（机械电子工程专业论文）基于zigbee技术的设备状态监测系统研究.pdf

摘要 摘要 z i g b e e 技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术， 由于它的技术特点，主要被应用在短距离、功耗低且传输速率不高的各种电子 设备之间进行数据传输，在工农业、环境监测，医疗护理、抢险救灾和智能家 居等众多领域，z i g b e e 技术有广阔的应用前景。本文针对当前设备状态监测系 统的不足，将z i g b e e 无线通信技术和无线传感器网络技术应用到设备状态监测 系统的数据采集传输中，采用嵌入式技术，开发一种无线设备状态监测系统， 该系统能够提高监测仪器对现场数据采集的灵活性。 搭建基于z i g b e e 技术的星型传感器网络，设计了网络中的两种节点，实现 对机械设备的振动信号采集，根据设备监测的情况进行系统的关键技术研究， 主要完成系统中传感器节点和收发器节点的硬件设计，对采集到的振动信号进 行的特征值提取，根据收发器节点和传感器节点的特点，分别进行了收发器和 传感器节点的软件平台设计。灵活的采用嵌入式技术，在完成基本功能的情况 下，使设计出的产品功能可靠、应用简单。 通过对传感器模块、无线通信模块、微处理器等器件的选择，以及对外围 接口电路和电源模块的设计，完成收发器与传感器节点硬件设计，并绘制出相 关原理图。利用t i 公司提供的z i g b e e 协议栈进行了传感器节点的无线通信程 序编写和调试，对收发器节点采用了w i n d o w sc e6 0 嵌入式操作系统，进行 了c c 2 4 2 0 无线通信模块的驱动程序编写。 关键词：状态监测：振动信号采集；无线传感器网络；传感器节点； a b s t r a c t a b s tr a c t z i g b e ei sas h o r t - r a n g e , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wr a t e ，l o w - c o s tt w o - w a y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s f i c s ，i ti s m a i n l ya p p l i e di nt h es h o r t r a n g e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wt r a n s f e rr a t ef o r d a t at r a n s m i s s i o na m o n gt h ev a r i o u se l e c t r o n i cd e v i c e i tw i l lp r o s p e c ti nm a n ya r e a s s u c ha sa g r i c u l t u r e ，i n d u s t r y , e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , m e d i c a lc a r e ，d i s a s t e rr e l i e f , a n ds m a r th o m ee t c a g a i n s tt h es h o r t c o m i n g so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e e q u i p m e n t ，t h i sp a p e rt r i e st oa p p l yz i g b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yt ot h ee q u i p m e n t sd a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo ff i e l dd a t ac o l l e c t i o n , aw i r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y t l l i sp a p e rb u i l d st h es t a rs e n s o rn e t w o r k sb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t w o k i n d so fn o d e sa r ed e s i g n e di nt h en e t w o r kt oc o l l e c tt h ev i b r a t i o ns i g n a l so ft h e m e c h a n i c a le q u i p m e n t k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h e sw e r ed o n ea c c o r d i n gt or e s