2022年ZigBee无线传感器网络的振动数据采集系统设计 .pdf

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1、ZigBee 无线传感器网络的振动数据采集系统设计摘要： 以 ARM9 工业控制主板为核心单元，使用 CLA-3 全向振动传感器，结合 ZigBee 无线网络技术，设计了一套基于无线传感器网络的振动数据采集系统。关键词： ARM9 ；ZigBee；CLA-3；传感器；振动；数据采集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

2、。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(20250 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，左边为无线传感器网络，右边

3、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

4、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.

5、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

6、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

7、 - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 2.4 硬件集成集成后得到无线采集系统的硬件框图。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

8、，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，

9、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。3 软件设计 EM916x核心板预装了Win CE 实时多任务操作系统，支持包括MFC在内的各种典型的Windows应用程序框架， 可以方便地使用Embedded Visual C+ 开发各种应用程序。CC2430开发套件自带了完整的ZigBee 协议栈，使用IAR 集成开发环境对协议栈工程文件进行管理，可以查看并修改整个协议栈的任意层源代码。因此，软件设计分为两部分：W

10、in CE下的应用程序设计和ZigBee 协议栈的添加与修改。3.1 Win CE应用程序设计应用程序驻留在 EM916x核心板中， 主要功能是负责打开连接协调器的串口，设置串口通信参数；初始化 ZigBee 无线网络， 查询并返回网络状况，如是否建立成功、各种节点的状态及数目等；监视串口接收协调器发来的数据帧；解码数据帧读取传感器数值，并由 EM916x核心板的调试串口打印出来。应用程序流程。3.2 ZigBee 协议栈修改 ZigBee协议栈完成了无线网络初始化的绝大部分功能，代码修改应谨慎对待。 使用 IAR 集成开发工具打开ZigBee2006 协议栈工程， 找到 ZMain 工程目录

11、。 打开后可以看到这是协议栈的主函数目录，包括入口函数和硬件配置文件，在这里便可以添加自定的应用函数。无线网络中三种节点的功能各不相同。协调器负责初始化无线网络，等待子节点的入网，并接收子节点的数据帧，通过串口发送到主机，程序流程。路由器与终端节点添加的应用函数功能相同，首先搜寻 ZigBee 网络，并向网络中的协调器或路由器申请加入网络；初始化定时计数器，允许中断，对振动传感器的输入方波进行计数，定时向父节点（即允许其入网的节点）发送计数值，图4(c) 为路由节点和终端节点的程序流程图。路由器与终端节点只要在下载前选择编译即可。4 系统仿真仿真软件使用Lab View 编写， 仿真界面。 左

12、侧用于选择ZigBee 网络协调器与核心板相连接的串口号、波特率及控制按钮；右上部显示的是终端节点采集到的振动数值，包括节点发送数值时间、节点编号、当前发送振动计数值及上一次发送的计数值。右下方为某个终端节点在一定时段内振动计数的波形图，节点选择在左下方的“ 奶牛编号 ”( 原项目名称 ) 。图 5 所显示的是将传感器套挂在奶牛脖子上实地采集到的振动数据。通过现场实验证明， 利用 ZigBee 无线网络构建的数据采集系统具有非常好的准确性与实时性，而在拥有多个路由节点的网络中，ZigBee 网络能够得到非常大的延伸。通过实验也发现了一个问题：当终端节点与地面的距离太近，

13、大约小于30 cm 时，节点与协调器之间的通名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 信可靠性及通信距离大为降低，越接近地面，可靠通信距离就越短。后期采用的解决办法是增大无线信号的发射功率，此时通信距离有所改观，但这并不是一个好办法，发射功率的增大意味着节点的电池寿命将缩短。 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，其应用领域愈来愈广泛，如数字家庭中的自动抄表系统、室内无线定位及动物远程监控等。本文中无线振动数据采集系统的传感器如果设计成诸如自动抄表器、无线定位引擎等，便可应用于各种不同的场合。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -