摘  要： 針對(duì)現(xiàn)有震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)存在的體積大,、電路復(fù)雜、功耗大和不易組網(wǎng)等問(wèn)題,，提出了基于CC2530的震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案,。該方案采用VBS061100型震動(dòng)與傾斜傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)震動(dòng)信息的采集和預(yù)處理；采用CC2530作為主控芯片,，控制節(jié)點(diǎn)的信息采集,、處理和發(fā)送。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該節(jié)點(diǎn)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)的偵測(cè),，具有靈敏度高、成本低,、布設(shè)方便,、功耗低、抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn),，應(yīng)用前景很好,。
關(guān)鍵詞： 震動(dòng)偵測(cè)；CC2530,；VBS061100

　在日常生活中,，風(fēng)力、車輛運(yùn)動(dòng),、海浪等原因?qū)е碌恼饎?dòng)不可避免,，會(huì)對(duì)一些大型土木工程（如橋梁、高樓,、海洋平臺(tái)等）及一些精密儀器造成一定的影響,，縮短其壽命，甚至造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞,，所以對(duì)震動(dòng)的實(shí)時(shí)偵測(cè)成為了建筑業(yè)的一個(gè)重要問(wèn)題,。目前，震動(dòng)偵測(cè)常用的加速度傳感器有：MEMS振動(dòng)加速度傳感器,，機(jī)械式振動(dòng)加速度傳感器,，壓電、光纖式振動(dòng)加速度傳感器,。其中,，MEMS振動(dòng)加速度傳感器又分為壓阻式和電容式兩種；而光纖式振動(dòng)加速度傳感器雖然精度高,，但同時(shí)具有體積大,、電路復(fù)雜、能耗高的缺點(diǎn),，不適合現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用[1-4],。本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的低成本、低能耗,、布設(shè)方便的無(wú)線式震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn),，使得長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守的震動(dòng)偵測(cè)成為現(xiàn)實(shí),。
1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
1.1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
　為方便偵測(cè)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展和維修等問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案,。節(jié)點(diǎn)硬件由射頻收發(fā)模塊,、處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊4部分組成,，如圖1所示,。射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間通信；處理器模塊負(fù)責(zé)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制管理,；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集震動(dòng)信息并進(jìn)行壓縮編碼,；電源模塊負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的供電[5]。

1.2 硬件具體設(shè)計(jì)
1.2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)
　震動(dòng)傳感器是震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)的重要組成部分,，其好壞決定了震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)是否能夠精確采集震動(dòng)信息,。在綜合考慮傳感器的能耗、體積,、成本和穩(wěn)定性等因素的基礎(chǔ)上,，本設(shè)計(jì)采用了VBS061100型震動(dòng)與傾斜傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，通過(guò)震動(dòng)與傾斜來(lái)控制電路開(kāi)關(guān),，并輸出二進(jìn)制信號(hào)，具有體積小,、能耗低,、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示,。

1.2.2 處理器模塊設(shè)計(jì)
　本設(shè)計(jì)處理器模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片,。該芯片完全支持IEEE 802.15.4、ZigBee2007,、ZigBeePRO和RF4CE的各種應(yīng)用,，內(nèi)置高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)增強(qiáng)型8051微處理器，8 KB的RAM,，256 KB閃存,。CC2530是首款符合ZigBee和RF4CE相容協(xié)議的芯片,，擁有出色的接收器靈敏度和抗干擾能力,。為提高芯片工作的穩(wěn)定性，獲取芯片的最佳性能,，輸入電壓應(yīng)采用調(diào)制后的3.3 V穩(wěn)壓電源,，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻R301精度要在0.5%以上，且在電源處加入去耦電容,。其芯片結(jié)構(gòu)及外圍電路如圖3所示,。

