶有源滤波电路(由NE5521内部的运放、R2_1、R2_2、R2_3、R2_4、R2_5、C2_1、C2_2和可调电阻W2组成)进行滤波放大处理。最终，测量信号由引脚1输出到后续处理电路。
2.1.2 无线通信平台
    无线通信平台主要实现传感器节点、中继节点、上位机之间的数据传输，主要由Chipcon公司的通信接口芯片CC1000实现。CC1000具有低电压（2.3～3.6V）低功耗、高灵敏度、接收信号强度指示（RSSI）、可编程输出功率（-20～10dBm）传输距离远等特点,其FSK数传速度可达72.8kbps，具有250Hz步长可编程频率能力。CC1000与ATMEGA128通信通过三线串行接口（PDATA、PCLK、PALE)进行。外围元器件的参数是在发射频率为915MHz的条件下选配的。电路如图5所示。

2.2 软件系统的实现
    由于整个节点是基于嵌入式系统组建的，所以对软件设计也有很高的要求。因此，本设计采用专门针对无线传感器网络的操作系统TinyOS(crossbow公司提供)，以及在此基础上开发的应用程序来实现整个系统的功能。TinyOS操作系统采用了轻量级线程技术、主动消息通信技术、事件驱动模式和组件化编程等思想，有效提高了节点CPU的效率、节约了系统功耗。TinyOS的元件库包含网络协议、分布式服务、传感器驱动以及数据采集等工具。这些工具可以原样使用，也可以经过修改供定制系统使用，为传感器网络的应用带来了便利。下面说明几个主要功能的实现过程。
2.2.1 微位移数据采集
    本设计采用组件化编程思想，将数据采集部分作为TinyOS的一个组件并嵌入其中，采用支持组件化编程的nesC语言来实现其功能，包括A/D采样、数字滤波等。为了提高测量精度，本设计选择A/D转换芯片CS5523的转换范围为55mv档（在实际电路中经测试，当传感器的位移量变化400um时，信号经处理后的变化量为45mV)，信号输入方式为差动输入。在实际应用时，首先要进行零点和满度的标定，确保仪器工作在良好的线性范围内，从而提高测量精度。接着依次启动A/D的各个通道进行数据采集，并分别读入4组A/D转换结果，然后进行数字滤波处理，再将所得结果发送到上位机。
2.2.2 无线通信协议的实现
    本设计中对协议栈采用分层实现，主要包括物理层、数据链路层和网络层。物理层协议向数据链路层提供硬件操作接口。发送时，实现信道编码算法，然后将编码后的完整数据帧通过RF硬件接口发送出去；接收时，将数据从RF硬件接口中正确地提取出来，然后组成数据帧，再进行信道解码，并将解码后的数据传给数据链路层协议处理。数据链路层为相邻的网络实体间建立、维持和释放数据链路连接，并传输数据链路服务数据单元。网络层负责路由的生成与选择，以及通过网络连接交换网络服务数据单元。具体实现结构图如图6所示。