无线传感器网络振动信号采集节点的设计

张 琨，武 兵

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024)



无线传感器网络振动信号采集节点的设计

张 琨，武 兵

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024)

针对目前无线传感器网络节点采集旋转机械振动信号存在的高成本和大功耗问题，设计一种基于CC2530芯片的无线传感器网络节点。该节点采用数字式三轴加速度传感器拾取振动信号，以CC2530自带处理器为整个节点控制核心，将采集、存储、处理和传输等控制功能模块集成到一起，实现振动信号的准确采集和大数据量存储，并成功移植ZigBee协议栈，实现数据的无线传输。经测试表明：该节点对于信号采集和无线传输具有较高的可靠性和稳定性，能够满足大多数旋转机械设备的振动监测要求。

无线传感器网络；振动监测；ZigBee技术；CC2530

0 引言

现有旋转机械振动监测系统普遍采用有线连接的方式，存在成本高、布线复杂、电缆易于磨损、可维护性差、灵活性差等缺点。随着科技进步，有线监测方式很难有效采集高速旋转设备的振动信号，采用无线传感器网络构建无线分布式振动监测系统可以弥补传统有线方式的不足[ 1]。目前多数无线传感器网络节点采用双处理器控制，将数据采集和存储与数据发送分开控制，不仅保证节点高性能的工作 ，而且有剩余运算能力对数据进行初步处理，但是功耗高，也增加了单个节点的成本；现存振动信号无线传感器网络节点大多采用单轴加速度传感器，保证单个方向上较大测量范围、高采样率和高精度，但旋转机械振动方向不能预判，采用单轴传感器不能完整的采集空间加速度，不能很好的监测旋转机械振动状况[2-4]。

本文针对旋转机械振动监测设计了一种基于ZigBee通信协议的无线传感器网络节点，该节点采用CC2530无线射频芯片自带处理器为节点控制核心，采用三轴加速度传感器ADXL345，并用1G容量SD卡缓存原始采集数据，采样精度达4 mg/LSB，经实测节点所有模块均工作时平均电流为114 mA，可精确采集16g(1g=9.8 m/s2)范围内0～100 Hz的空间振动信号，并实现节点间110m范围内数据的可靠传输，初步解决了无线传感器网络应用于旋转机械振动监测所遇到的采样频率和精度较低、功耗较大、成本高等问题。

1 节点总体方案设计

旋转机械振动信号的采集要求节点具有采集空间信号的能力，还要求高精度及与之相适应的大容量存储空间，同时无线传感器网络节点本身受体积及所处环境限制，可携带能量有限，因此要求设计方案以低功耗、高效率为基准。

节点由传感采集、控制与处理、大容量数据存储、无线通信及电源管理五大功能模块组成，每个模块在设计时均需兼顾高性能和低功耗。传感器模块采用新型微机电系统数字式三轴加速度传感器ADXL345，这种传感器不需要复杂的信号调理电路，而且自带A/D 转换器、FIFO存储器，可以有效减少节点的体积和功耗。节点利用芯片CC2530集成的增强型8051内核作为节点的控制和处理核心，同时CC2530兼有无线通信功能，支持ZigBee协议，这样的设计不仅可以实现灵活组网，还可以进一步减少元器件数量和系统的功耗。节点外加具有体积小、容量大、读写速度快和成本低的SD存储卡，实现大数据量存储。节点采用7号3.7 V蓄电池供电，通过降压稳压电路为节点各个部分电路供电。综合以上条件，设计的节点硬件架构如图1所示。

图1 节点硬件结构与功能框图

1.1 传感器模块设计

节点采用数字芯片式三轴加速度传感器ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计，每个轴采样率最高为200 Hz，13位分辨率，测量范围为±16 g，具有体积小和重量轻的特点，能够采集空间振动信号并全面准确反映物体的运动性质[5]。该传感器可以通过I2C数字接口访问，I2C标准数据传输速率为12.5 KB/s，满足传感器输出数据量1.2 KB/s的需求，传感器电路配置如图2所示，片选引脚CS加上拉电阻拉高至VCC3.3，信号处于两线(SCL和SDA)I2C模式。节点使用CC2530集成8051的I/O口模拟I?C口与ADXL345通信，配置P1_3连接SCL端，P1_2连接SDA端， ALT ADDRESS接低电平，器件的7位I2C地址选择备用地址0x53，传感器运行流程如图3所示。

图2 ADXL345传感器模块电路配置

图3 传感器运行流程图

1.2 数据存储模块设计

节点使用SD存储卡插槽，插入SD卡来扩展1G容量的存储空间， SD卡模块通过SPI数字接口与CC2530通信，由于SD卡固有程序占据一部分空间，节点可以识别960MB存储容量。本节点中SD卡采用SPI(4线式配置)总线方式与控制器连接，存储模块电路配置如图4所示。

