基于物联网的设备在线监管系统的传感器节点设计

1、基于物联网的设备在线监管系统的传感器节点设计    的选择2.1.4传感器节点构成框图数据采集节点构成如图4所示。各传感器通过I2C总线连接到MCU，由于CC2530MCU没有I2C硬件接口，所以在实现的过程中，通过P1_0和P1_1模拟I2C总线，完成对传感数据的采集。2.2传感器节点总体硬件框架其总体硬件框架如图5所示。节点硬件分成三个模块，电源板、MCU板（即摘要：针对大型企业生产线的每个机械设备都会出现疲劳或者损坏而监管难的特点，设计制作了基于物联网技术的设备监管系统的传感器节点，以便采集机械设备的运行数据（包括振动参量、温度、湿度参量），从而及

2、早发现并替换存在隐患的机械设备。关键词：物联网；复杂机械设备；在线监测；无线传感器网络；ZigBee1009-3044(2012)20-5000-03随着我国成为世界制造中心，尤其是对重工业城市重庆来说，加工制造企业大量内迁，各种企业保有大量机械设备，日常诊断和维护是一件非常繁重的任务。按照一个中型企业具有100台需要监测的设备计算，监测每台设备需要5-10个数据采集节点，那么，完成对该企业设备的在线实时监测需要节点500-1000个。如果每个企业都采用这种方式的话，其市场容量将会是一个天文数字。物联网技术作为一种新兴技术，整合传感器技术、通信技术及计算机技术，给解决机械设备的故障监测提供了技

3、术上的支撑。 1设备在线监管系统的设计方案、指标及原理设备在线监管系统的设计思想是:采用zigbee协议构建无线传感器网络，汇聚节点汇聚信息，并通过串口传输到嵌入式平台，完成对采集数据的分析处理，对设备进行实时监控。整个系统如图1所示。图1系统方案系统工作流程如图2所示。节点通过传感器Sensor采集相关信息（包括温度、湿度、加速度），进入节点的MCU，通过ZigBee网络汇聚到协调节点。协调节点对所收到的各终端节点进行数据融合，封装成一定的数据格式（后面有介绍），通过串行端口传递到嵌入式网关。嵌入式网关从协调节点的串口读取数据，对自定义协议进行解码，并在该嵌入式网关中构建TCP服务器及WEB

4、服务器，对收到的数据按照TCP/IP协议格式进行封装，并等待各终端节点的连接，嵌入式网关完成的功能相当于一个简单的物联网中间件。在终端上通过TCP连接网关，接收数据并进行实时分析和展示，并完成相关信息的告警及控制。 2传感器节点硬件设计2.1传感器节点工作原理2.1.1节点MCU选择对于机械振动的测试，需要把传感器节点安装在机械设备上，这就要求节点具有较小的体积和可靠的性能。考虑到本设计需要对大量数据进行处理，因此，考虑使用数据存储器和程序存储器偏大的微控制芯片。其次，本系统需要对多组模拟量进行采集分析，考虑到构造最小系统的条件约束，同时为了简化系统电路，提高系统稳定性，因此在微控制芯片选择时

5、，需要考虑一个具有内部集成模拟/数字转换的MCU。综合以上因素，我们选择了Texas Instruments公司的CC2530F256作为MCU。CC2530功能模块见图3所示。CC2530基于MEMS制造技术，把微处理器（内部集成增强型8051核），存储器和射频前端芯片整合在一起，那么制作出来的数据采集节点体积小，安装在待测设备的不同部位，能够实时体现该设备的运行状态，能反应设备的真实运行状况。具有超大容量RAM和超大容量程序存储器，同时具有12位高精度和高速A/D转换，满足本设计对微处理器的要求，而且，其大容量的存储器为本设计升级和增加功能、使用性质改变提供了足够空间，避免系统升级后造成主

6、控芯片更换而带来的硬件浪费和不必要放入软件开发费用，这样的选择符合资源冗余原则。图3 CC2530功能框图2.1.2振动传感器选择目前市场上的加速度传感器有单轴、双轴和三轴加速度传感器三种，因为对机械设备的监测应该检测空间上不同方向上的及速度，才能准确反映出设备的运行状态，因此考虑三轴加速度传感器。美国模拟器件公司(ADI)的ADXL345ACCZ加速度传感器正是基于IMEMS技术，具有经过认证的质量和可靠性。比同类器件的功耗典型值低50%，待机电流0.2uA，工作电流23uA是同类器件中功耗最低的产品。ADXL345ACCZ是一种带有信号调理电路提供数字电压输出(I2C输出)的小量程、小外形

