ZigBee无线传感器网络的振动数据采集系统设计

数据采集技术是获取信息的主要手段和方法，它是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等为基础的一门综合应用技术。常用的数据采集多采用传感器，经过一定的数据变换与计算机通过串口或USB接口相连，由计算机读取传感器数值。随着相关基础技术的发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统逐步形成，并占据了测控领域的统治地位[1]。振动量是测控应用中常要采集的一类数据，如机器的运行状态、动物的运动量等，都可以通过振动量反应出来。在实际应用中，有线检测往往出现布线困难、扩展性移植性差等问题，因此，无线检测系统逐渐进入了工程人员视野，最值得期待的便是ZigBee无线网络的应用。ZigBee技术主要应用在短距离小范围内以及数据传输速率不高(20~250 kb/s)的各种电子设备之间，其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器)、间歇性数据（如照明控制）和重复低反应时间数据(如鼠标)[2]。可以看出，ZigBee无线网络应用于数据采集具有其先天优势。
1 系统基本构架
无线振动数据采集系统如图1所示，左边为无线传感器网络，右边为数据采集终端。采集终端为一台嵌入式计算机，负责接收传感器数据并进行相关处理；外接一个ZigBee网络的协调器节点，完成对无线网络的管理。在传感器网络一端，各个传感器均接有一个ZigBee节点，其中大部分功能属于终端节点，在网络需要的情况下，可将部分终端节点配置为路由节点使用，以支持不同的网络拓扑结构。

2 硬件设计
系统硬件设计包括三种模块：ARM9处理器及其外围支持电路为一块完整的工业控制核心板；ZigBee网络节点的各功能节点采用独立的模块，模块上集成了射频收发器及控制单片机；传感器电路需自行设计，将制作成的电路板加接到ZigBee节点即可。
2.1 ARM9处理器及其外围电路
为了缩短系统的开发周期，设计中采用了成都某公司EM916x工业控制核心模块。该核心模块使用了一片AT91SAM9260的32位CPU，内存有32 MB和64 MB可选，板载有32 MB的Flash，用户可使用其中的一半，并且还集成了标准的MiniSD卡插槽，即插即用，为终端数据的存储提供了便利。在通信接口方面，EM9160配置了一路以太网接口，可用至多6路的标准UART串口，两路USB主控接口等[3]。
EM916x模块紧凑的集成设计，丰富的接口资源大大减少了设计数据采集终端的工作量，用户几乎不用做更多的外围电路设计，只需将要使用的接口按要求引出到标准接头即可。
2.2 ZigBee无线开发套件
本设计选择了成都某公司的C51RF系列ZigBee无线开发系统套件。该套件提供ZigBee开发所需的全套软硬件，包括ZigBee2006协议栈，完全满足IEEE802.15.4标准和ZigBee技术标准。套件使用无线单片机CC2430，是一个真正的SoC解决方案，它内部结合了一个高性能2.4 GHz直接序列扩频（DSSS）射频收发器核心和一个工业级小巧高效的增强型8051控制器。CC2430具有性能高、功耗低、收发灵敏度高和抗干扰性强等特点，尤其是在休眠模式下，器件的功耗尚不到1 μA，以之构建无线传感器网络能够在电池供电的情况下大大延长传感器的使用时限[4]。
2.3 传感器电路
常用的振动传感器分为压电/驻极体/电磁型、弹簧型、机械接触型等。CLA-3微型传感器是一种采用新型高灵敏度传感膜设计的全向振动传感器。CLA-3的灵敏度可调，抗干扰性好，输出为准数字信号，对于信号的后期处理相对比较简单。使用时必须采用刚性连接，如使用粘结胶固定，以减小振源与传感器之间的衰减[5]。图2为本设计中使用的检测电路，经过调理的振动传感器信号输出为方波，对方波进行计数即可获得振动数据。

2.4 硬件集成
集成后得到无线采集系统的硬件框图如图3所示。EM916x核心板与CC2430通过RS232串口相连，在核心板一端，除DEBUG串口外均可使用，而CC2430自带两个USART口，可使用其中任何一个；CAL-3传感器与CC2430的连接相对简单，只需将CAL-3应用电路的信号输出端接入CC2430的一个数字I/O口，在程序中以中断的方式读取该I/O口的计数即可。
ZigBee以独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、树状或网状网络，每个节点都拥有一个唯一的64 bit IEEE地址，而其功能并不完全相同。从组网通信上来说，半功能设备RFD（Reduced Function Device）只是其功能的一个子集；全功能设备FFD(Full Function Device)则与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用。无论采用哪种拓扑网络，每个网络都只能有唯一的协调器，它由全功能设备构成，相当于一台服务器，负责对整个网络的管理。FFD可作协调器、路由器以及终端节点使用，RFD只能用作终端节点。
本设计中无线传感网络采用图3所示的树状拓扑结构，与EM916x工控板相连的属于FFD设备，作为网络的协调器。而振动传感器端既可以接RFD设备作为终端节点，也可以接FFD设备。与FFD设备相接的传感器作为终端节点使用的同时，还具备路由功能，并能接收终端节点的入网请求，它类似于一台有线网络的路由器，通过中继转发及路由选择，可大大扩展无线网络的覆盖范围，提高通信稳定性以及网络容量。