u l t so f t h em o n i t o r i n g m a i n l y , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es e n s o rn o d ea n dt r a n s c e i v e rn o d e w e r ec o m p l e t e dt oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s c e i v e rn o d e sa n ds e n s o rn o d e s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e d t h et r a n s c e i v e ra n ds g r l s o rn o d es o r w a r ep l a t f o r m s d u et ot h ef l e x i b l eu s eo ft h e e m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c tc a l lc o m p l e t et h eb a s i cf u n c t i o n sw i t hr e l i a b i l i t y a n ds i m p l i c i t y b ys e l e c t i n g t h e s e n s o rm o d u l e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ， m i c r o p r o c e s s o r sa n do t h e rd e v i c e s ， a n dd e s i g n i n g t h ee x t e r n a li n t e r f a c ec i r c u i ta n d p o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h i sa r t i c l ec o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h et r a n s c e i v e r a n ds e n s o rn o d e sa n dd r e wt h es c h e m a t i c t i sz i g b e ep r o t o c o ls t a c kw a sa d o p t e dt o w r i t ea n dd e b u gc o m m u n i c a t i o np r o g r a mf o rw i r e l e s ss e n s o rn o d e w i n d o w sc e6 o e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw a se m p l o y e di nt h et r a n d c e i v e rn o d e c c 2 4 2 0 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed r i v e rp r o g r a mw a sw r i t t e n i i a b s t r a c t k e y w o r d ：c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ； v i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n ；w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ；s e n s o rn o d e s ； i i i l 绪论 1绪论 1 1 设备状态监测与无线传感器网络 在现代化工业生产中，为了确保机械设备的正常工作运行，通常采用一些 监测仪器，采用故障诊断技术，来对机械设备的故障进行提前预防和及时发现。 目前的设备诊断监测系统一般可以分为两类，n 1 一类是在线设备状态监测系统， 在线监测是将传感器所采集的设备故障信息直接送入分析仪器，或者经过a d 转换后用通信电缆将信息传输到计算机，计算机将进行分析处理和在线诊断， 计算机可以在工业现场，也可以远离现场。在线诊断的优点是及时、快速、实 时性好，缺点是价格太高，不灵活，因此在线诊断系统一般用于大型关键设备 上面。另外一类是离线监测系统，离线监测一般是在现场完成数据采集任务， 把数据信息保存在便携采集仪器上，然后在实验室或者其他一些合适的地方把 采集器收集到的数据上传到计算机，最后由人工或者是计算机的诊断软件来进 行数据的分析处理，完成机械设备的状态监测诊断工作。离线监测仪器的特点 是灵活方便、造价低，但是面对需要紧急处理的故障，离线监测有较长的时间 滞后，不利于设备故障的及时发现。 