7、、低功耗的3轴加速度计。2.1.3温度湿度模块的选择2.1.4传感器节点构成框图数据采集节点构成如图4所示。各传感器通过I2C总线连接到MCU，由于CC2530MCU没有I2C硬件接口，所以在实现的过程中，通过P1_0和P1_1模拟I2C总线，完成对传感数据的采集。2.2传感器节点总体硬件框架其总体硬件框架如图5所示。节点硬件分成三个模块，电源板、MCU板（即CC2530板）以及传感器板。其中电源板完成DC-DC变换，为传感器板和CC2530板提供3.3V、5V两种电压，同时也完成传感器节点电源管理功能。MCU板完成数据处理、MAC协议、网络协议的加载和运行，并驱动射频收发模块进行无线通信。传

8、感器板完成传感器数据的采集。 3传感器节点软件设计3.1传感器节点软件采用TI的Z-STACK协议栈。该协议栈实现了IEEE802.15.4以及ZigBee协议。开发工具为IAR EW8051 7.51A。3.2 Z-STACK协议栈Z-STACK协议栈大概按照网络协议分层。APP（Application Programming）：应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个摘自：7彩论文网硕士论文开题报告目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议栈里面一般是以操作系统的任务实现的。HAL（Hardware (H/W)Abstraction Layer）：硬件层目录，包含有与硬

9、件相关的配置和驱动及操作函数。MAC：MAC层目录，包含了MAC层的参数配置文件及其MAC的LIB库的函数接口文件。MT（Monitor Test）：实现通过串口可控各层，于各层进行直接交互。NWK（ZigBee Network Layer）：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS层库的函数接口OSAL（Operating System (OS) Abstr。    网络中的第一个开始的设备，也可以说成是一个ZB网路的建立或者是启动网路的设备。通常情况下，协调器节点若要开始建立一个网络，首先必须要选择一个信道以及一个网络标志符号

10、（同时这也被叫做PANID）。除此之外，在网络中，协调器设备还有其他的用途，比如网络中的绑定的构建以及安全机制的构建等。注意事项：在网络中，协调器的action Layer）：协议栈的操作系统。Profile：AF（Application work）层目录，包含AF层处理函数文件。Security：安全层目录，安全层处理函数，比如加密函数等。Services：地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。Tools：工程配置目录，包括空间划分及ZStack相关配置信息。ZDO（ZigBee Device Objects）：ZDO目录。ZMac：MAC层目录，包括MAC层参数配置及MAC

11、层LIB库函数回调处理函数。ZMain：主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。Output：输出文件目录，这个EW8051 IDE自动生成的。3.2.1 Zigbee网络中的节点通常情况下，在ZigBee网络中，每一个节点都是有属于自己制定的配置参数，因此能更好的确定其设备的各种类型，同样的在网络中也会有着不一样的任务。一般的，在属于多跳网络的ZB网络中，两个节点需要完成数据传输，可能需要经过其他中间节点的协助，所以节点的类型参数配置是非常必要的。对每个节点有两个任务：1）执行指定的网络功能函数2）配置确定的参数到指定的值。网络功能的设置确定了该节点的类型，参数配置和指定的值确定了堆栈的模式

12、。节点类型在ZigBee中，设备类型分为三类：协调器，路由器和终端设备。其中，协调器为黑色的节点。路由器为红色的节点，终端设备为白色的节点。在ZB网络中，协调器就是作为网络中的第一个开始的设备，也可以说成是一个ZB网路的建立或者是启动网路的设备。通常情况下，协调器节点若要开始建立一个网络，首先必须要选择一个信道以及一个网络标志符号（同时这也被叫做PAN ID）。除此之外，在网络中，协调器设备还有其他的用途，比如网络中的绑定的构建以及安全机制的构建等。注意事项：在网络中，协调器的主要是功能主要是构建一个网络和配置的性质参数。如若这些配置和参数一旦构建完成的话，那么协调器就只能是如同一个路由器了，

13、在网络中的其他操作都是不依赖于这个协调器的，造成这样是因为ZigBee是属于一个分布式的网络。通常情况下，路由器的主要功能分为三种：a.路由器作为一种很普通的设备被加入进网路中；b.多跳路由；c.路由器被作为一种辅助性的设备，帮助其他的子节点来完成通信。照常理来讲，路由器必须是要处于工作状态的，因此这就要求主干线对其进行供电（注意此类的供电与平常的电池供电是不一样的）。不过，在某些指定的网络结构中是可以采用日常电池供电，比如：我们生活中所见的“串树型”的网络模式中，由于该模式中是允许路由器进行周期性的运转的，因此可以使用电池进行供电的。为了更好的维持网络中最基本的正常运转，对终端设备是没有进行指定的责任。即在一个网络中，终端设备是没有比不缺少的性质。因此，终端设备是可以根据自己的功能需要进行唤醒