1.2.3 射頻收發(fā)模塊
　本設(shè)計(jì)的射頻收發(fā)模塊為滿足通信協(xié)議、調(diào)制方式、通信頻段等條件,，采用了單級(jí)子不平衡天線,，配合分立電感（C252、C262）和分立電容（L252,、L262）組成的輸入/輸出電路,，滿足了天線的阻抗為50 Ω的匹配要求。本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)晶振確保CC2530無(wú)線發(fā)射/接收電路正常工作,，其中,，主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無(wú)源晶振，由XTAL1及電容C221和C231組成,；32.768 kHz時(shí)鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成,，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用。
1.2.4 電源模塊設(shè)計(jì)
　電源模塊為節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供所需的能量,。電源設(shè)計(jì)的合理性至關(guān)重要,，其性能的好壞直接影響到電路干擾的大小及整個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性、穩(wěn)定性,、散熱性,、持續(xù)性和可恢復(fù)性。電源模塊的設(shè)計(jì)思想在于利用有限的電能以有效的方式為節(jié)點(diǎn)供電并管理節(jié)點(diǎn)電能消耗,，使電池的功效能夠充分發(fā)揮,，確保感知節(jié)點(diǎn)在所有可能條件下無(wú)缺陷工作并處于最優(yōu)狀態(tài)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是降低能量消耗,，延長(zhǎng)電源工作時(shí)間,，更有效地使用設(shè)備。為便于偵測(cè)節(jié)點(diǎn)的攜帶及維護(hù),，節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5 V干電池進(jìn)行供電,。
2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)
　本節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)采用Windows操作系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)使用IAR Embedded Workbench for MCS-51,、Microsoft Visual 6.0,、SmartRF Flash Programmer。IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是一款針對(duì)51處理器的C/C++開(kāi)發(fā)工具,，可為用戶提供一個(gè)易學(xué)且具有最大量代碼繼承能力的開(kāi)發(fā)環(huán)境以及對(duì)大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持,，主要撰寫(xiě)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，可直接透過(guò)軟件本身進(jìn)行燒錄,。Microsoft Visual 6.0是微軟推出的一款C++編譯器,，是一個(gè)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要負(fù)責(zé)上位機(jī)界面的開(kāi)發(fā),。SmartRF Flash Programmer是TI公司推出的一款ZigBee燒錄軟件,，可用來(lái)為ZigBee模塊燒錄程序及IEEE地址,。
2.2 軟件流程圖
　震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。節(jié)點(diǎn)供電后進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài),，對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行偵測(cè),，如果收到結(jié)果為TRUE，則發(fā)出報(bào)警信號(hào),；如果收到結(jié)果為FALSE,，則繼續(xù)進(jìn)行偵測(cè)。

2.3 軟件程序
　由于VBS061100型震動(dòng)與傾斜傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，輸出信號(hào)僅有兩種狀態(tài),，因此軟件程序也相應(yīng)簡(jiǎn)單，僅需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單判定,，減少了語(yǔ)句的使用,，降低了節(jié)點(diǎn)能耗，提高了節(jié)點(diǎn)的壽命,。軟件程序如下：
M180_Init（）,；
M180_Enable（）；
while （TRUE）
{
 halMcuWaitMs（200）,；
 halLedToggle（7）,；
 val=M180_GetValue（）；
 pTxData[0]=val+′0′,；
 basicRfSendPacket（RECV_ADDR,， pTxData，1）,；
}
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
3.1 節(jié)點(diǎn)功能測(cè)試
　為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的工作性能,，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬了震動(dòng)的發(fā)生，并通過(guò)與震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)相配套的上位機(jī)軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試,。節(jié)點(diǎn)供電并工作后,，開(kāi)始偵測(cè)震動(dòng)狀況，若無(wú)異常,，報(bào)警信號(hào)將以綠燈表示正常,，同時(shí)信號(hào)顯示為0；若發(fā)生震動(dòng)且被系統(tǒng)判定為危險(xiǎn)時(shí),，報(bào)警信號(hào)將以紅燈表示異常,，同時(shí)信號(hào)顯示為1。
3.2 節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試
　本文主要測(cè)試了震動(dòng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的功耗和傳輸距離兩個(gè)主要性能,。
　節(jié)點(diǎn)功耗決定了節(jié)點(diǎn)的使用壽命,，是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo),。由于CC2530在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及不同信息負(fù)載時(shí)功耗不同,，因此只能對(duì)其功耗進(jìn)行估算,，如表1所示。

　由表1可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)一小時(shí)總功耗為：7.3 mA×0.01+15×0.001 mA×0.99+17.2 mA×0.007 5+20 mA×0.002 5+18×0.001 mA×0.99+5.5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=  0.344 62 mA,。因此可得節(jié)點(diǎn)的功耗約為1 mW,，可以滿足節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)工作的要求,。
　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,，本節(jié)點(diǎn)的通信距離可達(dá)250 m，能夠滿足對(duì)大型土木工程的偵測(cè)需求,。
　本文對(duì)于無(wú)人值守情況下的震動(dòng)偵測(cè)進(jìn)行了研究,，針對(duì)目前存在的震動(dòng)偵測(cè)技術(shù)的不足進(jìn)行了分析，選取了先進(jìn)的處理器和震動(dòng)傳感器,，編寫(xiě)了軟件代碼,。設(shè)計(jì)的基于CC2530的震動(dòng)偵測(cè)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本,、布設(shè)方便,、抗毀性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),，可以廣泛應(yīng)用于大型土木工程及精密儀器的震動(dòng)偵測(cè),，擁有較為廣闊的應(yīng)用空間。
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