基于无线传感器网络技术的设备振动数据采集节点设计

薛伟，董辛旻，李雄飞

(郑州大学机械工程学院振动工程研究所，河南郑州450001)

在现代化生产中，为了避免设备故障造成重大事故和带来巨大的经济损失，往往采用在线监测系统，实时监测设备运行状况。一般情况下，在线监测系统可通过电缆进行安全可靠的数据传输，但是在一些高温高热、环境复杂等特殊场合，往往会出现传感器布线困难或者布线成本过高等问题，限制了设备的振动信息采集和传输。无线传感器网络是集信息采集、传输和处理于一体的综合智能信息系统，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，具有覆盖区域大、监测精度高、部署速度快等优点。作者将无线传感器网络技术应用到设备状态监测中，设计了一种无线设备数据采集节点。该设计提高了监测设备信息采集的灵活性和可靠性，具有广阔的应用前景。

1 无线传感器网络技术介绍

无线传感器网络(WSN)是由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，通过无线通信的方式形成一个多跳自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络具有规模大、密度高、无线通信、可快速构建等特征，适用于复杂多变、环境恶劣、监测网点多的工业现场数据采集和传输。无线传感器技术中的ZigBee 采用IEEE802.15.4 标准作为物理层和MAC层标准，具有低数据速率、低成本、低功耗、实现简单等特点。ZigBee 无线传感器网络的技术特点决定了它在军事应用、工业监控、环境监测、医疗卫生、抢险救灾、智能家居等领域巨大的应用价值。

2 数据采集节点硬件系统设计

该数据采集节点主要由加速度传感器、微处理器单元、无线传输模块和电源管理模块等几部分组成。数据采集节点的硬件框图如图1所示。传感器主要负责监控区域内机械设备的振动参量采集，文中采用的是专门用于设备状态监测的压电式加速度传感器。微处理器采用8位高档AVR 单片机ATmega64L，主要负责控制整个数据采集节点的处理操作，对数据进行简单处理，并且存储当前波形。无线传输模块采用射频芯片CC2420，主要负责与其他节点进行数据传输通信、收发数据和交换控制信息。电源管理单元负责为数据采集节点提供稳定可靠的电源电压，保证节点能够正常工作。

图1 无线传感器网络节点硬件框图

2.1 传感器选型与安装

HK91 系加速度传感器主要应用于振动计量及冲击振动工程测试、机械设备状态监测等领域。该系列加速度传感器可以满足从0.000 1到1×106m/s2的加速度测量范围和频率从0.1 Hz到20 kHz 范围内的振动冲击测试的使用要求。由于文中设计的传感器节点一般安装在一些环境恶劣复杂多变的场合中，根据这个特点，特地选择长期监测加速度传感器HK9123。该传感器采用剪切结构，对地绝缘，三角法兰安装，适用长期对机械设备状态进行在线监测以及在恶劣环境中工作。在进行振动冲击测量时，由于有时冲击脉冲具有很大的瞬态能量，所以传感器的安装要十分牢固，最好用钢制螺钉安装。如果需要避免地电回路噪声对测量结果的影响，应采取加速度传感器与测试点绝缘的安装方法。图2所示为常用的顶端输出安装法。

图2 传感器顶端输出安装法

2.2 核心处理器选型

为了保证长时间不更换电池，数据采集节点也能正常工作，处理器选型的一个重要条件是低功耗，因为需要大量安装无线传感器节点，因此选用高性能、低功耗、低成本的8位AVR 单片机ATmega64L。该单片机片上资源非常丰富，拥有4 KB 内部SRAM 以及64 KB优化的外部存储器空间，可以用锁定位进行编程的方式来实现软件加密，系统内编程可以通过SPI 来实现。拥有6种睡眠方式，对于低功耗设计很方便，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。这种解决方案能够提高性能并能满足数据采集节点对低成本、低功耗的要求。