近年来，随着低功耗的嵌入式电子技术、网络技术以及无线通信技术的快 速发展，无线通信技术的成本越来越低，乜1 可靠性越来越高，无线通信技术在工 业生产中的应用也越来越成熟了。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， w s n ) 是一种全新的信息获取平台，其结构是由部署在监测区域内大量的微型廉 价传感器通过无线通信以多跳的自组织方式构成的一个无线网络。能够检测、 采集、处理网络中所覆盖区域内所需要监测的各种对象的信息，并通过无线传 输的方式把信息发送给那些需要的用户。因为微型传感器的体积比较小，重量 轻，有的甚至可以像灰尘一样浮在空中，所以无线传感器网络又叫做“智能尘 埃 。大量的传感器节点将采集到的数据，通过收发器节点经互联网把信息传达 给观测者。h 1 在这个过程中，传感器网络实现了的三种功能，分别是监测区域内 的观测目标的数据采集、信息处理和数据传输。 无线传感器网络有着巨大应用价值，最早使用无线传感器网络技术的是美 国军方，早在1 9 7 8 年哺1 国防部就在内基一梅隆大学成立了传感器网络工作组，用 1 1 绪论 来研究无线传感器网络军事监视系统。但是因为当时的技术水平的关系，研究 进展并不深入。但是随着通信技术、电子嵌入式技术的飞速发展，无线传感器 网络技术逐渐成为一个热点研究项目，引起了工业界和学术领域的重视。2 0 0 3 年1 月，美国技术评论的编辑们普遍认为无线传感器网络将会是对未来产 生巨大影响的十种新兴技术之。 一个典型的无线传感器网络结构如图1 1 所示， 5 其中包括大量的传感器 节点、收发器节点以及互联网或者通信卫星等。传感器节点一般情况是一个微 型的嵌入式系统，具有感知物理环境数据和处理数据的能力，大量的无线传感 器节点密集布置在监测区域内，传感器节点通过自组织的方式自动构建网络， 并且具有根据网络内部节点的情况自动更新和维护网络的功能。传感器节点和 收发器节点之间会根据预定的协议进行通信，传感器节点可以选择一条合适的 路径将采集的数据直接或者通过其他节点用逐跳的方式传送到收发器节点。收 发器节点是传感器网络中的网关设备，其处理能力比较强但是没有感知能力， 主要是对数据进行分析处理，或者根据需要将数据发送到互联网上。收发器节 点也可以根据用户的实际需求，向传感器节点发送命令，控制节点数据无线传 输。管理节点一般是普通计算机，通过控制收发器节点的信息传递来控制整个 网络的数据传输。 图1 1 典型的无线传感器网络结构 无线传感器网络的组织方式和应用场合与传统的网络有很大的区别，它是 一种结合了传感器技术、电子技术、啼1 信息处理技术和通信技术等多种现代科学 2 1 绪论 技术的无线网络，其特点如下。 1 网络中有数量庞大的传感器节点并且拥有自适应性：无线传感器网络中 的传感器节点数量巨大，在一个监测区域内可能分布了几百甚至几千传感器节 点，网络拓扑结构变化很快，网络能自动形成，可以较少的人工干预。 2 节点能力受限：在网络中，传感器节点体积通常较小并且价格低廉，导 致了节点能量、处理能力、存储功能和通信能力都十分受限，节点只具备有限 的硬件资源。节点只能携带能量有限的电池，而且在环境复杂的监测区域难以 经常更换电池来给节点补充能量，因此节点的能量使用也受到很大的限制。 3 自我维护：在无线网络的工作过程中，任何时候电池能量耗尽都会导致 传感器节点停止工作而退出网络，也可能由于用户的某些特殊需要而随时加入 网络，导致网络拓扑结构的频繁改变，影响无线网络的通信质量。但是无线传 感器网络的特点是能够实现自动组网，并且网络具备自动维护和自动配置功能， 确保了无线网络的通信顺畅。 4 通信半径小：一般情况下传感器节点的射频发射能力非常有限，导致节 点通信距离只有几十米那么远，因此每个传感器节点都只能与距离较近的节点 进行信息传输，如果想要与通信距离范围之外的其它节点进行信息交流传输， 则需要通过一个或者几个中间节点来进行接力多跳传输。 无线传感器网络将成为影响“人类未来生活的重要技术之一 ，它被广泛的 应用到现代社会生活的各个领域，包括军事应用、应急场合，机械设备监控以 及环境科学、智能家居和空间探索等新兴领域。在机械设备状态监测方面，i n t e r 公司曾经将2 0 0 个传感器节点安装在芯片制造设备上，用来监测设备的振动情 况，在测量结果超出规定值的时候提供监测情况报告h 1 ，其效果非常理想。 1 2 z i g b e c 无线通信技术 1 2 1zig b e e 技术简介 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无 线通信技术。z i g b e e 技术的网络标准由i e e e 8 0 2 1 5 工作组负责制订的，因此被 称作是i e e e 8 0 2 1 5 4 技术标准。它是一种介于射频识别技术和蓝牙技术之间的 无线通信技术方案，主要应用在短距离、功耗低且传输速率不高的各种电子设 备之间进行数据传输。适用于需要监测网点多，们设备体积小等工业场合， 3 1 绪论 z i g b e e 技术的特点决定了它在军事、工农业、环境监测，医疗护理、抢险救灾 和智能家居等众多领域都有广阔的应用前景，已经得到很多国家工业界的高度 重视。 