基于無線傳感器網絡技術的設備振動數據采集節點設計

薛偉，董辛旻，李雄飛

(鄭州大學機械工程學院振動工程研究所，河南鄭州450001)

在現代化生產中，為了避免設備故障造成重大事故和帶來巨大的經濟損失，往往采用在線監測系統，實時監測設備運行狀況。一般情況下，在線監測系統可通過電纜進行安全可靠的數據傳輸，但是在一些高溫高熱、環境復雜等特殊場合，往往會出現傳感器布線困難或者布線成本過高等問題，限制了設備的振動信息采集和傳輸。無線傳感器網絡是集信息采集、傳輸和處理于一體的綜合智能信息系統，能夠實時監測和采集網絡分布區域內各種檢測對象的信息，具有覆蓋區域大、監測精度高、部署速度快等優點。作者將無線傳感器網絡技術應用到設備狀態監測中，設計了一種無線設備數據采集節點。該設計提高了監測設備信息采集的靈活性和可靠性，具有廣闊的應用前景。

1 無線傳感器網絡技術介紹

無線傳感器網絡(WSN)是由部署在檢測區域內大量的傳感器節點組成，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，通過無線通信的方式形成一個多跳自組織網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。無線傳感器網絡具有規模大、密度高、無線通信、可快速構建等特征，適用于復雜多變、環境惡劣、監測網點多的工業現場數據采集和傳輸。無線傳感器技術中的ZigBee 采用IEEE802.15.4 標準作為物理層和MAC層標準，具有低數據速率、低成本、低功耗、實現簡單等特點。ZigBee 無線傳感器網絡的技術特點決定了它在軍事應用、工業監控、環境監測、醫療衛生、搶險救災、智能家居等領域巨大的應用價值。

2 數據采集節點硬件系統設計

該數據采集節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。數據采集節點的硬件框圖如圖1所示。傳感器主要負責監控區域內機械設備的振動參量采集，文中采用的是專門用于設備狀態監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，主要負責控制整個數據采集節點的處理操作，對數據進行簡單處理，并且存儲當前波形。無線傳輸模塊采用射頻芯片CC2420，主要負責與其他節點進行數據傳輸通信、收發數據和交換控制信息。電源管理單元負責為數據采集節點提供穩定可靠的電源電壓，保證節點能夠正常工作。

圖1 無線傳感器網絡節點硬件框圖

2.1 傳感器選型與安裝

HK91 系加速度傳感器主要應用于振動計量及沖擊振動工程測試、機械設備狀態監測等領域。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 范圍內的振動沖擊測試的使用要求。由于文中設計的傳感器節點一般安裝在一些環境惡劣復雜多變的場合中，根據這個特點，特地選擇長期監測加速度傳感器HK9123。該傳感器采用剪切結構，對地絕緣，三角法蘭安裝，適用長期對機械設備狀態進行在線監測以及在惡劣環境中工作。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果的影響，應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，數據采集節點也能正常工作，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 內部SRAM 以及64 KB優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軟件加密，系統內編程可以通過SPI 來實現。擁有6種睡眠方式，對于低功耗設計很方便，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。這種解決方案能夠提高性能并能滿足數據采集節點對低成本、低功耗的要求。

2.3 無線收發芯片選型及電路設計

2.3.1 CC2420 無線傳輸芯片的外圍電路設計

CC2420是Chipcon As 公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4 標準、適用于ZigBee的射頻收發器。只需極少的外部元器件，其外圍應用電路如圖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。利用此芯片開發的短距離射頻傳輸系統不僅成本低、功耗小，而且具有硬件加密、安全可靠、組網靈活等特點，是工業監控、傳感網絡、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計

設單片機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據傳輸，CC2420的命令和數據輸入引腳SI與ATmega64L的MOSI引腳相連，實現主機輸出、從機輸入，SO引腳與單片機MISO相連接，實現主機輸入、從機輸出。CC2420的復位引腳與ATmega64L 單片機的PC0口相連，單片機通過發送低電平使CC2420 復位，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的內部電壓調節器，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 電源設計

數據采集節點的電源設計決定著傳感器網絡的壽命，節點一般都放在環境復雜、危險、不宜經常更換電池的地方，因此盡可能采用低功耗設計，延長電池壽命，從而來延長整個無線傳感器網絡的壽命。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，但是在實驗室設計制作調試階段，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 貼片式三端穩壓器把輸入電壓轉換成3.3 V 電壓，作為微處理器和傳感器的電源電壓。

3 數據采集節點軟件設計

3.1 軟件開發環境

由于數據采集節點的存儲功能有限，需要軟件具有集成下載調試的功能，因此這里選用IAR Embedded Workbench 作為軟件開發環境。EW 能提供十分直觀的工作界面，目前已經支持8位、16位、32位的微處理器。它內部集成了嵌入式C/C++優化編譯器、匯編工具、鏈接器、文本編輯器和C-SPY 調試器。Embedded Workbench 學習起來簡單方便，并且功能強大，給數據采集節點的開發和調試帶來了很大方便。

3.2 CC2420 無線通信程序設計

收發器節點主要通過CC2420 芯片的4條SPI總線設置芯片的工作模式，實現讀寫緩存數據等功能。通過CAA引腳狀態設置清除空閑信道估計，通過SDF引腳狀態設置控制時鐘信息輸入。當節點上電時，將自動偵聽無線通信網絡發出的入網信息，得到允許加入網絡后，每個節點將被分配唯一的網絡IP地址。同時數據采集節點開始工作，傳感器將采集到的振動數據發送給微處理器，由微處理器進行簡單處理，產生一個特征值，并且儲存一組當前波形數據，將特征值與正常值進行比較，如果出現異常，則請求中斷，將有問題的振動數據波形通過無線網關上傳到監控中心，進行后續處理。發送完畢后就將等待下次中斷請求繼續發送數據。數據采集節點的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集節點主程序流程圖

4 結束語

設計了基于無線傳感器網絡技術的機械設備振動數據采集節點，通過對無線發射模塊、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據采集節點設計方案。并且對無線發射芯片、微處理器、加速度傳感器進行了詳細的說明，設計了微處理器和射頻芯片的接口電路。通過實驗驗證，所設計的硬件能夠實現兩個數據采集節點之間的無線通信和數據傳輸。

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