ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的振動(dòng)數據采集系統設計

數據采集技術(shù)是獲取信息的主要手段和方法，它是以傳感器技術(shù)、測試技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)等為基礎的一門(mén)綜合應用技術(shù)。常用的數據采集多采用傳感器，經(jīng)過(guò)一定的數據變換與計算機通過(guò)串口或USB接口相連，由計算機讀取傳感器數值。隨著(zhù)相關(guān)基礎技術(shù)的發(fā)展，以嵌入式計算機為核心的數據采集系統逐步形成，并占據了測控領(lǐng)域的統治地位[1]。振動(dòng)量是測控應用中常要采集的一類(lèi)數據，如機器的運行狀態(tài)、動(dòng)物的運動(dòng)量等，都可以通過(guò)振動(dòng)量反應出來(lái)。在實(shí)際應用中，有線(xiàn)檢測往往出現布線(xiàn)困難、擴展性移植性差等問(wèn)題，因此，無(wú)線(xiàn)檢測系統逐漸進(jìn)入了工程人員視野，最值得期待的便是ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用。ZigBee技術(shù)主要應用在短距離小范圍內以及數據傳輸速率不高(20~250 kb/s)的各種電子設備之間，其典型的傳輸數據類(lèi)型有周期性數據(如傳感器)、間歇性數據（如照明控制）和重復低反應時(shí)間數據(如鼠標)[2]?？梢钥闯?，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用于數據采集具有其先天優(yōu)勢。
1 系統基本構架
無(wú)線(xiàn)振動(dòng)數據采集系統如圖1所示，左邊為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，右邊為數據采集終端。采集終端為一臺嵌入式計算機，負責接收傳感器數據并進(jìn)行相關(guān)處理；外接一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器節點(diǎn)，完成對無(wú)線(xiàn)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節點(diǎn)，其中大部分功能屬于終端節點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò )需要的情況下，可將部分終端節點(diǎn)配置為路由節點(diǎn)使用，以支持不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

2 硬件設計
系統硬件設計包括三種模塊：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 )節點(diǎn)的各功能節點(diǎn)采用獨立的模塊，模塊上集成了射頻收發(fā)器及控制單片機；傳感器電路需自行設計，將制作成的電路板加接到ZigBee節點(diǎn)即可。
2.1 ARM9處理器及其外圍電路
為了縮短系統的開(kāi)發(fā)周期，設計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，內存有32 MB和64 MB可選，板載有32 MB的Flash，用戶(hù)可使用其中的一半，并且還集成了標準的MiniSD卡插槽，即插即用，為終端數據的存儲提供了便利。在通信接口方面，EM9160配置了一路以太網(wǎng)接口，可用至多6路的標準UART串口，兩路USB主控接口等[3]。
EM916x模塊緊湊的集成設計，豐富的接口資源大大減少了設計數據采集終端的工作量，用戶(hù)幾乎不用做更多的外圍電路設計，只需將要使用的接口按要求引出到標準接頭即可。
2.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)套件
本設計選擇了成都某公司的C51RF系列ZigBee無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)系統套件。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(mǎn)足IEEE802.15.4標準和ZigBee技術(shù)標準。套件使用無(wú)線(xiàn)單片機CC2430，是一個(gè)真正的SoC解決方案，它內部結合了一個(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一個(gè)工業(yè)級小巧高效的增強型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，以之構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠在電池供電的情況下大大延長(cháng)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計的全向振動(dòng)傳感器。CLA-3的靈敏度可調，抗干擾性好，輸出為準數字信號，對于信號的后期處理相對比較簡(jiǎn)單。使用時(shí)必須采用剛性連接，如使用粘結膠固定，以減小振源與傳感器之間的衰減[5]。圖2為本設計中使用的檢測電路，經(jīng)過(guò)調理的振動(dòng)傳感器信號輸出為方波，對方波進(jìn)行計數即可獲得振動(dòng)數據。

2.4 硬件集成
集成后得到無(wú)線(xiàn)采集系統的硬件框圖如圖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的連接相對簡(jiǎn)單，只需將CAL-3應用電路的信號輸出端接入CC2430的一個(gè)數字I/O口，在程序中以中斷的方式讀取該I/O口的計數即可。
ZigBee以獨立的工作節點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成星狀、樹(shù)狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)節點(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)，半功能設備RFD（Reduced Function Device）只是其功能的一個(gè)子集；全功能設備FFD(Full Function Device)則與所控制的子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用。無(wú)論采用哪種拓撲網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都只能有唯一的協(xié)調器，它由全功能設備構成，相當于一臺服務(wù)器，負責對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的管理。FFD可作協(xié)調器、路由器以及終端節點(diǎn)使用，RFD只能用作終端節點(diǎn)。
本設計中無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )采用圖3所示的樹(shù)狀拓撲結構，與EM916x工控板相連的屬于FFD設備，作為網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器。而振動(dòng)傳感器端既可以接RFD設備作為終端節點(diǎn)，也可以接FFD設備。與FFD設備相接的傳感器作為終端節點(diǎn)使用的同時(shí)，還具備路由功能，并能接收終端節點(diǎn)的入網(wǎng)請求，它類(lèi)似于一臺有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的路由器，通過(guò)中繼轉發(fā)及路由選擇，可大大擴展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍，提高通信穩定性以及網(wǎng)絡(luò )容量。