數據采集技術是獲取信息的主要手段和方法，它是以傳感器技術、測試技術、電子技術和計算機技術等為基礎的一門綜合應用技術。常用的數據采集多采用傳感器，經過一定的數據變換與計算機通過串口或USB接口相連，由計算機讀取傳感器數值。隨著相關基礎技術的發展，以嵌入式計算機為核心的數據采集系統逐步形成，并占據了測控領域的統治地位[1]。振動量是測控應用中常要采集的一類數據，如機器的運行狀態、動物的運動量等，都可以通過振動量反應出來。在實際應用中，有線檢測往往出現布線困難、擴展性移植性差等問題，因此，無線檢測系統逐漸進入了工程人員視野，最值得期待的便是ZigBee無線網絡的應用。ZigBee技術主要應用在短距離小范圍內以及數據傳輸速率不高(20~250 kb/s)的各種電子設備之間，其典型的傳輸數據類型有周期性數據(如傳感器)、間歇性數據（如照明控制）和重復低反應時間數據(如鼠標)[2]。可以看出，ZigBee無線網絡應用于數據采集具有其先天優勢。
1 系統基本構架
    無線振動數據采集系統如圖1所示，左邊為無線傳感器網絡，右邊為數據采集終端。采集終端為一臺嵌入式計算機，負責接收傳感器數據并進行相關處理；外接一個ZigBee網絡的協調器節點，完成對無線網絡的管理。在傳感器網絡一端，各個傳感器均接有一個ZigBee節點，其中大部分功能屬于終端節點，在網絡需要的情況下，可將部分終端節點配置為路由節點使用，以支持不同的網絡拓撲結構。

2 硬件設計
    系統硬件設計包括三種模塊：ARM9處理器及其外圍支持電路為一塊完整的工業控制核心板；ZigBee網絡節點的各功能節點采用獨立的模塊，模塊上集成了射頻收發器及控制單片機；傳感器電路需自行設計，將制作成的電路板加接到ZigBee節點即可。
2.1 ARM9處理器及其外圍電路
    為了縮短系統的開發周期，設計中采用了成都某公司EM916x工業控制核心模塊。該核心模塊使用了一片AT91SAM9260的32位CPU，內存有32 MB和64 MB可選，板載有32 MB的Flash，用戶可使用其中的一半，并且還集成了標準的MiniSD卡插槽，即插即用，為終端數據的存儲提供了便利。在通信接口方面，EM9160配置了一路以太網接口，可用至多6路的標準UART串口，兩路USB主控接口等[3]。
    EM916x模塊緊湊的集成設計，豐富的接口資源大大減少了設計數據采集終端的工作量，用戶幾乎不用做更多的外圍電路設計，只需將要使用的接口按要求引出到標準接頭即可。
2.2 ZigBee無線開發套件
    本設計選擇了成都某公司的C51RF系列ZigBee無線開發系統套件。該套件提供ZigBee開發所需的全套軟硬件，包括ZigBee2006協議棧，完全滿足IEEE802.15.4標準和ZigBee技術標準。套件使用無線單片機CC2430，是一個真正的SoC解決方案，它內部結合了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻（DSSS）射頻收發器核心和一個工業級小巧高效的增強型8051控制器。CC2430具有性能高、功耗低、收發靈敏度高和抗干擾性強等特點，尤其是在休眠模式下，器件的功耗尚不到1 μA，以之構建無線傳感器網絡能夠在電池供電的情況下大大延長傳感器的使用時限[4]。
2.3 傳感器電路
    常用的振動傳感器分為壓電/駐極體/電磁型、彈簧型、機械接觸型等。CLA-3微型傳感器是一種采用新型高靈敏度傳感膜設計的全向振動傳感器。CLA-3的靈敏度可調，抗干擾性好，輸出為準數字信號，對于信號的后期處理相對比較簡單。使用時必須采用剛性連接，如使用粘結膠固定，以減小振源與傳感器之間的衰減[5]。圖2為本設計中使用的檢測電路，經過調理的振動傳感器信號輸出為方波，對方波進行計數即可獲得振動數據。

