無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

張 琨，武 兵

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

張 琨，武 兵

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024)

針對(duì)目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)存在的高成本和大功耗問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于CC2530芯片的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用數(shù)字式三軸加速度傳感器拾取振動(dòng)信號(hào)，以CC2530自帶處理器為整個(gè)節(jié)點(diǎn)控制核心，將采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)瓤刂乒δ苣K集成到一起，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確采集和大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，并成功移植ZigBee協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。經(jīng)測(cè)試表明：該節(jié)點(diǎn)對(duì)于信號(hào)采集和無(wú)線傳輸具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；ZigBee技術(shù)；CC2530

0 引言

現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用有線連接的方式，存在成本高、布線復(fù)雜、電纜易于磨損、可維護(hù)性差、靈活性差等缺點(diǎn)。隨著科技進(jìn)步，有線監(jiān)測(cè)方式很難有效采集高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建無(wú)線分布式振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線方式的不足[ 1]。目前多數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用雙處理器控制，將數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)發(fā)送分開(kāi)控制，不僅保證節(jié)點(diǎn)高性能的工作 ，而且有剩余運(yùn)算能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，但是功耗高，也增加了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本；現(xiàn)存振動(dòng)信號(hào)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大多采用單軸加速度傳感器，保證單個(gè)方向上較大測(cè)量范圍、高采樣率和高精度，但旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)方向不能預(yù)判，采用單軸傳感器不能完整的采集空間加速度，不能很好的監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)狀況[2-4]。

本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用CC2530無(wú)線射頻芯片自帶處理器為節(jié)點(diǎn)控制核心，采用三軸加速度傳感器ADXL345，并用1G容量SD卡緩存原始采集數(shù)據(jù)，采樣精度達(dá)4 mg/LSB，經(jīng)實(shí)測(cè)節(jié)點(diǎn)所有模塊均工作時(shí)平均電流為114 mA，可精確采集16g(1g=9.8 m/s2)范圍內(nèi)0～100 Hz的空間振動(dòng)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間110m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，初步解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)所遇到的采樣頻率和精度較低、功耗較大、成本高等問(wèn)題。

1 節(jié)點(diǎn)總體方案設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的采集要求節(jié)點(diǎn)具有采集空間信號(hào)的能力，還要求高精度及與之相適應(yīng)的大容量存儲(chǔ)空間，同時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身受體積及所處環(huán)境限制，可攜帶能量有限，因此要求設(shè)計(jì)方案以低功耗、高效率為基準(zhǔn)。

節(jié)點(diǎn)由傳感采集、控制與處理、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線通信及電源管理五大功能模塊組成，每個(gè)模塊在設(shè)計(jì)時(shí)均需兼顧高性能和低功耗。傳感器模塊采用新型微機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字式三軸加速度傳感器ADXL345，這種傳感器不需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路，而且自帶A/D 轉(zhuǎn)換器、FIFO存儲(chǔ)器，可以有效減少節(jié)點(diǎn)的體積和功耗。節(jié)點(diǎn)利用芯片CC2530集成的增強(qiáng)型8051內(nèi)核作為節(jié)點(diǎn)的控制和處理核心，同時(shí)CC2530兼有無(wú)線通信功能，支持ZigBee協(xié)議，這樣的設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，還可以進(jìn)一步減少元器件數(shù)量和系統(tǒng)的功耗。節(jié)點(diǎn)外加具有體積小、容量大、讀寫(xiě)速度快和成本低的SD存儲(chǔ)卡，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)。節(jié)點(diǎn)采用7號(hào)3.7 V蓄電池供電，通過(guò)降壓穩(wěn)壓電路為節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分電路供電。綜合以上條件，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)與功能框圖

1.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)采用數(shù)字芯片式三軸加速度傳感器ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計(jì)，每個(gè)軸采樣率最高為200 Hz，13位分辨率，測(cè)量范圍為±16 g，具有體積小和重量輕的特點(diǎn)，能夠采集空間振動(dòng)信號(hào)并全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)[5]。該傳感器可以通過(guò)I2C數(shù)字接口訪問(wèn)，I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率為12.5 KB/s，滿足傳感器輸出數(shù)據(jù)量1.2 KB/s的需求，傳感器電路配置如圖2所示，片選引腳CS加上拉電阻拉高至VCC3.3，信號(hào)處于兩線(SCL和SDA)I2C模式。節(jié)點(diǎn)使用CC2530集成8051的I/O口模擬I?C口與ADXL345通信，配置P1_3連接SCL端，P1_2連接SDA端， ALT ADDRESS接低電平，器件的7位I2C地址選擇備用地址0x53，傳感器運(yùn)行流程如圖3所示。

圖2 ADXL345傳感器模塊電路配置

圖3 傳感器運(yùn)行流程圖

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)使用SD存儲(chǔ)卡插槽，插入SD卡來(lái)擴(kuò)展1G容量的存儲(chǔ)空間， SD卡模塊通過(guò)SPI數(shù)字接口與CC2530通信，由于SD卡固有程序占據(jù)一部分空間，節(jié)點(diǎn)可以識(shí)別960MB存儲(chǔ)容量。本節(jié)點(diǎn)中SD卡采用SPI(4線式配置)總線方式與控制器連接，存儲(chǔ)模塊電路配置如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)模塊電路配置

為了更加方便的存儲(chǔ)和管理采集到的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)基于SD2.0通信協(xié)議，在SD卡上建立FatFs文件系統(tǒng)[6]，所有的數(shù)據(jù)及采集參數(shù)均以文件的形式保存于SD卡上。這樣不僅方便檢索和管理，還能在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，利用SD卡的熱插拔特性，通過(guò)回收節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)卡得到節(jié)點(diǎn)采集到的大量的原始數(shù)據(jù)。