z i g b e e 技术的特点如下： ( 1 ) 低功耗：由于z i g b e e 节点的结构简单，工作周期短，传输速率也不高， 所以发射功率只有l m w ，而且采用了休眠模式，因此z i g b e e 传感器节点非常省电。 在待机模式下，仅仅用两节5 号电池就可以让z i g b e e 节点设备维持6 个月到2 年左右的使用寿命，这是其它无线技术难以达到的。 ( 2 ) 成本低：z i g b e e 模块的原始成本只需要六美元左右，而z i g b e e 协议 栈设计简单，并且z i g b e e 协议是免专利费的，而成本高低对于z i g b e e 技术的 广泛推广使用也是非常重要的因素。 ( 3 ) 时延短：z i g b e e 节点的通信时延和从休眠到工作状态的时延都比较短， 休眠激活的时延是1 5 秒，搜索设备时延和入网时间都只需要三十秒。在一些对 时延要求非常高的工业控制场合，z i g b e e 无线通信技术将有很大的发展前景。 ( 4 ) 网络容量大：网络组成灵活并且容量很大，最多可以由6 5 0 0 0 多个传 感器节点组成网络平台。 ( 5 ) 可靠性高：z i g b e e 无线通信技术使用了碰撞避免策略，并且为需要固 定带宽的通信业务预留了专用时隙，能够很好的避开传感器节点发送数据时的 冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，传感器节点发送的每一个数据 包都必须等待接收方的确认信息。如果发送过程中出现错误，可以申请重发。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供一种数据传输检错功能，支持鉴权和认证，并且采用 了常用的a e s - 1 2 8 的加密算法，所以z i g b e e 技术的安全属性很高。 1 2 2 z i g b e e 技术的研究现状 国外一些国家很早就开始了对z i g b e e 技术的研究，技术发展也相对比较成 熟。z i g b e e 技术联盟早在2 0 0 1 年8 月就已经成立，是国际重要的物联网产业标 准化组织，2 0 0 2 年，英国i n v e n s y s 公司，日本三菱电气公司以及荷兰的飞利浦 半导体等四家公司共同宣布将参加z i g b e e 技术联盟，z i g b e e 技术联盟目前在世 界上已经有5 0 0 多家包括芯片公司、i t 、电信和工业控制领域内的企业会员。 z i g b e e 联盟制定的z i g b e e 标准是世界公认的物联网无线传感器网络技术中的权 威标准，已经被多个国际领域所采用。目前在此标准上形成了一整套系列的物 4 1 绪论 联网关键性技术，针对智能电网、智能建筑、消费电子、医疗和无线通信等行 业领域也逐渐产生了大量的应用规范和专利技术。 在国内z i g b e e 技术研究方面，起步相对较晚，但是发展却很迅速。现在， 国内已经有很多人开始关注z i g b e e 技术了，心1 有不少单位也开始对z i g b e e 技术 开展了研究工作，并且取得了一定进展。2 0 0 7 年华立仪表集团股份有限公司与 e m b e r 公司合作，启动基于z i g b e e 技术的集中抄表系统的项目研究，并且在2 0 0 9 年通过了浙江省科技厅组织的项目验收。该项目使用美国e m b e r 公司的z i g b e e 芯片和技术，开发了集无线抄表和数据管理于一体的自动抄表远程控制系统和 自动的移动抄表系统。项目产品具有通信稳定可靠、覆盖地理、范围广泛、应 用灵活等优点，支持远程升级以及网络管理等功能。2 0 0 8 年1 2 月，国际z i g b e e 中国产业园区在吉林国家高新技术产业开发区成立，吉林曼博科技有限公司、 吉林大学、大连理工大学等9 家单位签署协议组成战略同盟。2 0 11 年6 月1 4 日， 国际z i g b e e 联盟携手打造“2 0 11 中关村物联网与z i g b e e 产业发展国际论坛 在北京隆重召开。在论坛上，z i g b e e 联盟与中关村物联网产业联盟、北京赛西、 科技公司( c e s i ) 签订了战略联盟合作协议，将与中关村物联网产业的相关企业 开展实质性的合作。 1 2 3 z i g b e e 技术的应用前景 z i g b e e 技术的目标就是针对工业监控领域，例如遥测遥控、汽车自动化、 机械设备状态监测、矿井瓦斯浓度监测和传感器的无线数据采集，油田、电力、 矿山管理监测等应用领域，另外它还可以在道路交通领域发挥作用，可以对城 市中的车辆进行定位，追踪超速汽车。z i g b e e 技术在无线传感器网络方面有广 泛的应用前景，无线传感器网络是影响人类未来生活的重要技术，被称为未来 十大新兴技术之一。 随着电子技术的快速发展，微型处理器的功能将越来越强大，价格会越来 越低廉，无线传感器网络技术的应用也将变得更加成熟，所有这些都将促使 z i g b e e 无线网络技术将被应用到生活中各个方面。除了应用于军事场合、应急 场合以及设备监控等传统应用领域之外，汨1 它还将被应用到环境科学、智能家具、 精细农业和空间探索等一些新兴领域上面。