ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是獲取信息的主要手段和方法，它是以傳感器技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等為基礎(chǔ)的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。常用的數(shù)據(jù)采集多采用傳感器，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)變換與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口或USB接口相連，由計(jì)算機(jī)讀取傳感器數(shù)值。隨著相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐步形成，并占據(jù)了測(cè)控領(lǐng)域的統(tǒng)治地位[1]。振動(dòng)量是測(cè)控應(yīng)用中常要采集的一類數(shù)據(jù)，如機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)量等，都可以通過(guò)振動(dòng)量反應(yīng)出來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，有線檢測(cè)往往出現(xiàn)布線困難、擴(kuò)展性移植性差等問(wèn)題，因此，無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了工程人員視野，最值得期待的便是ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離小范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高(20~250 kb/s)的各種電子設(shè)備之間，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)(如傳感器)、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)(如鼠標(biāo))[2]。可以看出，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集具有其先天優(yōu)勢(shì)。
1 系統(tǒng)基本構(gòu)架
無(wú)線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，左邊為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，右邊為數(shù)據(jù)采集終端。采集終端為一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)處理；外接一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理。在傳感器網(wǎng)絡(luò)一端，各個(gè)傳感器均接有一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，其中大部分功能屬于終端節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)需要的情況下，可將部分終端節(jié)點(diǎn)配置為路由節(jié)點(diǎn)使用，以支持不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括三種模塊：ARM9處理器及其外圍支持電路為一塊完整的工業(yè)控制核心板；ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各功能節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的模塊，模塊上集成了射頻收發(fā)器及控制單片機(jī)；傳感器電路需自行設(shè)計(jì)，將制作成的電路板加接到ZigBee節(jié)點(diǎn)即可。
2.1 ARM9處理器及其外圍電路
為了縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，設(shè)計(jì)中采用了成都某公司EM916x工業(yè)控制核心模塊。該核心模塊使用了一片AT91SAM9260的32位CPU，內(nèi)存有32 MB和64 MB可選，板載有32 MB的Flash，用戶可使用其中的一半，并且還集成了標(biāo)準(zhǔn)的MiniSD卡插槽，即插即用，為終端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了便利。在通信接口方面，EM9160配置了一路以太網(wǎng)接口，可用至多6路的標(biāo)準(zhǔn)UART串口，兩路USB主控接口等[3]。
EM916x模塊緊湊的集成設(shè)計(jì)，豐富的接口資源大大減少了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端的工作量，用戶幾乎不用做更多的外圍電路設(shè)計(jì)，只需將要使用的接口按要求引出到標(biāo)準(zhǔn)接頭即可。
2.2 ZigBee無(wú)線開(kāi)發(fā)套件
本設(shè)計(jì)選擇了成都某公司的C51RF系列ZigBee無(wú)線開(kāi)發(fā)系統(tǒng)套件。該套件提供ZigBee開(kāi)發(fā)所需的全套軟硬件，包括ZigBee2006協(xié)議棧，完全滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。套件使用無(wú)線單片機(jī)CC2430，是一個(gè)真正的SoC解決方案，它內(nèi)部結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的增強(qiáng)型8051控制器。CC2430具有性能高、功耗低、收發(fā)靈敏度高和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是在休眠模式下，器件的功耗尚不到1 μA，以之構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在電池供電的情況下大大延長(zhǎng)傳感器的使用時(shí)限[4]。
2.3 傳感器電路
常用的振動(dòng)傳感器分為壓電/駐極體/電磁型、彈簧型、機(jī)械接觸型等。CLA-3微型傳感器是一種采用新型高靈敏度傳感膜設(shè)計(jì)的全向振動(dòng)傳感器。CLA-3的靈敏度可調(diào)，抗干擾性好，輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，對(duì)于信號(hào)的后期處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用時(shí)必須采用剛性連接，如使用粘結(jié)膠固定，以減小振源與傳感器之間的衰減[5]。圖2為本設(shè)計(jì)中使用的檢測(cè)電路，經(jīng)過(guò)調(diào)理的振動(dòng)傳感器信號(hào)輸出為方波，對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)即可獲得振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.4 硬件集成
集成后得到無(wú)線采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。EM916x核心板與CC2430通過(guò)RS232串口相連，在核心板一端，除DEBUG串口外均可使用，而CC2430自帶兩個(gè)USART口，可使用其中任何一個(gè)；CAL-3傳感器與CC2430的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，只需將CAL-3應(yīng)用電路的信號(hào)輸出端接入CC2430的一個(gè)數(shù)字I/O口，在程序中以中斷的方式讀取該I/O口的計(jì)數(shù)即可。
ZigBee以獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、樹(shù)狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)唯一的64 bit IEEE地址，而其功能并不完全相同。從組網(wǎng)通信上來(lái)說(shuō)，半功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）只是其功能的一個(gè)子集；全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)則與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用。無(wú)論采用哪種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能有唯一的協(xié)調(diào)器，它由全功能設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一臺(tái)服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。FFD可作協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)使用，RFD只能用作終端節(jié)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用圖3所示的樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與EM916x工控板相連的屬于FFD設(shè)備，作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。而振動(dòng)傳感器端既可以接RFD設(shè)備作為終端節(jié)點(diǎn)，也可以接FFD設(shè)備。與FFD設(shè)備相接的傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)使用的同時(shí)，還具備路由功能，并能接收終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，它類似于一臺(tái)有線網(wǎng)絡(luò)的路由器，通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)及路由選擇，可大大擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)容量。