无线气压测量节点设计与测试

论文总字数：17554字

目 录

摘要 2

Abstract 3

1 引言 5

1.1分析研究低功耗气压测量节点的目的和意义 5

1.2 目前该领域在国内外的研究和应用现状 5

1.3本文要做的主要工作 6

2 气压传感器 6

2.1 气压传感器技术 6

2.1.1 振筒式气压传感器 7

2.1.2 LTCC压力传感器 8

2.2 数字压力传感器 9

3 无线传输技术 10

3.1 Zigbee无线通信技术 10

3.1.1 Zigbee协议简介 10

3.1.2 Zigbee网络结构 11

3.1.3 Zigbee技术的特点 12

3.2其他无线传输技术 12

3.2.1 WiFi技术 12

3.2.2 蓝牙（Bluetooth）技术 13

4 低功耗无线测量节点的设计 13

4.1 低功耗无线气压测量节点电路设计 14

4.1.1 MS5611气压计 14

4.1.2 CC2530无线采集芯片 16

4.1.3 低功耗无线传输电路设计 17

4.2 程序流程设计 17

5 低功耗无线测量节点测试实验 18

5.1 实验方案 18

5.2 实验结果分析 19

6 结论与展望 20

参考文献： 22

致谢 24

低功耗无线气压测量节点设计与测试

高志中

，China

Abstract: General pressure measurement instruments by the measurement accuracy, power consumption, volume and other factors, the penetration rate is relatively low. In order to improve the temporal and spatial resolution and timeliness of air pressure measurement, the design and research of a low power micro-barometric pressure sensor node is very important. This paper focuses on the design and testing of low-power wireless barometric measurement nodes. Firstly, the purpose and significance of the study of low power barometric pressure measurement nodes are analyzed, and the current research situation in this field is also discussed. Understand the working principle of the air pressure sensor, select the appropriate air pressure sensor, in the wireless transmission technology theory design the corresponding measurement node, design the corresponding circuit. Using the designed circuit for low-power wireless measurement node test experiment, obtain the experimental data, analyze the experimental data, draw the conclusion.

Keywords: Low power, barometric pressure sensor, wireless transmission technology, circuit design, CC2530, Zigbee

1 引言

1.1分析研究低功耗气压测量节点的目的和意义

古今中外，人们对气象学的探索与研究从未止步，为了能够及时的预测并掌握大气状态的变化，人类已经做出了不懈的努力。在任何情况下，气象观测都是气象研究的一个重要组成部分，气象观测的相关数据对于天气预报的制作和气候变化的研究等工作有重要的意义。在大气探测中我们需要掌握的气象要素只要包括温度、气压、湿度和风等，这些大气参数的时间和空间分布规律，是气象科学的重要研究内容。

随着科学技术快速发展，节能已经逐渐演变为电子产品应该必备的特点，微电子技术的嵌入式系统也得到了广泛的应用。目前，在微电子产品的制造方面，大部分生产厂家开始注重产品的功耗问题，在电路与系统的设计中低功耗成为工程技术人员需要考虑的首要问题。

气压作为大气要素之一，是气象观测中的一个重要因子，因此气压测量的精确度和实时性将直接影响到气象探测的质量，从而影响到气象预报的质量。一般的气压测量仪器受测量精度、功耗、体积等因素的影响，普及率比较低。为了能提高气压测量的时空分辨率和时效性，一种低功耗微型气压传感器节点的设计与研究显得尤为重要。

1.2 目前该领域在国内外的研究和应用现状

科学技术的发展随着社会的进步蒸蒸日上，传感器作为一种采集信息的重要元器件，其发展与创新也为人们所重视，依托微电子技术的支持各种传感器的研发正在疾速发展中。

气压传感器作为一种微型的压力传感器，是将感受到的压力信号转换成电信号的设备。目前，气压传感器的种类繁多，并且广泛应用于工业、农业、气象等行业中，是各种传感器中性能较高、应用较为广泛的一种传感器^[2]。但是传统的气压传感器受原材料的影响，灵敏度低，可靠性差。

随着传感器技术的持续发展，基于微机电系统MEMS技术的传感器研发已经成为一种研究趋势，微机电系统（MEMS）可以用各种技术和各种材料制造。MEMS通常通过微加工硅制造，将传感器和微电子技术结合到一起，半导体传感器的出现对压力传感器的发展有着突破性的进展^[20]。利用半导体的压阻效应制作半导体器件，将其应用到传感器中。目前，气压传感器正朝着高精度、微型化、低功耗、智能化和数字化的方向发展。