我们相信随着科学技术的发展，将 有越来越多的使用z i g b e e 技术的设备进入我们的生活，从各个方面来改变着我 们的生产活动。 5 l 绪论 1 3 选题的目的和意义 当前，对于重要的大型关键设备，往往采用在线监测系统，而对于那些不 便或者不需要安装在线监测系统的场合，主要使用的是离线监测系统，如便携 的点检仪器，现有的两种设备监测系统都有各自的优缺点和应用场合，都具有 传输速度快，可靠性高等特点。但是在一些高温高热、布线困难、危险、环境 复杂、等有特殊要求的场合下，难以进行有线连接，或者人难以靠近地方，【口】 使用以上两种监测系统在很多场合下已经难以满足实际需求，不能很好的完成 对机械设备的监测诊断任务，因此开发一种无线的设备监测系统变的非常有必 要，利用无线通信技术的设备状态监测系统将是未来发展的趋势。 本论文针对当前设备状态监测系统的不足，以z i g b e e 技术和无线传感器网 络技术为基础，采用嵌入式技术，开发一种无线设备故障监测系统。将z i g b e e 技术用于设备状态监测系统的数据采集传输中，提高了监测仪器对现场数据采 集的灵活性，这种无线设备状态监测仪器可以作为传统在线设备状态监测仪器 很好的补充，对生产实践有重要意义。最近，美国一些公司已经开发出了可以 用于工业现场的无线监测设备。国内研究如中科院、清华大学、等学术团体对 z i g b e e 无线通信传感器网络进行了跟踪研究。但是大部分研究仅仅处于起步阶 段，在机械设备故障监测方面的应用研究更是很少，及时开展研究，会对国家 经济发展产生深远的影响。 1 4 论文的内容和结构 1 4 1论文的内容 根据监测现场的情况，搭建相应的z i g b e e 星型传感器网络，进行设备监测 系统的关键技术研究，设计传感器节点和收发器节点，灵活的采用嵌入式技术， 在完成基本功能的情况下，使设计出的产品功能可靠、小巧玲珑、应用简单， 设计传感器节点电源，使其具有低功耗，节能的特点，保证传感器节点到收发 器节点的有效通信。通过对传感器模块、无线通信模块、微处理器等器件的选 择，以及对外围接口电路和电源模块的设计，在此基础上完成硬件平台设计， 并绘制出相关原理图。使系统节能，通信稳定，安全。进行了传感器节点的无 线通信程序编写和调试，对收发器节点采用了w i n d o w sc e6 0 嵌入式操作系 6 1 绪论 统，完成c c 2 4 2 0 无线通信模块的驱动程序编写。 1 4 2 论文的章节安排 本论文一共分为六章： 第一章：绪论，介绍了课题的研究背景和研究意义，对z i g b e e 无线通信技 术和无线传感器网络技术进行了比较全面的介绍。 第二章：系统总体结构设计，本章介绍了几种短距离无线通信技术以及几 种网络拓扑结构，重点给出了基于z i g b e e 技术无线设备状态监测系统的总体结 构设计方案。 第三章：传感器节点的硬件设计，本章主要介绍对传感器模块、无线通信 模块、微处理器等器件的选择，以及对外围接口电路和电源模块的设计，画原 理图。 第四章：收发器节点的硬件设计，本章通过对微处理器、无线发射模块芯 片的选择，分析收发器节点各个模块的电路原理，阐述了基于a r m l l 嵌入式系 统的外围接口电路设计，对其中几个比较典型的电路给出了详细的说明。 第五章：系统软件环境，在本章中分别介绍了传感器节点和收发器节点的 软件设计环境，在传感器节点软件设计中，主要讲述了软件开发环境和无线通 信程序的编写调试。对于收发器节点的软件平台设计，主要介绍了怎样实现 w i n d o w sc e6 0 嵌入式操作系统定制以及对无线通信模块的驱动程序编写。 第六章：传感器节点的通信测试，通过i a r 软件平台，模拟实现两个传感 器节点的通信实验，测试了z i g b e e 无线模块的通信距离。 第七章：论文总结与展望，讲述了自己在本课题中所做的工作，指出有哪 些不足之处以及需要改进的地方。 7 2 系统总体结构设计 2 系统总体结构设计 本章节主要讲述了无线设备状态监测系统的总体结构设计。通过几种无线 通信技术的比较，突出我们采用z i g b e e 通信技术的优点以及重点介绍了无线传 感器网络的几种网络拓扑结构，最后给出了关于z i g b e e 技术无线设备状态监测 系统的具体结构设计方案。论述了系统的工作原理和构成。重点介绍了系统的 硬件平台的构成，讲述了收发器节点和传感器节点各自的功能，并提出设计构 想。 2 1 总体方案设计 2 1 1 无线通信技术选择 近年来无线通信技术发展迅速，目前广泛应用的短距离无线通信技术有蓝 牙技术、w i - f i 技术、红外技术和本文中将选用z i g b e e 技术等。表2 1 是几种 常见通信技术特点的比较。 表2 1几种短距离无线通信技术的主要指标 规范 蓝牙技术 w i f i 技术红外技术 z i g b e e 技术 通信距离1 0 米1 0 0 米1 米7 5 米以上 节点数量 81 0 026 5 5 3 5 传输速率 1 m b p s 5 4 m b p s1 6 m b p s 2 5 0 k b p s 最大能耗l o o m w l o o m w 几个m w l m w 关键特性芯片价格高， 速度快，但是能 功耗低，成本 可靠、功耗低、价 使用方便。 