基于激光位移传感器的无线通信系统
基于激光位移传感器的无线通信系统
作者:张博
随着通信技术的不断发展,出现了许多通信系统,大致可以分为两类: 一 类为有线通信系统 ,另一 类为尤线通信系统,有线通信系统工作性能稳定,但是由于需要通信电缆,布线比较复杂,系统的维护量比较大,而无线通信系统相对灵活,无需布线,降低了通信成本,克服布线带来的工作复杂性,减少了日常维护的工作,已经成为当前主要的通信方式。
无线通信过程中,根据通信距离长短,系统可以分为两类:长距离无线通信系统和短距离无线通信系统,相对千长距离无线通信系统,短距离无线通信系统的实际应用价值更高,为此本文主要针对短距离无线通信系统进行研究。在实际应用中,传统无线通信系统采用普通传感器作为通信元件,抗环境的干扰能力差,易受到其它因素的影响,导致数据传输速度慢,系统工作效率低,而且对数据通信质量产生不利影响,数据丢包率相当高,数据传输成功率低。为了解决普通传感器作为通信元件的缺陷,有学者提出采用其它类型的传感器构建通信系统,如光纤传感器等,但是它们仍然存在 一 些局限性 ,如系统工作不稳定,对工作环境要求高等 忙 。激光位移传感器集成了激光技术和传感器技术,具有实时强、精度高等优点,在工业、军事等领域得到了广泛应用 。
针对当前无线通信系统的数据传输速度慢、丢包率高的缺陷,利用激光位移系统的抗干扰能力强、鲁棒性高等优点,设计了一 种基于激光位移传感器的无线通信系统,并构建了无线通信系统的硬件部分和软件部分,最后通过仿真模拟实验对该系统的性能进行了测试。结果表明,该无线通信系统的数据传输可靠、实时性强,是一 种有效的尤线通信系统。
2 激光位移传感器的工作原理
激光位移传感器是一种基于回波分析原理的传感器,其采用激光三角法实现非接触式检测,具有结构简单、速度快、实时性强等优点,广泛应用于工业、通信等领域中。根据激光工作原理 ,激光传移传感器可以划分为两种类型:回波传感器和激光三角传感器,由于第2类传感器实现长距离测量,因此本文选择其作为无线通信系统的主要元器件之一。
激光位移传感器的基本工作原理为:通过镜头,激光发射的激光束发送到目标表面上,表面就会发生一定的反射,产生反射激光,这些激光会被激光器镜头中的感光元件所接收,而且感光元件可以根据不同光角度产生不同的光点。基于角度数据和传感器间的距离,能够估算出传感器与目标之间的距离,如果目标的位置发生了改变,那么光点坐标也会发生相应的改变,目标的位移就可以被计算出来。
在实际应用中,激光位移传感器的精度与位移估计结果准确密切相关,综合考虑成本、测试精度以及无线通信系统的实际,本文选择德国1700LL的激光位移传感器,该传感器的主要参数为:分辨率为0.5 ,m ,测量范围为30mm至40mm,是一种高精度的控制器,据输出标准为RS-422串口协议。
3 基于激光位移传感器的无线通信系统具体设计
3.1系统的应用背景
在激光位移传感器的工作过程中,由于实际应用的复杂杂性,单个激光位移传感器采集信息有限,为此常采用多个激光位移传感器,那么这些传感器之间就要进行相互通信,数据传输等,这样通过多个激光位移传感器对目标的信息进行检测,可以实现目标的精确定位。假设共3个激光位移传感器,它们同时对同一个目标信息进行检测,激光位移传感器分别检测到的目标位置信息。
3.2 无线通信技术的选择
在所有无线通信技术,ZigBee技术功耗低、数据传输可靠、数据传输速度快、保密性好等优点,实际应用价值高,为此本系统选择ZigBee技术作为无线通信技术。ZigBee技术有多种形式,由于星形结构通信性可靠,为此选择星形结构作为Zigbee的通信网络,多个激光位移传感器对目标信息进行采集,通过ZigBee技术它们可以进行协作,实现信息的融合,从而可以进行复杂的检测任务。
3.3 无线通信系统的硬件部分设计
激光位移传感器对数据进行采集,然后通过无线技术对数据进行融合,最后把数据发送到上位机进行显示,那么基于激光位移传感器的尤线通信系统的主要模块包括:数据处理模块、数据融合模块、电源模块、显示模块。
