摘 要： 針對現(xiàn)有震動偵測節(jié)點存在的體積大、電路復雜,、功耗大和不易組網(wǎng)等問題,，提出了基于CC2530的震動偵測節(jié)點設計方案。該方案采用VBS061100型震動與傾斜傳感器,，實現(xiàn)了對震動信息的采集和預處理,；采用CC2530作為主控芯片，控制節(jié)點的信息采集,、處理和發(fā)送,。實驗結(jié)果表明，該節(jié)點能夠很好地實現(xiàn)對震動的偵測,，具有靈敏度高,、成本低、布設方便,、功耗低,、抗毀性強的特點，應用前景很好,。
關鍵詞： 震動偵測,；CC2530；VBS061100
在日常生活中,，風力,、車輛運動、海浪等原因?qū)е碌恼饎硬豢杀苊?，會對一些大型土木工程（如橋梁,、高樓、海洋平臺等）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，所以對震動的實時偵測成為了建筑業(yè)的一個重要問題,。目前,，震動偵測常用的加速度傳感器有：MEMS振動加速度傳感器，機械式振動加速度傳感器,，壓電,、光纖式振動加速度傳感器,。其中，MEMS振動加速度傳感器又分為壓阻式和電容式兩種,；而光纖式振動加速度傳感器雖然精度高,，但同時具有體積大、電路復雜,、能耗高的缺點,，不適合現(xiàn)場長時間應用[1-4]。本文設計了一種基于CC2530的低成本,、低能耗,、布設方便的無線式震動偵測節(jié)點，使得長時間無人值守的震動偵測成為現(xiàn)實,。
1 節(jié)點硬件設計
1.1 節(jié)點硬件結(jié)構
為方便偵測節(jié)點的擴展和維修等問題,，節(jié)點硬件采用模塊化的設計方案。節(jié)點硬件由射頻收發(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)模塊負責節(jié)點間通信,；處理器模塊負責對節(jié)點進行控制管理；傳感器模塊負責采集震動信息并進行壓縮編碼,；電源模塊負責各個模塊的供電[5],。
1.2 硬件具體設計
1.2.1 傳感器模塊設計
震動傳感器是震動偵測節(jié)點的重要組成部分，其好壞決定了震動偵測節(jié)點是否能夠精確采集震動信息,。在綜合考慮傳感器的能耗,、體積、成本和穩(wěn)定性等因素的基礎上,，本設計采用了VBS061100型震動與傾斜傳感器,。該傳感器結(jié)構簡單，通過震動與傾斜來控制電路開關,，并輸出二進制信號,，具有體積小、能耗低,、價格便宜等優(yōu)點,。傳感器模塊的電路設計如圖2所示,。
1.2.2 處理器模塊設計
本設計處理器模塊采用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的各種應用,，內(nèi)置高性能的RF收發(fā)器與一個增強型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)構及外圍電路如圖3所示。
1.2.3 射頻收發(fā)模塊
本設計的射頻收發(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,。本設計選用兩個晶振確保CC2530無線發(fā)射/接收電路正常工作，其中,，主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振,，由XTAL1及電容C221和C231組成；32.768 kHz時鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成,，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用,。
1.2.4 電源模塊設計
電源模塊為節(jié)點的運行提供所需的能量。電源設計的合理性至關重要,，其性能的好壞直接影響到電路干擾的大小及整個節(jié)點的可靠性,、穩(wěn)定性、散熱性,、持續(xù)性和可恢復性,。電源模塊的設計思想在于利用有限的電能以有效的方式為節(jié)點供電并管理節(jié)點電能消耗，使電池的功效能夠充分發(fā)揮,，確保感知節(jié)點在所有可能條件下無缺陷工作并處于最優(yōu)狀態(tài),，簡單地說就是降低能量消耗，延長電源工作時間,，更有效地使用設備,。為便于偵測節(jié)點的攜帶及維護，節(jié)點采用兩節(jié)1.5 V干電池進行供電,。
2 節(jié)點軟件設計
2.1 軟件開發(fā)平臺
本節(jié)點的軟件設計平臺采用Windows操作系統(tǒng),。軟件開發(fā)使用IAR Embedded Workbench for MCS-51,、Microsoft Visual 6.0、SmartRF Flash Programmer,。IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開發(fā)環(huán)境是一款針對51處理器的C/C++開發(fā)工具,，可為用戶提供一個易學且具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境以及對大多數(shù)和特殊目標的支持，主要撰寫語言為C語言,，可直接透過軟件本身進行燒錄,。Microsoft Visual 6.0是微軟推出的一款C++編譯器，是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境,，主要負責上位機界面的開發(fā),。SmartRF Flash Programmer是TI公司推出的一款ZigBee燒錄軟件，可用來為ZigBee模塊燒錄程序及IEEE地址,。
2.2 軟件流程圖
震動偵測節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示,。節(jié)點供電后進入監(jiān)測狀態(tài)，對震動信號進行偵測,，如果收到結(jié)果為TRUE,，則發(fā)出報警信號；如果收到結(jié)果為FALSE,，則繼續(xù)進行偵測,。
2.3 軟件程序
由于VBS061100型震動與傾斜傳感器結(jié)構簡單，輸出信號僅有兩種狀態(tài),，因此軟件程序也相應簡單,，僅需對輸入信號進行簡單判定，減少了語句的使用,，降低了節(jié)點能耗,，提高了節(jié)點的壽命。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 實驗測試
3.1 節(jié)點功能測試
為驗證節(jié)點的工作性能,，在實驗室環(huán)境下模擬了震動的發(fā)生,，并通過與震動偵測節(jié)點相配套的上位機軟件對節(jié)點進行了測試。節(jié)點供電并工作后，開始偵測震動狀況,，若無異常,，報警信號將以綠燈表示正常,，同時信號顯示為0,；若發(fā)生震動且被系統(tǒng)判定為危險時,，報警信號將以紅燈表示異常,，同時信號顯示為1。
3.2 節(jié)點性能測試
本文主要測試了震動測試節(jié)點的功耗和傳輸距離兩個主要性能,。
節(jié)點功耗決定了節(jié)點的使用壽命,，是節(jié)點設計的一個重要指標。由于CC2530在不同拓撲結(jié)構及不同信息負載時功耗不同,，因此只能對其功耗進行估算,，如表1所示。
由表1可計算出節(jié)點一小時總功耗為：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)點的功耗約為1 mW,，可以滿足節(jié)點長時間、連續(xù)工作的要求,。
經(jīng)實驗測試,，本節(jié)點的通信距離可達250 m，能夠滿足對大型土木工程的偵測需求,。
本文對于無人值守情況下的震動偵測進行了研究,，針對目前存在的震動偵測技術的不足進行了分析，選取了先進的處理器和震動傳感器,，編寫了軟件代碼,。設計的基于CC2530的震動偵測節(jié)點具有低功耗、低成本,、布設方便,、抗毀性強、通信距離遠等優(yōu)點,，可以廣泛應用于大型土木工程及精密儀器的震動偵測,，擁有較為廣闊的應用空間。
參考文獻
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