耗比较高。低。格便宜。 通过对几种无线通信技术的比较，红外技术不能穿透实心物体，而且传输 距离太短，蓝牙芯片价格比较高，u 如果在无线传感器网络中大量的使用，将 导致成本过高，而且传输距离太短，节点数量太少，组网规模小。w i - f i 技术标 准太复杂，标准不统一，存在技术安全隐患，而且能耗过高，不适于作为无线 传感器网络的无线通信技术方案。综上分析，本文将采用z i g b e e 技术作为设备 状态监测系统的无线通信技术，z i g b e e 技术功耗低、成本低、网络容量巨大、 数据传输安全可靠，是目前无线传感器网络组网的最佳选择。 8 2 系统总体结构设计 2 1 2 网络拓扑结构选定 z i g b e e 一共有三种网络拓扑结构：星型网络、网状网络和树状网络拓扑结 构。在本文设计的无线设备故障监测系统中应用的是三种网络中比较简单的星 型网络。n 町三种网络拓扑结构如图2 1 所示。 ( 1 ) 星型网络拓扑结构是由一个收发器节点和多个传感器节点组成。本文 所用就是星型网络拓扑结构，传感器节点只能与收发器节点进行直接通信，传 感器节点之间不能直接通信，只能通过收发器节点进行间接通信，就是一个传 感器节点要与其他传感器节点进行通信，必须将数据先传送到收发器节点，然 后收发器节点再将数据送到需要的通信的其他传感器节点。z i g b e e 星型网络的 最大特点就是结构简单，而且它的成本比较低，管理方便。但是它的缺点是覆 盖范围小，灵活性差。本文所设计的无线设备监测系统因为所需要覆盖的范围 都不大，只是面对一个小区域里面的设备状态监测，因此采用星型网络就符合 要求。 ( 2 ) 树状网络是在星型网络结构的基础上发展来的，在星型网络的基础上 再加上一些跟网络路由器功能相似的网关节点，它可以让网络的覆盖范围更广， 数据信息可以实现网络的多跳发送，这种多跳解决星型网络覆盖范围小的特点， 可以实现更广范围内的网络监控，但是传感器节点之间只有唯一的传输路径， 网关节点之间不能直接通信，网关节点只是起到了网络延伸的作用，扩大网络 覆盖面。 ( 3 ) 网状网络中网关节点可以相互通信，因此传感器节点到其他传感器节 点之间就可能产生多条传输路径。网状网络比树状网络、星型网络更复杂，数 据传输也更加灵活自由，没有固定的传输模式。节点数据传输能自动寻找最佳 传输路径，信息可以在整个网络中自由流动，网状网络对环境有很好的适应能 力，多用在那些信息传输需要高度可靠的场合。 9 2 系统总体结构设计 星型网络 网状网络 树状网络 收发器节点 。蚓关节点 f 感器w j 图2 1z i g b e e 三种网络拓扑结构示意图 2 1 3 系统总体结构设计 本文设计的无线设备状态监测系统采用的星型网络结构，由收发器节点和 多个传感器节点和远程计算机组成，选用一个传感器节点和一个收发器节点进 行通信，如果这样能通信成功的话，对多节点更复杂的网络组建实现有着重要 的意义。而且节点比较少，网络简单也不必考虑干扰的影响，从而给设计减少 了很多难度。其中远程计算机可以采用一般的p c 机，它的作用是专门为使用者 提供远程监控和图形交互界面，可以根据实现需要的情况加入和取消。监测系 统结构设计如框图2 2 所示，组建无线传感器星型网络对机械设备振动信号进 行监测采集，并从中判断设备的运行情况。 1 0 2 系统总体结构设计 传感器节点 c c 2 4 3 0 传感器节点 c c 2 4 3 0 传感器节点 c c 2 4 3 0 电源模块i u s b 无线 收发 模块 收发器节点 s 3 c 6 4 1 0 f l a s h 图2 2 无线设备状态监测系统硬件结构 传感器节点主要负责采集振动数据，进行简单处理，产生一个阳1 特征值，并 存储一组当前波形数据，传感器节点每隔一个固定时间间隔对收发器节点发送 一次当前数据特征值，这个时间间隔是由传感器节点数目和现场设备监测需要 来确定的，收发器会将这个值与正常范围值信号做比较，如果出现异常，传感 器节点就会把这个特征值所对应的振动信号发送到收发器节点，进行后续的处 理，通过人工或者设备诊断软件对振动信号的分析，实现设备故障的在线诊断 监测。传感器节点是整个无线设备监测系统的基础，是后面文章中设计的重点 内容。 收发器节点的功能主要是连接无线传感器网络与i n t e r n e t 外部网络，实现 两种协议栈之间的通信协议转换，同时居中协调处理传感器节点的监测任务， 并把收集的设备振动信号转发到外部网络。 本文设计的设备监测系统工作过程如下：把传感器节点安装到工厂需要长 期在线监测而又不方便布线的监测区域，每个传感器节点作为z i g b e e 星型网络 的一个节点，节点的任务是采集每个监测点的振动数据，进行简单处理，产生 一个特征值，收发器对每个传感器节点的数据采集采用轮询的方式，每隔一个 固定时间间隔，它将激活节点无线传输模块，把打包好的数据发送出去，中间 的收发器节点负责网络管理和数据转发，并且能够进行数据信号的简单处理， 判断设备故障原因，如果收发器节点能够与p c 机直接通信，则它可以将设备数 据信号直接上传的p c 机，由p c 机进行处理。 