數(shù)據(jù)采集技術(shù)是獲取信息的主要手段和方法,，它是以傳感器技術(shù),、測(cè)試技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等為基礎(chǔ)的一門綜合應(yīng)用技術(shù),。常用的數(shù)據(jù)采集多采用傳感器,，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)變換與計(jì)算機(jī)通過串口或USB接口相連,，由計(jì)算機(jī)讀取傳感器數(shù)值。隨著相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐步形成,，并占據(jù)了測(cè)控領(lǐng)域的統(tǒng)治地位[1]。振動(dòng)量是測(cè)控應(yīng)用中常要采集的一類數(shù)據(jù),，如機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài),、動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)量等，都可以通過振動(dòng)量反應(yīng)出來,。在實(shí)際應(yīng)用中,，有線檢測(cè)往往出現(xiàn)布線困難、擴(kuò)展性移植性差等問題,，因此,，無線檢測(cè)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了工程人員視野，最值得期待的便是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離小范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高(20~250 kb/s)的各種電子設(shè)備之間,，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)(如傳感器)、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)(如鼠標(biāo))[2],?？梢钥闯觯琙igBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集具有其先天優(yōu)勢(shì),。
1 系統(tǒng)基本構(gòu)架
    無線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示,，左邊為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，右邊為數(shù)據(jù)采集終端,。采集終端為一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī),，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)處理；外接一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),，完成對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理,。在傳感器網(wǎng)絡(luò)一端，各個(gè)傳感器均接有一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn),，其中大部分功能屬于終端節(jié)點(diǎn),，在網(wǎng)絡(luò)需要的情況下，可將部分終端節(jié)點(diǎn)配置為路由節(jié)點(diǎn)使用,，以支持不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

2 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括三種模塊：ARM9處理器及其外圍支持電路為一塊完整的工業(yè)控制核心板；ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各功能節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的模塊,，模塊上集成了射頻收發(fā)器及控制單片機(jī),；傳感器電路需自行設(shè)計(jì)，將制作成的電路板加接到ZigBee節(jié)點(diǎn)即可,。
2.1 ARM9處理器及其外圍電路
    為了縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期,，設(shè)計(jì)中采用了成都某公司EM916x工業(yè)控制核心模塊,。該核心模塊使用了一片AT91SAM9260的32位CPU，內(nèi)存有32 MB和64 MB可選,，板載有32 MB的Flash,，用戶可使用其中的一半，并且還集成了標(biāo)準(zhǔn)的MiniSD卡插槽,，即插即用,，為終端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了便利。在通信接口方面,，EM9160配置了一路以太網(wǎng)接口,，可用至多6路的標(biāo)準(zhǔn)UART串口，兩路USB主控接口等[3],。
    EM916x模塊緊湊的集成設(shè)計(jì),，豐富的接口資源大大減少了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端的工作量，用戶幾乎不用做更多的外圍電路設(shè)計(jì),，只需將要使用的接口按要求引出到標(biāo)準(zhǔn)接頭即可,。
2.2 ZigBee無線開發(fā)套件
    本設(shè)計(jì)選擇了成都某公司的C51RF系列ZigBee無線開發(fā)系統(tǒng)套件。該套件提供ZigBee開發(fā)所需的全套軟硬件,，包括ZigBee2006協(xié)議棧,，完全滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。套件使用無線單片機(jī)CC2430,，是一個(gè)真正的SoC解決方案,，它內(nèi)部結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的增強(qiáng)型8051控制器。CC2430具有性能高,、功耗低,、收發(fā)靈敏度高和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是在休眠模式下,，器件的功耗尚不到1 μA,，以之構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在電池供電的情況下大大延長(zhǎng)傳感器的使用時(shí)限[4]。
2.3 傳感器電路
    常用的振動(dòng)傳感器分為壓電/駐極體/電磁型,、彈簧型,、機(jī)械接觸型等。CLA-3微型傳感器是一種采用新型高靈敏度傳感膜設(shè)計(jì)的全向振動(dòng)傳感器,。CLA-3的靈敏度可調(diào)，抗干擾性好,，輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào),，對(duì)于信號(hào)的后期處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單。使用時(shí)必須采用剛性連接,，如使用粘結(jié)膠固定,，以減小振源與傳感器之間的衰減[5],。圖2為本設(shè)計(jì)中使用的檢測(cè)電路，經(jīng)過調(diào)理的振動(dòng)傳感器信號(hào)輸出為方波,，對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)即可獲得振動(dòng)數(shù)據(jù),。

