摘 要： 針對現有震動偵測節點存在的體積大、電路復雜、功耗大和不易組網等問題，提出了基于CC2530的震動偵測節點設計方案。該方案采用VBS061100型震動與傾斜傳感器，實現了對震動信息的采集和預處理；采用CC2530作為主控芯片，控制節點的信息采集、處理和發送。實驗結果表明，該節點能夠很好地實現對震動的偵測，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、海浪等原因導致的震動不可避免，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，甚至造成不可逆轉的破壞，所以對震動的實時偵測成為了建筑業的一個重要問題。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點，使得長時間無人值守的震動偵測成為現實。
1 節點硬件設計
1.1 節點硬件結構
為方便偵測節點的擴展和維修等問題，節點硬件采用模塊化的設計方案。節點硬件由射頻收發模塊、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。射頻收發模塊負責節點間通信；處理器模塊負責對節點進行控制管理；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點的重要組成部分，其好壞決定了震動偵測節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，內置高性能的RF收發器與一個增強型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定性，獲取芯片的最佳性能，輸入電壓應采用調制后的3.3 V穩壓電源，接內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。其芯片結構及外圍電路如圖3所示。
1.2.3 射頻收發模塊
本設計的射頻收發模塊為滿足通信協議、調制方式、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點的可靠性、穩定性、散熱性、持續性和可恢復性。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點供電并管理節點電能消耗，使電池的功效能夠充分發揮，確保感知節點在所有可能條件下無缺陷工作并處于最優狀態，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。為便于偵測節點的攜帶及維護，節點采用兩節1.5 V干電池進行供電。
2 節點軟件設計
2.1 軟件開發平臺
本節點的軟件設計平臺采用Windows操作系統。軟件開發使用IAR Embedded Workbench for MCS-51、Microsoft Visual 6.0、SmartRF Flash Programmer。IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開發環境是一款針對51處理器的C/C++開發工具，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環境以及對大多數和特殊目標的支持，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操作系統的可視化集成開發環境，主要負責上位機界面的開發。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
震動偵測節點的軟件流程圖如圖4所示。節點供電后進入監測狀態，對震動信號進行偵測，如果收到結果為TRUE，則發出報警信號；如果收到結果為FALSE，則繼續進行偵測。
2.3 軟件程序
由于VBS061100型震動與傾斜傳感器結構簡單，輸出信號僅有兩種狀態，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，降低了節點能耗，提高了節點的壽命。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 節點功能測試
為驗證節點的工作性能，在實驗室環境下模擬了震動的發生，并通過與震動偵測節點相配套的上位機軟件對節點進行了測試。節點供電并工作后，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；若發生震動且被系統判定為危險時，報警信號將以紅燈表示異常，同時信號顯示為1。
3.2 節點性能測試
本文主要測試了震動測試節點的功耗和傳輸距離兩個主要性能。
節點功耗決定了節點的使用壽命，是節點設計的一個重要指標。由于CC2530在不同拓撲結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。因此可得節點的功耗約為1 mW，可以滿足節點長時間、連續工作的要求。
經實驗測試，本節點的通信距離可達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的震動偵測節點具有低功耗、低成本、布設方便、抗毀性強、通信距離遠等優點，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
[1] 郭斌，李昕欣．無線傳感網用振動加速度傳感器幾點探索[Ｊ]．今日電子，2007（3）：64-66．
[2] 李志瑞，喻言，周雷，等．無線低頻振動檢測系統的研制與實驗研究[Ｊ]．物聯網技術，2011（6）：37-40．
[3] 余鳴．基于無線傳感網絡的橋梁結構振動檢測系統[Ｊ]．科技通報，2012，28（8）：165-167．
[4] 王春茂．無線傳感網絡在橋梁健康檢測中的新應用[Ｊ]．計算機與現代化，2011（1）：145-148．
[5] 劉軍，張金榜，于湘珍，等．基于CC2530的脈搏感知節點設計[Ｊ]．電子技術應用，2013，39（1）：34-46．