基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備振動數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

薛偉，董辛?xí)F，李雄飛

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院振動工程研究所，河南鄭州450001)

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，為了避免設(shè)備故障造成重大事故和帶來巨大的經(jīng)濟損失，往往采用在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測設(shè)備運行狀況。一般情況下，在線監(jiān)測系統(tǒng)可通過電纜進行安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但是在一些高溫高熱、環(huán)境復(fù)雜等特殊場合，往往會出現(xiàn)傳感器布線困難或者布線成本過高等問題，限制了設(shè)備的振動信息采集和傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、傳輸和處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測對象的信息，具有覆蓋區(qū)域大、監(jiān)測精度高、部署速度快等優(yōu)點。作者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，設(shè)計了一種無線設(shè)備數(shù)據(jù)采集節(jié)點。該設(shè)計提高了監(jiān)測設(shè)備信息采集的靈活性和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組成，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，通過無線通信的方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高、無線通信、可快速構(gòu)建等特征，適用于復(fù)雜多變、環(huán)境惡劣、監(jiān)測網(wǎng)點多的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸。無線傳感器技術(shù)中的ZigBee 采用IEEE802.15.4 標準作為物理層和MAC層標準，具有低數(shù)據(jù)速率、低成本、低功耗、實現(xiàn)簡單等特點。ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點決定了它在軍事應(yīng)用、工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災(zāi)、智能家居等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用價值。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計

該數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由加速度傳感器、微處理器單元、無線傳輸模塊和電源管理模塊等幾部分組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件框圖如圖1所示。傳感器主要負責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)機械設(shè)備的振動參量采集，文中采用的是專門用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的壓電式加速度傳感器。微處理器采用8位高檔AVR 單片機ATmega64L，主要負責(zé)控制整個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的處理操作，對數(shù)據(jù)進行簡單處理，并且存儲當前波形。無線傳輸模塊采用射頻芯片CC2420，主要負責(zé)與其他節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸通信、收發(fā)數(shù)據(jù)和交換控制信息。電源管理單元負責(zé)為數(shù)據(jù)采集節(jié)點提供穩(wěn)定可靠的電源電壓，保證節(jié)點能夠正常工作。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件框圖

2.1 傳感器選型與安裝

HK91 系加速度傳感器主要應(yīng)用于振動計量及沖擊振動工程測試、機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。該系列加速度傳感器可以滿足從0.000 1到1×106m/s2的加速度測量范圍和頻率從0.1 Hz到20 kHz 范圍內(nèi)的振動沖擊測試的使用要求。由于文中設(shè)計的傳感器節(jié)點一般安裝在一些環(huán)境惡劣復(fù)雜多變的場合中，根據(jù)這個特點，特地選擇長期監(jiān)測加速度傳感器HK9123。該傳感器采用剪切結(jié)構(gòu)，對地絕緣，三角法蘭安裝，適用長期對機械設(shè)備狀態(tài)進行在線監(jiān)測以及在惡劣環(huán)境中工作。在進行振動沖擊測量時，由于有時沖擊脈沖具有很大的瞬態(tài)能量，所以傳感器的安裝要十分牢固，最好用鋼制螺釘安裝。如果需要避免地電回路噪聲對測量結(jié)果的影響，應(yīng)采取加速度傳感器與測試點絕緣的安裝方法。圖2所示為常用的頂端輸出安裝法。

圖2 傳感器頂端輸出安裝法

2.2 核心處理器選型

為了保證長時間不更換電池，數(shù)據(jù)采集節(jié)點也能正常工作，處理器選型的一個重要條件是低功耗，因為需要大量安裝無線傳感器節(jié)點，因此選用高性能、低功耗、低成本的8位AVR 單片機ATmega64L。該單片機片上資源非常豐富，擁有4 KB 內(nèi)部SRAM 以及64 KB優(yōu)化的外部存儲器空間，可以用鎖定位進行編程的方式來實現(xiàn)軟件加密，系統(tǒng)內(nèi)編程可以通過SPI 來實現(xiàn)。擁有6種睡眠方式，對于低功耗設(shè)計很方便，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。這種解決方案能夠提高性能并能滿足數(shù)據(jù)采集節(jié)點對低成本、低功耗的要求。

