摘  要： 針對現(xiàn)有震動偵測節(jié)點存在的體積大、電路復(fù)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(shè)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(yù)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(shè)方便、功耗低、抗毀性強(qiáng)的特點，應(yīng)用前景很好。
關(guān)鍵詞： 震動偵測；CC2530；VBS061100

　在日常生活中，風(fēng)力、車輛運動、海浪等原因?qū)е碌恼饎硬豢杀苊猓瑫σ恍┐笮屯聊竟こ蹋ㄈ鐦蛄?、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(jī)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(fù)雜、能耗高的缺點，不適合現(xiàn)場長時間應(yīng)用[1-4]。本文設(shè)計了一種基于CC2530的低成本、低能耗、布設(shè)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(shè)計
1.1 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
　為方便偵測節(jié)點的擴(kuò)展和維修等問題，節(jié)點硬件采用模塊化的設(shè)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(fù)責(zé)節(jié)點間通信；處理器模塊負(fù)責(zé)對節(jié)點進(jìn)行控制管理；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集震動信息并進(jìn)行壓縮編碼；電源模塊負(fù)責(zé)各個模塊的供電[5]。

1.2 硬件具體設(shè)計
1.2.1 傳感器模塊設(shè)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(chǔ)上，本設(shè)計采用了VBS061100型震動與傾斜傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，通過震動與傾斜來控制電路開關(guān)，并輸出二進(jìn)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(shè)計如圖2所示。

1.2.2 處理器模塊設(shè)計
　本設(shè)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(yīng)用，內(nèi)置高性能的RF收發(fā)器與一個增強(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(shè)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(yīng)用。
1.2.4 電源模塊設(shè)計
　電源模塊為節(jié)點的運行提供所需的能量。電源設(shè)計的合理性至關(guān)重要，其性能的好壞直接影響到電路干擾的大小及整個節(jié)點的可靠性、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(shè)備。為便于偵測節(jié)點的攜帶及維護(hù)，節(jié)點采用兩節(jié)1.5 V干電池進(jìn)行供電。
2 節(jié)點軟件設(shè)計
2.1 軟件開發(fā)平臺
　本節(jié)點的軟件設(shè)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(xué)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(biāo)的支持，主要撰寫語言為C語言，可直接透過軟件本身進(jìn)行燒錄。Microsoft Visual 6.0是微軟推出的一款C++編譯器，是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境，主要負(fù)責(zé)上位機(jī)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(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，對震動信號進(jìn)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(jìn)行偵測。

2.3 軟件程序
　由于VBS061100型震動與傾斜傳感器結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號僅有兩種狀態(tài)，因此軟件程序也相應(yīng)簡單，僅需對輸入信號進(jìn)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(jī)軟件對節(jié)點進(jìn)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(shè)計的一個重要指標(biāo)。由于CC2530在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及不同信息負(fù)載時功耗不同，因此只能對其功耗進(jìn)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(dá)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(jìn)行了研究，針對目前存在的震動偵測技術(shù)的不足進(jìn)行了分析，選取了先進(jìn)的處理器和震動傳感器，編寫了軟件代碼。設(shè)計的基于CC2530的震動偵測節(jié)點具有低功耗、低成本、布設(shè)方便、抗毀性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)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(yīng)用空間。
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