摘 要：针对现有震动侦测节点存在的体积大、电路复杂、功耗大和不易组网等问题，提出了基于CC2530的震动侦测节点设计方案。该方案采用VBS061100型震动与倾斜传感器，实现了对震动信息的采集和预处理；采用CC2530作为主控芯片，控制节点的信息采集、处理和发送。实验结果表明，该节点能够很好地实现对震动的侦测，具有灵敏度高、成本低、布设方便、功耗低、抗毁性强的特点，应用前景很好。
关键词：震动侦测；CC2530；VBS061100
在日常生活中，风力、车辆运动、海浪等原因导致的震动不可避免，会对一些大型土木工程（如桥梁、高楼、海洋平台等）及一些精密仪器造成一定的影响，缩短其寿命，甚至造成不可逆转的破坏，所以对震动的实时侦测成为了建筑业的一个重要问题。目前，震动侦测常用的加速度传感器有：MEMS振动加速度传感器，机械式振动加速度传感器，压电、光纤式振动加速度传感器。其中，MEMS振动加速度传感器又分为压阻式和电容式两种；而光纤式振动加速度传感器虽然精度高，但同时具有体积大、电路复杂、能耗高的缺点，不适合现场长时间应用[1-4]。本文设计了一种基于CC2530的低成本、低能耗、布设方便的无线式震动侦测节点，使得长时间无人值守的震动侦测成为现实。
1 节点硬件设计
1.1 节点硬件结构
为方便侦测节点的扩展和维修等问题，节点硬件采用模块化的设计方案。节点硬件由射频收发模块、处理器模块、传感器模块和电源模块4部分组成，如图1所示。射频收发模块负责节点间通信；处理器模块负责对节点进行控制管理；传感器模块负责采集震动信息并进行压缩编码；电源模块负责各个模块的供电[5]。
1.2 硬件具体设计
1.2.1 传感器模块设计
震动传感器是震动侦测节点的重要组成部分，其好坏决定了震动侦测节点是否能够精确采集震动信息。在综合考虑传感器的能耗、体积、成本和稳定性等因素的基础上，本设计采用了VBS061100型震动与倾斜传感器。该传感器结构简单，通过震动与倾斜来控制电路开关，并输出二进制信号，具有体积小、能耗低、价格便宜等优点。传感器模块的电路设计如图2所示。
1.2.2 处理器模块设计
本设计处理器模块采用TI公司生产的CC2530芯片。该芯片完全支持IEEE 802.15.4、ZigBee2007、ZigBeePRO和RF4CE的各种应用，内置高性能的RF收发器与一个增强型8051微处理器，8 KB的RAM，256 KB闪存。CC2530是首款符合ZigBee和RF4CE相容协议的芯片，拥有出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。为提高芯片工作的稳定性，获取芯片的最佳性能，输入电压应采用调制后的3.3 V稳压电源，接内部参考电压的外围电阻R301精度要在0.5%以上，且在电源处加入去耦电容。其芯片结构及外围电路如图3所示。
1.2.3 射频收发模块
本设计的射频收发模块为满足通信协议、调制方式、通信频段等条件，采用了单级子不平衡天线，配合分立电感（C252、C262）和分立电容（L252、L262）组成的输入/输出电路，满足了天线的阻抗为50 Ω的匹配要求。本设计选用两个晶振确保CC2530无线发射/接收电路正常工作，其中，主时钟晶振采用32 MHz无源晶振，由XTAL1及电容C221和C231组成；32.768 kHz时钟晶振由XTAL2及电容C321和C331组成，用于低睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。
1.2.4 电源模块设计
电源模块为节点的运行提供所需的能量。电源设计的合理性至关重要，其性能的好坏直接影响到电路干扰的大小及整个节点的可靠性、稳定性、散热性、持续性和可恢复性。电源模块的设计思想在于利用有限的电能以有效的方式为节点供电并管理节点电能消耗，使电池的功效能够充分发挥，确保感知节点在所有可能条件下无缺陷工作并处于最优状态，简单地说就是降低能量消耗，延长电源工作时间，更有效地使用设备。为便于侦测节点的携带及维护，节点采用两节1.5 V干电池进行供电。