2.4 硬件集成
    集成后得到無線采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。EM916x核心板與CC2430通過RS232串口相連,，在核心板一端,，除DEBUG串口外均可使用，而CC2430自帶兩個(gè)USART口,，可使用其中任何一個(gè),；CAL-3傳感器與CC2430的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，只需將CAL-3應(yīng)用電路的信號(hào)輸出端接入CC2430的一個(gè)數(shù)字I/O口,，在程序中以中斷的方式讀取該I/O口的計(jì)數(shù)即可,。
    ZigBee以獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀,、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)唯一的64 bit IEEE地址，而其功能并不完全相同,。從組網(wǎng)通信上來說,，半功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）只是其功能的一個(gè)子集；全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)則與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信,、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制,，或起到通信路由的作用。無論采用哪種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能有唯一的協(xié)調(diào)器,，它由全功能設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一臺(tái)服務(wù)器,，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理,。FFD可作協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)使用,，RFD只能用作終端節(jié)點(diǎn),。
    本設(shè)計(jì)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用圖3所示的樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與EM916x工控板相連的屬于FFD設(shè)備,，作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,。而振動(dòng)傳感器端既可以接RFD設(shè)備作為終端節(jié)點(diǎn)，也可以接FFD設(shè)備,。與FFD設(shè)備相接的傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)使用的同時(shí),，還具備路由功能，并能接收終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，它類似于一臺(tái)有線網(wǎng)絡(luò)的路由器,，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)及路由選擇,，可大大擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)容量,。

3 軟件設(shè)計(jì)
    EM916x核心板預(yù)裝了Win CE實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),，支持包括MFC在內(nèi)的各種典型的Windows應(yīng)用程序框架，可以方便地使用Embedded Visual C++開發(fā)各種應(yīng)用程序,。CC2430開發(fā)套件自帶了完整的ZigBee協(xié)議棧,，使用IAR集成開發(fā)環(huán)境對(duì)協(xié)議棧工程文件進(jìn)行管理，可以查看并修改整個(gè)協(xié)議棧的任意層源代碼,。因此,，軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：Win CE下的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和ZigBee協(xié)議棧的添加與修改。
3.1 Win CE應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序駐留在EM916x核心板中,，主要功能是負(fù)責(zé)打開連接協(xié)調(diào)器的串口,，設(shè)置串口通信參數(shù)；初始化ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),，查詢并返回網(wǎng)絡(luò)狀況,，如是否建立成功、各種節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)及數(shù)目等,；監(jiān)視串口接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)幀,；解碼數(shù)據(jù)幀讀取傳感器數(shù)值，并由EM916x核心板的調(diào)試串口打印出來,。應(yīng)用程序流程如圖4(a)所示,。

3.2 ZigBee協(xié)議棧修改
    ZigBee協(xié)議棧完成了無線網(wǎng)絡(luò)初始化的絕大部分功能，代碼修改應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待,。使用IAR集成開發(fā)工具打開ZigBee2006協(xié)議棧工程,，找到ZMain工程目錄。打開后可以看到這是協(xié)議棧的主函數(shù)目錄,，包括入口函數(shù)和硬件配置文件,，在這里便可以添加自定的應(yīng)用函數(shù)。
    無線網(wǎng)絡(luò)中三種節(jié)點(diǎn)的功能各不相同,。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化無線網(wǎng)絡(luò),，等待子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)，并接收子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀,，通過串口發(fā)送到主機(jī),，程序流程如圖4（b）所示。路由器與終端節(jié)點(diǎn)添加的應(yīng)用函數(shù)功能相同,，首先搜尋ZigBee網(wǎng)絡(luò),，并向網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器或路由器申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò),；初始化定時(shí)計(jì)數(shù)器，允許中斷,，對(duì)振動(dòng)傳感器的輸入方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)向父節(jié)點(diǎn)（即允許其入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)）發(fā)送計(jì)數(shù)值,，圖4(c)為路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖,。路由器與終端節(jié)點(diǎn)只要在下載前選擇編譯即可。
4 系統(tǒng)仿真
    仿真軟件使用Lab View編寫,，仿真界面如圖5所示,。左側(cè)用于選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與核心板相連接的串口號(hào)、波特率及控制按鈕,；右上部顯示的是終端節(jié)點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)值,，包括節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)值時(shí)間、節(jié)點(diǎn)編號(hào),、當(dāng)前發(fā)送振動(dòng)計(jì)數(shù)值及上一次發(fā)送的計(jì)數(shù)值,。右下方為某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)段內(nèi)振動(dòng)計(jì)數(shù)的波形圖，節(jié)點(diǎn)選擇在左下方的“奶牛編號(hào)”(原項(xiàng)目名稱),。圖5所顯示的是將傳感器套掛在奶牛脖子上實(shí)地采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù),。

    通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有非常好的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性,，而在擁有多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中,，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠得到非常大的延伸。通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)與地面的距離太近,，大約小于30 cm時(shí),，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信可靠性及通信距離大為降低，越接近地面,，可靠通信距離就越短,。后期采用的解決辦法是增大無線信號(hào)的發(fā)射功率，此時(shí)通信距離有所改觀,，但這并不是一個(gè)好辦法,，發(fā)射功率的增大意味著節(jié)點(diǎn)的電池壽命將縮短。
    ZigBee是一種新興的短距離,、低速率,、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣泛,，如數(shù)字家庭中的自動(dòng)抄表系統(tǒng),、室內(nèi)無線定位及動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)控等。本文中無線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器如果設(shè)計(jì)成諸如自動(dòng)抄表器,、無線定位引擎等,，便可應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合,。
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