近年来无线传感器网络的发展极快，2003年制订了专用于无线传感器网络的IEEE 802.15.4标准。同时在美国建立了传感器网络研究中心，针对无线传感器网络技术的发展与研究制订了长远的研究计划。2004年Zigbee联盟成立，Zigbee技术是基于IEEE802.15.4的标准之上的。Zigbee技术的提出，让世界上多个国家开始投入到对无线传感器网络的研究中去。2007年，国际组织专门成立了无线传感器研究组，将无线传感器网络应用到众多领域中去。我国对无线传感器网络的研究相比发达国家比较晚一些，但目前也已经取得了一定得研究成果，而且有不少高校和科研机构已经投入到了无线传感器网络的研究中。可以说我国无线传感器网络技术正处于一个快速发展的阶段。

无线传感器网络节点的设计受到所选取的处理器、无线通信方式和传感器种类的影响，无线传感器网络节点的设计应该达到体积小和扩展能力强的要求，在投入使用后应该可靠并且稳定。目前国外比较常见的无线传感器网路节点有智能微尘Smart dust、Telos系列和Mica系列节点。国内典型的无线传感器网络节点有同济大学的OpenWSN节点、中科院的GAINS节点等。这几种无线传感器网络节点还是存在很多不足，比如说对数据的处理能力有限，无线通信的距离较短，普及还不够广泛。在当前科学技术的高速发展的环境之下，开发功能完善的无线传感器网络节点显得尤为重要。

1.3 本文要做的主要工作

本文主要是围绕低功耗无线气压测量节点设计与测试展开。首先分析研究低功耗气压测量节点的目的与意义，以及目前该领域的研究现状。了解气压传感器的工作原理，选择合适的气压传感器，在无线传输技术的理论下设计相应的测量节点，设计出相应的电路。利用设计好的电路进行低功耗无线测量节点测试实验，获取实验数据，分析实验数据，得出结论。

2 气压传感器

2.1 气压传感器技术

传统的气压传感器是以弹性材料为敏感元件，把它的变形值或位移量转换成电信号。目前，用于气压测量的微型气压传感器种类繁多。大部分气压传感器的主要工作原理（如图1）是相同的，根据其基本原理大体上可将其分为两类，即压阻式气压传感器和电容式压力传感器^[1]。

图1 压力传感器原理图

1. 电容式压力传感器

电容式压力传感器是基于由施加的压力引起电容数值的变化来实现测量压力的，电容的变化是由于气隙电容器的电极之间的距离发生变化引起的。这些电极位于气压传感器结构的腔内，电容器的底部极板固定在刚性基板上，上部极板则安放在一个可变形的薄膜上。当传感器的感应薄膜感受到压力而发生形变时，薄膜与固定电极之间的距离会发生一定程度的改变，根据两个电极之间距离的变化可计算出整个电容器电容的变化，电容值的变化经过相关的计算便可得出外界所施加压力的大小。

1. 压阻式压力传感器

压阻式压力传感器即扩散硅压力传感器，是目前所使用的压力传感器中比较常见的一种。其工作的主要依据是半导体的压阻效应和惠斯通电桥。压阻效应指的是当某些材料在受到应力作用时，它的电阻值或电阻率会产生显著的变化的一种材料特性。压阻式压力传感器具有四个厚膜电阻，作为应变器将感受到的压力变化转换成为电信号，这四个电阻以惠斯通电桥的方式配置连接，加以稳定的桥式电压来激励。硅作为目前最常用的半导体材料，将其用于压阻式压力传感器中，使传感器具有很高的灵敏度和响应频率，这样的器件在使用的过程中也给了使用者很高的可靠性^[6]。

2.1.1 振筒式气压传感器

振筒式气压传感器是一种新型的气压感应元件，其组成结构如图2所示。薄壁筒作为感应压力的原件，筒内气体压力的变化引起筒壁应力的变化，从而使得筒的振动频率发生改变。振动筒是整个传感器的敏感元件，是一个厚度仅为0.08mm的薄壁筒，在工作状态下，薄壁筒的持续振动工作是由压电换能片维持的。激振元件和检振元件在内振筒内部，呈十字形交叉排列。在振动筒和外筒之间是真空，目的是为压力的参考提供一个标准。

振筒式气压传感器配上相应的电路，便可以用于测量气压了。内振动筒的筒壁受到压力发生形变，使得圆筒以一个低振幅的谐振频率振动。筒壁的形变被检振元件感受到，同时在检振元件中产生感应电动势。外电路把检振元件所产生的感应电动势放大并反馈给激振元件，产生激振力使得振动筒以一定的振幅持续的振动。它是根据被测压力的变化引起内振动筒振动频率的变化来测量压力大小的。

图2 振筒气压传感器结构

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