动号一一动号一 一动号 振信一 一振信一 一振信 备测一 一备测一 一备测 设检一一设检一 一设检 2 系统总体结构设计 2 2 监测系统的各部分结构功能分析 2 2 1 传感器节点的功能分析 根据设备监测系统的现场实际应用情况，采用c c 2 4 3 0 作为传感器节点的微 处理器和无线通信模块，传感器节点主要是安装到监测区域机器设备所需要的 监测点上面，只完成系统的一部分功能，所以硬件也比较简单。 ( 1 ) 信息收发功能：主要实现与收发器节点的通信，采用c c 2 4 3 0 无线通信 芯片作为硬件收发模块，将采集的可能有问题振动数据波形发送给收发器节点， 并且接受收发器节点的数据传输命令。 ( 2 ) 信息存储功能：这里数据存储功能主要是存储一组当前波形数据。 ( 3 ) 信息采集功能：节点的数据采集主要是完成监测区域内面被监控对象的 振动波形数据采集，通过加速度传感器感知监测点的信息变化，把机械量转化 为电信号，引发微型处理器的中断，然后把采集的数据加工处理，必要的时候 转发。 2 2 2 收发器节点的功能分析 通过对z i g b e e 星型网络的研究，以及对国内其他高校的一些研究实例的借 鉴，根据本文中所设计的无线监测系统的现场应用特点，收发器微处理器采用 $ 3 c 6 4 1 0 处理器，收发器节点硬件功能图如2 3 所示，节点主要需要实现以下功 能n 引：信息收发功能，串行通信功能，数据存储功能，人机交互界面，数据处 理功能。 图2 3 传感器节点硬件功能图 1 2 2 系统总体结构设计 1 信息收发功能： 要实现与传感器节点通信，它必须具有信息传输和发送功能，硬件实现采 用c c 2 4 2 0 无线通信收发模块，微处理器选用的是a r m ll ，通过处理器的s p i 协 议接口，控制c c 2 4 2 0 芯片的信息收发。 2 串行通信功能： 现在工业现场中最常用的串行通信是r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 的标准，在本文的 设计中硬件平台提供的串行功能是一个r s 一2 3 2 接口，可以基本满足工业现场的 实际应用。 3 数据处理功能： 采用功能强大a r m il 微处理器s 3 c 6 4 1 0 ，收发器节点能够将采集到的振动数 据波形进行频谱分析，采用一些信号处理方法，来分析监测设备的故障原因。 4 人机交互界面： 人机交互界面是指监测系统操作者可以通过一些输入设备来控制这个系统 的运行，向系统发出控制指令，这些输入设备有键盘、显示屏、鼠标等。 5 数据存储功能： 收发器节点的设计涉及两种存储器，它们分别是1 2 8 m 字节的m o b i l ed d r 内存和1 g 字节的n a n df l a s h ，n a n df l a s h 存储器在收发器节点中的应用主要 是存放内核代码、无线通信应用程序、文件资料以及一些数据资料。 2 3 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络的特点以及z i g b e e 技术的几种网络拓扑结 构，选择z i g b e e 星型网络作为设备状态监测系统的网络模型，重点分析了基于 z i g b e e 技术的无线设备状态监测系统硬件总体设计，分别给出了传感器节点和 收发节点各自在系统中的功能。 1 3 3 传感器节点硬件设计 3 传感器节点硬件设计 传感器节点被称为“智能尘埃”，其功能是感知、采集、传输被监测对象的 信息，在整个无线设备状态监测系统中起着非常重要的作用。本章主要讲述了 传感器节点的硬件设计以及节点设计应该考虑的因素，介绍了对传感器模块、 无线通信模块、微处理器等器件的选择，以及对外围接口电路和电源模块的设 计，画原理图。 3 1 节点设计原则 1 节点设计需要低成本：一般在一个监控区域内对设备进行多点的振动数 据采集，需要数量众多传感器节点。所以，在设计传感器节点拍1 的时候考虑它的 成本是很重要的。 2 节点低功耗设计：本设计中的传感器节点一般用在那些人不能经常接触 环境复杂的地方，用电池供电，不便于经常更换电池。这就要求在设计节点电 源的时候，尽量采用低功耗原则，延长节点使用寿命。 3 轻量化：传感器节点的体积应该设计的尽量小巧，确保对监测对象的特 性不会造成过多的影响，而且传感器节点太大了也不便于安装，影响整个监测 系统的功能。 4 扩展性和灵活性：传感器节点需要对节点外部接口制定统一的标准，在 由于功能需要而添加新的部件的时候可以直接添加，而不必要开发新的数据采 集节点。 5 安全性以及稳定性：无线设备状态监测系统中的每个传感器节点都应该 满足在给定的温度、湿度、压力等外部环境下，而且节点的处理器、传感器、 电源模块都能正常的工作，同时传感器节点各个部件都要保证工作在各自的量 程范围内以保证监测系统的正常运行。 1 4 3 传感器节点硬件设计 3 2 传感器节点设计 3 2 1传感器节点硬件结构 传感器节点采用加速度传感器、电源模块、c c 2 4 3 0 无线传输芯片几个部分 组成，其结构如图3 1 所示。 