图4 存储模块电路配置

为了更加方便的存储和管理采集到的数据，节点基于SD2.0通信协议，在SD卡上建立FatFs文件系统[6]，所有的数据及采集参数均以文件的形式保存于SD卡上。这样不仅方便检索和管理，还能在节点出现故障不能正常工作时，利用SD卡的热插拔特性，通过回收节点的存储卡得到节点采集到的大量的原始数据。

1.3 CC2530模块

CC2530低功耗成增强无线射频芯片集型8051内核，本节点利用该内核作为整个节点的控制核心，这样的设计使得CC2530集控制、无线传输两大功能，不仅降低节点整体成本，而且进一步降低功耗。

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离(10～100 m)、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率(250 kbps(2.4 GHz))，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[7]。CC2530是一个真正用于ZigBee应用的片上系统(SoC)解决方案，能够以非常低的材料成本建立强大的无线网络节点。CC2530由于各种不同的运行模式，保证了系统的低功耗需求，不同的运行模式间极短的转换时间更加保证了它的低功率消耗。

节点通过修改和移植ZigBee协议栈(Z-Stack)，建立ZigBee无线网络实现数据的无线传输。Z-Stack协议栈提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序，在该程序基础上加入传感器和SD卡驱动程序，并调用API接口开发节点运行程序，控制节点运行，程序流程如图5所示。

图5 节点程序流程图

CC2530负责数据采集、传输、保存和无线传输等任务，将传感器输出的16位二进制数据进行简单运算，转换为十进制实际加速度值暂时保存到SD卡，当监测到无线网络可接入时，发送协调器16位短地址与协调器建立无线通道，同时开始传输数据，传输完毕后控制节点进入休眠运行模式，等待外部中断唤醒节点进行下一轮数据采集。

2 试验及结果分析

2.1 节点组网及静态信号测试

为了检验节点组网及监测能力，使用2个节点进行组网点播试验，一个作为协调器，另外一个作为终端，将编译好的协调器程序和终端程序分别下载到两个设备中，将协调器通过串口和电脑连接。对X轴方向静态监测能力进行测试(Y、Z轴测试原理同X轴，此处略)，实验采集到三轴方向数据时间幅值波形图(如图6所示)。

图6 静置节点三轴方向波形图

实验结果表明：(1)上位机接收到协调器传来的数据，说明节点间组网成功，节点可以通过ZigBee网络实现数据传输；(2)计算得到数据均值为0.992g，方差为0.0 399，节点采集到的数据误差和方差很小，说明节点可以精确稳定的采集和传输静态信号。

2.2 动态信号采集准确性测试

使用信号发生器发出100 Hz正弦信号声波，取用1个终端节点和1个协调器节点构成监测网络对振动声波进行采样。取终端节点SD卡中原始数据做波形图如图7所示，采集到的离散点经傅里叶变换得到频谱图如图8所示。读取主要谱线的频率进行对比，可见节点采集到的加速度信号与原始信号频率误差为0，综上所述节点可以对振动信号进行精确采集。

图7 原始数据时域波形图

图8 振动加速度信号的频谱

3 结论

本文设计了一种采集旋转机械振动信号的无线传感器网络节点，通过使用三轴加速度传感器实现对无法预判的空间振动信号的采集，并加装SD卡模块扩展节点的存储空间，节点使用CC2530的集成内核控制整个节点，节约了成本，降低了功耗，同时根据采集任务的要求对Z-Stack协议栈进行修改，添加了与硬件相匹配的驱动程序和控制节点运行的应用程序，并增加休眠机制延长节点的使用寿命。通过测试证明，节点可以精确有效的采集旋转机械振动信号，并通过ZigBee无线网络可靠的传输数据。

[1] 汤宝平，黄庆卿，邓蕾.机械设备状态监测无线传感器网络研究进展.振动.测试与诊断，2014,34(1): 1-7.

[2] 李剑，姚金杰.无线振动传感器网络节点设计.仪表技术与传感器，2011(10): 76-77.

[3] 朱琎，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计.仪表技术与传感器，2012(8): 56-58.

[4] 蔡巍巍，汤宝平，黄庆卿.面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计.振动与冲击，2013,32(1): 73-77.

[5] 黄晓东，黄晓华.微电子机械系统ADXL345的应用研究.企业技术开发，2012,31(16): 28-30.

[6] 李世奇，董浩斌，李荣生.基于FatFs文件系统的SD卡存储器设计.测控技术，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

山西省自然科学基金项目(2012011046-10);山西省自然科学基金项目(2013011018-1)

2014-09-03 收修改稿日期：2015-02-18

TP274

A

1002-1841(2015)07-0068-03

张琨(1989—)，硕士研究生，研究方向为机械工程，E-mail:18903419527@163.com

武兵(1968—)，副教授，博士研究生，研究方向为机电系统动态测试与故障诊断。E-mail:wubing@tyut.edu.cn