2 节点软件设计
2.1 软件开发平台
本节点的软件设计平台采用Windows操作系统。软件开发使用IAR Embedded Workbench for MCS-51、Microsoft Visual 6.0、SmartRF Flash Programmer。IAR Embedded Workbench for MCS-51集成开发环境是一款针对51处理器的C/C++开发工具，可为用户提供一个易学且具有最大量代码继承能力的开发环境以及对大多数和特殊目标的支持，主要撰写语言为C语言，可直接透过软件本身进行烧录。Microsoft Visual 6.0是微软推出的一款C++编译器，是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境，主要负责上位机界面的开发。SmartRF Flash Programmer是TI公司推出的一款ZigBee烧录软件，可用来为ZigBee模块烧录程序及IEEE地址。
2.2 软件流程图
震动侦测节点的软件流程图如图4所示。节点供电后进入监测状态，对震动信号进行侦测，如果收到结果为TRUE，则发出报警信号；如果收到结果为FALSE，则继续进行侦测。
2.3 软件程序
由于VBS061100型震动与倾斜传感器结构简单，输出信号仅有两种状态，因此软件程序也相应简单，仅需对输入信号进行简单判定，减少了语句的使用，降低了节点能耗，提高了节点的寿命。软件程序如下：
M180_Init（）；
M180_Enable（）；
while （TRUE）
{
halMcuWaitMs（200）；
halLedToggle（7）；
val=M180_GetValue（）；
pTxData[0]=val+′0′；
basicRfSendPacket（RECV_ADDR， pTxData，1）；
}
3 实验测试
3.1 节点功能测试
为验证节点的工作性能，在实验室环境下模拟了震动的发生，并通过与震动侦测节点相配套的上位机软件对节点进行了测试。节点供电并工作后，开始侦测震动状况，若无异常，报警信号将以绿灯表示正常，同时信号显示为0；若发生震动且被系统判定为危险时，报警信号将以红灯表示异常，同时信号显示为1。
3.2 节点性能测试
本文主要测试了震动测试节点的功耗和传输距离两个主要性能。
节点功耗决定了节点的使用寿命，是节点设计的一个重要指标。由于CC2530在不同拓扑结构及不同信息负载时功耗不同，因此只能对其功耗进行估算，如表1所示。
由表1可计算出节点一小时总功耗为：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。因此可得节点的功耗约为1 mW，可以满足节点长时间、连续工作的要求。
经实验测试，本节点的通信距离可达250 m，能够满足对大型土木工程的侦测需求。
本文对于无人值守情况下的震动侦测进行了研究，针对目前存在的震动侦测技术的不足进行了分析，选取了先进的处理器和震动传感器，编写了软件代码。设计的基于CC2530的震动侦测节点具有低功耗、低成本、布设方便、抗毁性强、通信距离远等优点，可以广泛应用于大型土木工程及精密仪器的震动侦测，拥有较为广阔的应用空间。
参考文献
[1] 郭斌，李昕欣．无线传感网用振动加速度传感器几点探索[Ｊ]．今日电子，2007（3）：64-66．
[2] 李志瑞，喻言，周雷，等．无线低频振动检测系统的研制与实验研究[Ｊ]．物联网技术，2011（6）：37-40．
[3] 余鸣．基于无线传感网络的桥梁结构振动检测系统[Ｊ]．科技通报，2012，28（8）：165-167．
[4] 王春茂．无线传感网络在桥梁健康检测中的新应用[Ｊ]．计算机与现代化，2011（1）：145-148．
[5] 刘军，张金榜，于湘珍，等．基于CC2530的脉搏感知节点设计[Ｊ]．电子技术应用，2013，39（1）：34-46．