基于嵌入式无线传感器网络技术的料位监测系统

　　1、引言

　　目前使用的料位传感器主要有超声波式的、电容式的、电触点式、重锤式、雷达式等几种，而且就目前仅有的料位传感器中，国外的产品价格昂贵，国内产品要么检测范围不够，要么检测灵敏度较低，不能满足特定环境物料位的测量，而且物料的堆积在料仓中不一定是很均匀的。为此，本文提出一种新型的料位监测系统，即基于嵌入式无线传感器网络技术的料位监测系统。具体方法是：将多个传感器置于料仓中不同的空间位置，单个传感器节点通过检测物料对料仓壁的侧压力对料位进行检测，运用嵌入式技术与多传感器信息融合技术，对料位进行综合测量，来完成料位的准确测量和监控。采用这种检测方案，使料位测量的可靠性和测量精度都得到了很大的提高，同时采用多传感器信息融合技术还可以抑制交叉敏感，提高传感器的稳定性。

　　2、无线传感器网络的体系结构

　　无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式，是指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成一些数据采集工作，节点通过传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用装置接收。其中，传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等等众多我们感兴趣的物质现象。无线传感器网络体系结构如图1所示，通常由传感器节点(sensor node)网络、汇聚节点(sink node)、任务管理节点(management node)、外部网络和用户接口组成。大量传感器节点随机部署在感知区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

图1 传感器网络体系结构

　　3、基于压力传感器的料位检测技术

　　为了精确测量料位的高低，根据无线传感器网络的解决方案，提出基于压力传感器的多参数融合和多个压力传感器在不同空间位置布置的测量方法。单个压力传感器对料位进行测量的基本原理是：在料仓中物料对仓壁会产生一个侧压力P，这个侧压力的大小与料位的高低H存在一定的函数关系。由任伯特试验可知，垂直压力Q与料位的高度H成线性函数关系，即Q=CH。动态侧压力系数K(y)是按某种曲线规律变化的，垂直压力Q和侧压力P之间的关系为 P= K(y)Q = K(y)CH, 由此根据侧压力的大小就可以计算出料位的高低。假设在料仓中不同的空间布置有n个压力传感器，每个传感器的位置是已知的，它们检测到的侧压力分别为p1 p2 ……pn ，根据每个侧压力值的大小通过对应的函数关系就可以计算出相对应的料位高度h1 h2…… hn ,最后通过多数据融合技术和数据处理方法经微处理器运算会得出一个比较精确的料位高度值H。同时由于每个压力传感器的实际安装位置是已知的，因此通过压力传感器是否受到压力可以对料位的高度进行一个初步的判断，即料位是否到达该位置，经过这样的检索判断，就可以把料位锁定在在垂直高度上的两个不同的压力传感器之间，即一个是感受到压力的传感器，说明料位到达该位置，则以此传感器的安装高度为基数向上进行计算。另一个是没有感受到压力的传感器，说明料位没有到达该位置。这样整个料仓的测量误差就缩小到两个传感器的垂直高度之间，所以测量的误差是很小的，测量的最终结果是比较精确的。