1.3 CC2530模塊

CC2530低功耗成增強(qiáng)無(wú)線射頻芯片集型8051內(nèi)核，本節(jié)點(diǎn)利用該內(nèi)核作為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制核心，這樣的設(shè)計(jì)使得CC2530集控制、無(wú)線傳輸兩大功能，不僅降低節(jié)點(diǎn)整體成本，而且進(jìn)一步降低功耗。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離(10～100 m)、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率(250 kbps(2.4 GHz))，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[7]。CC2530是一個(gè)真正用于ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530由于各種不同的運(yùn)行模式，保證了系統(tǒng)的低功耗需求，不同的運(yùn)行模式間極短的轉(zhuǎn)換時(shí)間更加保證了它的低功率消耗。

節(jié)點(diǎn)通過(guò)修改和移植ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)，建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。Z-Stack協(xié)議棧提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序，在該程序基礎(chǔ)上加入傳感器和SD卡驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用API接口開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行程序，控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，程序流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

CC2530負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸、保存和無(wú)線傳輸?shù)热蝿?wù)，將傳感器輸出的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制實(shí)際加速度值暫時(shí)保存到SD卡，當(dāng)監(jiān)測(cè)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可接入時(shí)，發(fā)送協(xié)調(diào)器16位短地址與協(xié)調(diào)器建立無(wú)線通道，同時(shí)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完畢后控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠運(yùn)行模式，等待外部中斷喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采集。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)及靜態(tài)信號(hào)測(cè)試

為了檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)及監(jiān)測(cè)能力，使用2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)點(diǎn)播試驗(yàn)，一個(gè)作為協(xié)調(diào)器，另外一個(gè)作為終端，將編譯好的協(xié)調(diào)器程序和終端程序分別下載到兩個(gè)設(shè)備中，將協(xié)調(diào)器通過(guò)串口和電腦連接。對(duì)X軸方向靜態(tài)監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行測(cè)試(Y、Z軸測(cè)試原理同X軸，此處略)，實(shí)驗(yàn)采集到三軸方向數(shù)據(jù)時(shí)間幅值波形圖(如圖6所示)。

圖6 靜置節(jié)點(diǎn)三軸方向波形圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)上位機(jī)接收到協(xié)調(diào)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)成功，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；(2)計(jì)算得到數(shù)據(jù)均值為0.992g，方差為0.0 399，節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)誤差和方差很小，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)可以精確穩(wěn)定的采集和傳輸靜態(tài)信號(hào)。

2.2 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集準(zhǔn)確性測(cè)試

使用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出100 Hz正弦信號(hào)聲波，取用1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)振動(dòng)聲波進(jìn)行采樣。取終端節(jié)點(diǎn)SD卡中原始數(shù)據(jù)做波形圖如圖7所示，采集到的離散點(diǎn)經(jīng)傅里葉變換得到頻譜圖如圖8所示。讀取主要譜線的頻率進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)采集到的加速度信號(hào)與原始信號(hào)頻率誤差為0，綜上所述節(jié)點(diǎn)可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行精確采集。

圖7 原始數(shù)據(jù)時(shí)域波形圖

圖8 振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)使用三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)法預(yù)判的空間振動(dòng)信號(hào)的采集，并加裝SD卡模塊擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間，節(jié)點(diǎn)使用CC2530的集成內(nèi)核控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)約了成本，降低了功耗，同時(shí)根據(jù)采集任務(wù)的要求對(duì)Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行修改，添加了與硬件相匹配的驅(qū)動(dòng)程序和控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的應(yīng)用程序，并增加休眠機(jī)制延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。通過(guò)測(cè)試證明，節(jié)點(diǎn)可以精確有效的采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠的傳輸數(shù)據(jù)。

[1] 湯寶平，黃慶卿，鄧?yán)?機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展.振動(dòng).測(cè)試與診斷，2014,34(1): 1-7.

[2] 李劍，姚金杰.無(wú)線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2011(10): 76-77.

[3] 朱琎，楊占勇.基于CC2530的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2012(8): 56-58.

[4] 蔡巍巍，湯寶平，黃慶卿.面向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).振動(dòng)與沖擊，2013,32(1): 73-77.

[5] 黃曉東，黃曉華.微電子機(jī)械系統(tǒng)ADXL345的應(yīng)用研究.企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012,31(16): 28-30.

[6] 李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲(chǔ)器設(shè)計(jì).測(cè)控技術(shù)，2011,30(12): 79-81.

[7] Cheong P,Chang K,Lai Y,et al.A ZigBee-based wireless sensor network node for ultraviolet detection of flame.Industrial Electronics,IEEE Transactions on，2011,58(11): 5271-5277.

Design of Wireless Sensor Network Node for Collecting Vibration Signal

ZHANG Kun,WU Bing

(Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

At present,the signal acquisition device for the vibration signals of rotating machinery has the problem of high cost and high power consumption,aiming at this a wireless sensor network node based on CC2530 was designed.The node was made up of the tri-axial accelerometer to collect vibration signal and take CC2530 own processor as a central processing unit.Data acquisition,storage,processing and transmission control modules were integrated together to realize the accuracy of the vibration signal acquisition and the large amounts of data storage.The node used the ZigBee protocol stack to achieve mutual communication between nodes.The experiments show that the node for signal acquisition and wireless transmission is with high reliability and stability and meets the requirements of rotating machinery vibration monitoring.

wireless sensor network ；vibration monitoring；ZigBee Technology; CC2530

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012011046-10);山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013011018-1)

2014-09-03 收修改稿日期：2015-02-18

TP274

A

1002-1841(2015)07-0068-03

張琨(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail:18903419527@163.com

武兵(1968—)，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試與故障診斷。E-mail:wubing@tyut.edu.cn