图3 i 传感器节点硬件框图 3 2 2 传感器的选择 在本文的传感器节点的设计中，需要采集的数据是机械设备的振动数据， 因此采用一款专门用于振动分析机械故障检测的可编程数字振动传感器 a d i s l 6 2 2 0 。 a d i s l 6 2 2 0 是一款集业界领先的i m e m s 检测技术与信号处理、数据捕获、串 行外设接口s p i 于一体的数字振动传感器。利用s p i 和数据缓冲结构，可以方 便地访问宽带传感器的数据，是一款智能化的传感器。其主要应用在机械振动 分析、状态监控、机械健康状态诊断等领域。2 2 k h z 的传感器谐振和1 0 0 2 k s p s 采样速率可针对大多数机器健康状况监测提供充分的响应。数据采样系统由内 部时钟驱动，数据捕获功能可以提供三种不一样的触发模式。第一种是自动数 据采集模式，它根据可编程的占空比定期唤醒并捕获数据，第二种是手动数据 捕获模式，它允许用户启动数据捕获，从而实现功耗和读取速度优化。第三种 是事件捕获模式，它会持续的更新缓冲器，察看预设的触发条件出现与否。这 1 5 3 传感器节点硬件设计 种模式能捕获事前数据和事后数据，并产生指示用来激活一个中断。 可编程数字传感器a d i s l 6 2 2 0 特性如下： 1 2 2 k h z 的传感器谐振宽带； 2 i 0 0 2 ks p s 采样速率； 3 s p i 兼容型串口接口； 4 可编程数字捕获功能：3 个通道，每个通道1 0 2 4 个样本，1 个加速计2 个a d c ： 5 数字控制采样输出，数字控制频率相应； 6 数字激活自测功能，数字激活低功耗模式； 7 单电源供电，3 1 5 v 到3 6 v ： 8 工作温度范围，- 4 0 到+ 1 2 5 ； a d i s l 6 2 2 0 主要应用于振动分析、冲击检测和事件捕获，机械设备状态监控， 机械设备健康状态监测，仪器仪表的检测诊断，安全、关断检测，安保检测， 防窃电检测等工业领域。 传感器引脚配置和功能描述如图3 2 以及表3 1 所示； s c l k d o u t d i n c s 图3 2 传感器芯片引脚配置 1 6 a l n 2 n c n c r s t 3 传感器节点硬件设计 表3 1 传感器芯片各引脚功能 量l 艘绱呈 互i 艘名整 耋型塾篚垫述 1 s c l k s p i串行时钟 2 d o u t o数据输出 3d i ni 数据输入 4c si 片选 sd 1 0 1 v o数字输入输出 6d 1 0 2 i o 数字输入输出 7 891 1n c n a 不连接 9 r s t i复位低电平有效 1 2 a i n 2 i模拟输入通道2 1 3v d ds 电源3 3 v 1 4a i n li 模拟输入通道1 1 5v r e fo 两个通道的基准电压 1 6g n ds地 s 表示电源；o 是表示输出；i 表示输入：i 0 表示输入输出； 当c s 为低电平的时候，d o u t 为输出，相反，d o u t 处于高阻抗模式。 a d i s l 6 2 2 0 通过s p i ( 串行外设接口) 进行通信，因此利用s p i 可以与嵌入 式微处理器进行简单的连接通信，连接图如图3 3 所示。凭借两个通用线路， 该器件可提供繁忙指示、报警指示、通用输入输出等选项。 m c ua d i s l 6 2 2 0 b s c l ks c l k m o s i d i n m i s 0 d o u t l r c t l d 1 0 1 i r q 2 d 1 0 2 图3 3 传感器与微处理器连接简图 3 2 3 c c 2 4 3 0 片上系统节点设计 传感器节点为了实现通信功能采用了微处理器和无线收发模块集成的 c c 2 4 3 0 芯片，这种解决方案不但能够提高节点性能而且能够满足节点对低成本， 低功耗的需求，以及符合以z i g b e e 技术为基础的2 4 g h z i s m 波段应用。该芯片 1 7 3 传感器节点硬件设计 结合了一个高性能的2 4 g h zd s s s ( 直接序列扩频) 的射频收发器核心和一颗小 巧高效的加强工业级8 位8 0 5 1 控制器内核，该芯片的运行时钟为3 2 m h z 。因为 c c 2 4 3 0 的执行时间更快，它的内核性能是标准8 0 5 1 内核性能的8 倍。乜1 选用 c c 2 4 3 0 来设计传感器节点，不仅能使设计的节点体积小、价格便宜，而且有比 较好的抗干扰能力，此外还可以利用t i 公司的z s t a c k 协议，对进行基于z i g b e e 技术的设备监测系统的应用研究带来的巨大的帮助，简单易行，对于陌生的开 发者来说，比较容易上手。 c c 2 4 3 0 的功能模块结构图如图3 4 所示。在c c 2 4 3 0 内部集成有8 k 字节的 静态r a m ，在r a m 存储器中有4 k 字节的部分是低功耗的s r a m 。由c c 2 4 3 0 的3 2 k 与m 1 眦1 6 4 k 的片内的f l a s h 提供可编程的非易失性存储器。c c 2 4 3 0 芯片集成了 一个1 6 m h zr c 振荡器，一个3 2 m h z 的晶体振荡器，一个可选的3 2 7 6 8 k h z 的晶 体振荡器和一个可选的3 2 7 6