2.3 無線收發(fā)芯片選型及電路設(shè)計

2.3.1 CC2420 無線傳輸芯片的外圍電路設(shè)計

CC2420是Chipcon As 公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4 標準、適用于ZigBee的射頻收發(fā)器。只需極少的外部元器件，其外圍應(yīng)用電路如圖3所示，包括晶振時鐘電路、微控制器接口電路和射頻輸入輸出電路等。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)不僅成本低、功耗小，而且具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活等特點，是工業(yè)監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡(luò)、消費電子、智能玩具等的最佳解決方案。

圖3 CC2420 無線傳輸單元外圍電路

2.3.2 CC2420與單片機的接口電路設(shè)計

設(shè)單片機ATmega64L的SPI接口為主機模式，并且提供時鐘，CC2420為SPI 從機模式。CC2420與ATmega64L 單片機的接口電路如圖4所示，CC2420通過SPI總線與微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，CC2420的命令和數(shù)據(jù)輸入引腳SI與ATmega64L的MOSI引腳相連，實現(xiàn)主機輸出、從機輸入，SO引腳與單片機MISO相連接，實現(xiàn)主機輸入、從機輸出。CC2420的復(fù)位引腳與ATmega64L 單片機的PC0口相連，單片機通過發(fā)送低電平使CC2420 復(fù)位，CC2420的VREG_EN引腳與ATmega64a的PC1相連接，當PC1輸出高電平，將會啟動CC2420的內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，將3.3 V的電壓變成1.8 V。

圖4 單片機與CC2420的接口電路圖

2.4 電源設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的電源設(shè)計決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，節(jié)點一般都放在環(huán)境復(fù)雜、危險、不宜經(jīng)常更換電池的地方，因此盡可能采用低功耗設(shè)計，延長電池壽命，從而來延長整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。綜合考慮各個器件的用電情況后，將采用3.3 V 低電壓做為電源供電模式，并且使用跳線選擇設(shè)計一個雙電源供電，一般工作情況下可以用電池供電，但是在實驗室設(shè)計制作調(diào)試階段，或者一些特殊情況下也可以使用USB接口供電。外接5 V 鋰電池或者USB接口輸出5 V 電壓，采用1117-3.3 貼片式三端穩(wěn)壓器把輸入電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓，作為微處理器和傳感器的電源電壓。

3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點的存儲功能有限，需要軟件具有集成下載調(diào)試的功能，因此這里選用IAR Embedded Workbench 作為軟件開發(fā)環(huán)境。EW 能提供十分直觀的工作界面，目前已經(jīng)支持8位、16位、32位的微處理器。它內(nèi)部集成了嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器、匯編工具、鏈接器、文本編輯器和C-SPY 調(diào)試器。Embedded Workbench 學(xué)習(xí)起來簡單方便，并且功能強大，給數(shù)據(jù)采集節(jié)點的開發(fā)和調(diào)試帶來了很大方便。

3.2 CC2420 無線通信程序設(shè)計

收發(fā)器節(jié)點主要通過CC2420 芯片的4條SPI總線設(shè)置芯片的工作模式，實現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù)等功能。通過CAA引腳狀態(tài)設(shè)置清除空閑信道估計，通過SDF引腳狀態(tài)設(shè)置控制時鐘信息輸入。當節(jié)點上電時，將自動偵聽無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的入網(wǎng)信息，得到允許加入網(wǎng)絡(luò)后，每個節(jié)點將被分配唯一的網(wǎng)絡(luò)IP地址。同時數(shù)據(jù)采集節(jié)點開始工作，傳感器將采集到的振動數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，由微處理器進行簡單處理，產(chǎn)生一個特征值，并且儲存一組當前波形數(shù)據(jù)，將特征值與正常值進行比較，如果出現(xiàn)異常，則請求中斷，將有問題的振動數(shù)據(jù)波形通過無線網(wǎng)關(guān)上傳到監(jiān)控中心，進行后續(xù)處理。發(fā)送完畢后就將等待下次中斷請求繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集節(jié)點主程序流程圖

4 結(jié)束語

設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機械設(shè)備振動數(shù)據(jù)采集節(jié)點，通過對無線發(fā)射模塊、微處理器、加速度傳感器的選擇，提出了一種以CC2420搭配ATmega64L 微處理器為硬件核心的數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計方案。并且對無線發(fā)射芯片、微處理器、加速度傳感器進行了詳細的說明，設(shè)計了微處理器和射頻芯片的接口電路。通過實驗驗證，所設(shè)計的硬件能夠?qū)崿F(xiàn)兩個數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。

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