2.3 无线收发芯片选型及电路设计

2.3.1 CC2420 无线传输芯片的外围电路设计

CC2420是Chipcon As 公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4 标准、适用于ZigBee的射频收发器。只需极少的外部元器件，其外围应用电路如图3所示，包括晶振时钟电路、微控制器接口电路和射频输入输出电路等。利用此芯片开发的短距离射频传输系统不仅成本低、功耗小，而且具有硬件加密、安全可靠、组网灵活等特点，是工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等的最佳解决方案。

图3 CC2420 无线传输单元外围电路

2.3.2 CC2420与单片机的接口电路设计

设单片机ATmega64L的SPI接口为主机模式，并且提供时钟，CC2420为SPI 从机模式。CC2420与ATmega64L 单片机的接口电路如图4所示，CC2420通过SPI总线与微处理器进行数据传输，CC2420的命令和数据输入引脚SI与ATmega64L的MOSI引脚相连，实现主机输出、从机输入，SO引脚与单片机MISO相连接，实现主机输入、从机输出。CC2420的复位引脚与ATmega64L 单片机的PC0口相连，单片机通过发送低电平使CC2420 复位，CC2420的VREG_EN引脚与ATmega64a的PC1相连接，当PC1输出高电平，将会启动CC2420的内部电压调节器，将3.3 V的电压变成1.8 V。

图4 单片机与CC2420的接口电路图

2.4 电源设计

数据采集节点的电源设计决定着传感器网络的寿命，节点一般都放在环境复杂、危险、不宜经常更换电池的地方，因此尽可能采用低功耗设计，延长电池寿命，从而来延长整个无线传感器网络的寿命。综合考虑各个器件的用电情况后，将采用3.3 V 低电压做为电源供电模式，并且使用跳线选择设计一个双电源供电，一般工作情况下可以用电池供电，但是在实验室设计制作调试阶段，或者一些特殊情况下也可以使用USB接口供电。外接5 V 锂电池或者USB接口输出5 V 电压，采用1117-3.3 贴片式三端稳压器把输入电压转换成3.3 V 电压，作为微处理器和传感器的电源电压。

3 数据采集节点软件设计

3.1 软件开发环境

由于数据采集节点的存储功能有限，需要软件具有集成下载调试的功能，因此这里选用IAR Embedded Workbench 作为软件开发环境。EW 能提供十分直观的工作界面，目前已经支持8位、16位、32位的微处理器。它内部集成了嵌入式C/C++优化编译器、汇编工具、链接器、文本编辑器和C-SPY 调试器。Embedded Workbench 学习起来简单方便，并且功能强大，给数据采集节点的开发和调试带来了很大方便。

3.2 CC2420 无线通信程序设计

收发器节点主要通过CC2420 芯片的4条SPI总线设置芯片的工作模式，实现读写缓存数据等功能。通过CAA引脚状态设置清除空闲信道估计，通过SDF引脚状态设置控制时钟信息输入。当节点上电时，将自动侦听无线通信网络发出的入网信息，得到允许加入网络后，每个节点将被分配唯一的网络IP地址。同时数据采集节点开始工作，传感器将采集到的振动数据发送给微处理器，由微处理器进行简单处理，产生一个特征值，并且储存一组当前波形数据，将特征值与正常值进行比较，如果出现异常，则请求中断，将有问题的振动数据波形通过无线网关上传到监控中心，进行后续处理。发送完毕后就将等待下次中断请求继续发送数据。数据采集节点的主程序流程图如图5所示。

图5 数据采集节点主程序流程图

4 结束语

设计了基于无线传感器网络技术的机械设备振动数据采集节点，通过对无线发射模块、微处理器、加速度传感器的选择，提出了一种以CC2420搭配ATmega64L 微处理器为硬件核心的数据采集节点设计方案。并且对无线发射芯片、微处理器、加速度传感器进行了详细的说明，设计了微处理器和射频芯片的接口电路。通过实验验证，所设计的硬件能够实现两个数据采集节点之间的无线通信和数据传输。

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