(1)数据处理模块。该模块主要元器件为1700LL激光传感器,主要负责数据采集,由千有多个激光传感器,通常情况下要求所有激光传感器参数要匹配,收到数据后,激光传感器应该可以对数据进行预处理,如对数据进行消噪、归一 化操作等。
(2)数据融合模块。该模块主要负责对单个激光传感器采集的位移数据进行融合,对千重复、冗余数据进行相应处理,简化信息,并负责将融合信息发送到上位机上。
(3)电源模块。该模块是尤线通信系统的动力系统,主要为系统提供电源,本系统主要采用捚电池供电方式,并采用HKS05003DC- DC开关电源,当电源发生变化和波动时,其可以很快达到稳定状态,保证系统的正常工作。
(4)显示模拟。尤线通信系统要实现人机交互,最终结果要显示给相关人员,因此显示模块要可以实时对激光位移传感器的信息进行实时、准确、高清晰的显示。本文系统选择LCD12864作为主要的显示单兀。
3.4无线通信系统的软件部分设计
软件系统是整个尤线通信系统的关键技术,是该系统的灵魂,其性能优劣直接关系到无线通信系统好坏。对于无线通系统的软件,通过Arduino语言进行开发,主要模块分为3个部分: (1)数据处理模块;(3)数据发送模块; (2)数据显示模块,下面对各模块进行具体描述。
3.4. 1数据处理模块
数据处理模块是软件系统最主要的部分,首先单个激光位移激光器需要对自身采集的信息进行处理,如去噪处理、消除无用的数据等,同时多个激光位移激光器对同一 个 目标信息进行采集 ,它们信息存在一些相同部分和不同部分,这样需要它们处理,由于每一 个激光传感器的测试范围不同,针对 700 LL 激光传感器,最后输出数据。
3.4.2 数据发送模块
为了准确、无误的将数据发送到上位机,本文通过ZigBee技术对数据进行实时发送,通常情况下,发送数据有2种类型, 一 类为不需要任何处理 ,可以直接发送的数据,另一 类为需要进行一定的处理后才能发送的数据,因此数据发送时要对它们分别进行发送。
3.4.3 数据显示模块
数据最后显示给相关人员,因此数据显示模块应该具有中文、英文两种显示方式,而且数据显示的形式应该简洁,方便相关人员观察和分析。同时数据显示要实时刷新,即过一 段时间对数据进行更新处理 ,显示要进行同步。
4 无线通信系统的性能测试
为了测试基于激光位移传感器的无线通信系统性能,搭建了模拟仿真平台,主要对丢包率、通信系统的数据吞吐蜇、数据传输的时实性等性能进行分析,同时对普通传感器节的无线通信系统进行对照实验。当无线通信系统的数据发送速度发生变化时,数据丢包率的变化曲线如图4所示。随着数据发送速度加快,无线通信系统的丢包率随之上升,这是由于发送数据速度快,发送数据错误的概率就增加,但是在相同数据发送速度不同的情况下,基于激光位移传感器的无线通信系统丢包率相对更低,这表明,本文系统的数据传输的可靠性更高,可以保证尤线通信系统的数据传输安全性。
尤线通信系统的数据吞吐量变化可以看出,传统传感器的无线通信系统数据吞吐量小,说明数据拥塞的概率比较大,而且基千光纤传感器的无线通信系统数据吞吐量大,加快了数据传输速度,可以满足无线通信系统的工作效率要求。
不同数据长度送的时延进行对比和分析发现,传统传感器的无线通信系统的数据发送时延大,这表明数据发送花费时间长,基于激光位移传感器的尤线通信系统的数据发送时延短,提高了尤线通信系统的实时性,在相同时间内,可以发送更多的数据,降低了无线通信系统的运行成本。
5 结束语
相对于有线通信系统,尤线通信系统的应用范围更加广泛,尤其近几年,随着现代电子技术和通信技术的不断融合,无线通信系统得到了前所未有的发展,而当前无线通信系统具有数据传输实时性差,数据传输成功率低的缺陷,为此设计了基千激光位移传感器的无线通信系统,引入激光位移传感器构建主要通信设备。仿真测试结果表明,该系统的抗环境干扰能力强,数据传输速度快,而且大幅度降低了数据丢包率系统的稳定性能更高,具有广泛的应用前景。
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