无线传感器网络智能振动监测节点设计

　　0 引言

　　无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)是一种无基础设施的无线网络, 它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术, 能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息, 并对这些数据进行处理, 获得详尽而准确的信息, 传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络特点之一就是数据的传输是通过无线电波方式。而一般的设备状态监测系统都是通过信号电缆来传输数据, 在有些工业现场难以实施、而且维护困难、信号干扰严重、系统扩展性差。因此需要设计一种通过无线方式传输数据的状态监测系统。无线传感器网络有着传统方法不可比拟的优势, 例如无线传感器网络的节点可以更方便地安装在被监测设备上, 能更好地达到监测目的; 其动态性网络的特性能够使监测系统方便地增删测点, 系统扩展性好。但无线传感器网络也有其局限性, 由于无线传感器网络的节点一般都是用电池供电, 电源能量有限, 因此在节点设计时, 确保功能实现的前提下要选择低功耗的元器件, 电路设计要考虑到低功耗原则; 同时在软件系统设计时也要注意, 尽量使节点在低功耗模式下运行, 数据处理算法要简单快速。本文就是基于低功耗原则设计一种无线传感器网络低频振动监测节点。根据现场实际需求, 节点主要实现以下技术指标: ①量程±5g(采用测加速度的方法); ②可测振动频率范围: DC-500Hz; ③节点可休眠, 休眠电流控制在μA 级; ④实现振动信号特征值及波形数据的无线发送。

　　1 节点总体方案设计

　　传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、簇头节点(cluster node)和汇聚节点(sink node)。传感器节点布置在监测对象上, 能够通过自组网的方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输, 最后通过簇头节点到达汇聚节点。本文建立在如图1 的无线传感器网络拓扑图上。节点可以按照被监测对象所在的区域分为不同的簇, 簇内的节点通过自己所在簇的簇头将数据发送到汇聚节点, 然后送到汇聚节点, 再送到上位机作进一步处理。

　　无线传感器网络节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成, 本文围绕低功耗原则设计一种用于机械设备状态监测的无线传感器网络节点

　　2 节点硬件设计

　　根据节点低功耗设计指标, 选用了朗斯测试技术有限公司的内装IC 应变加速度传感器LC0707- 3, 可直接与采集设备相连不用做信号放大; 处理器选ATMEL 公司的Atmega128L 作为节点的处理器, 该处理器作为无线传感器网络节点的处理器有运行速度快、芯片自带A/D 采集、可选的休眠模式等优点; 选择16Mbits 的串行Flash AT45DB161 作为存储芯片; 选Chipcon 公司的CC1100 芯片作为无线通信模块中的射频芯片。