2.4 硬件集成
    集成后得到無線采集系統的硬件框圖如圖3所示。EM916x核心板與CC2430通過RS232串口相連，在核心板一端，除DEBUG串口外均可使用，而CC2430自帶兩個USART口，可使用其中任何一個；CAL-3傳感器與CC2430的連接相對簡單，只需將CAL-3應用電路的信號輸出端接入CC2430的一個數字I/O口，在程序中以中斷的方式讀取該I/O口的計數即可。
    ZigBee以獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、樹狀或網狀網絡，每個節點都擁有一個唯一的64 bit IEEE地址，而其功能并不完全相同。從組網通信上來說，半功能設備RFD（Reduced Function Device）只是其功能的一個子集；全功能設備FFD(Full Function Device)則與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用。無論采用哪種拓撲網絡，每個網絡都只能有唯一的協調器，它由全功能設備構成，相當于一臺服務器，負責對整個網絡的管理。FFD可作協調器、路由器以及終端節點使用，RFD只能用作終端節點。
    本設計中無線傳感網絡采用圖3所示的樹狀拓撲結構，與EM916x工控板相連的屬于FFD設備，作為網絡的協調器。而振動傳感器端既可以接RFD設備作為終端節點，也可以接FFD設備。與FFD設備相接的傳感器作為終端節點使用的同時，還具備路由功能，并能接收終端節點的入網請求，它類似于一臺有線網絡的路由器，通過中繼轉發及路由選擇，可大大擴展無線網絡的覆蓋范圍，提高通信穩定性以及網絡容量。

3 軟件設計
    EM916x核心板預裝了Win CE實時多任務操作系統，支持包括MFC在內的各種典型的Windows應用程序框架，可以方便地使用Embedded Visual C++開發各種應用程序。CC2430開發套件自帶了完整的ZigBee協議棧，使用IAR集成開發環境對協議棧工程文件進行管理，可以查看并修改整個協議棧的任意層源代碼。因此，軟件設計分為兩部分：Win CE下的應用程序設計和ZigBee協議棧的添加與修改。
3.1 Win CE應用程序設計
    應用程序駐留在EM916x核心板中，主要功能是負責打開連接協調器的串口，設置串口通信參數；初始化ZigBee無線網絡，查詢并返回網絡狀況，如是否建立成功、各種節點的狀態及數目等；監視串口接收協調器發來的數據幀；解碼數據幀讀取傳感器數值，并由EM916x核心板的調試串口打印出來。應用程序流程如圖4(a)所示。

3.2 ZigBee協議棧修改
    ZigBee協議棧完成了無線網絡初始化的絕大部分功能，代碼修改應謹慎對待。使用IAR集成開發工具打開ZigBee2006協議棧工程，找到ZMain工程目錄。打開后可以看到這是協議棧的主函數目錄，包括入口函數和硬件配置文件，在這里便可以添加自定的應用函數。
    無線網絡中三種節點的功能各不相同。協調器負責初始化無線網絡，等待子節點的入網，并接收子節點的數據幀，通過串口發送到主機，程序流程如圖4（b）所示。路由器與終端節點添加的應用函數功能相同，首先搜尋ZigBee網絡，并向網絡中的協調器或路由器申請加入網絡；初始化定時計數器，允許中斷，對振動傳感器的輸入方波進行計數，定時向父節點（即允許其入網的節點）發送計數值，圖4(c)為路由節點和終端節點的程序流程圖。路由器與終端節點只要在下載前選擇編譯即可。
4 系統仿真
    仿真軟件使用Lab View編寫，仿真界面如圖5所示。左側用于選擇ZigBee網絡協調器與核心板相連接的串口號、波特率及控制按鈕；右上部顯示的是終端節點采集到的振動數值，包括節點發送數值時間、節點編號、當前發送振動計數值及上一次發送的計數值。右下方為某個終端節點在一定時段內振動計數的波形圖，節點選擇在左下方的“奶牛編號”(原項目名稱)。圖5所顯示的是將傳感器套掛在奶牛脖子上實地采集到的振動數據。

    通過現場實驗證明，利用ZigBee無線網絡構建的數據采集系統具有非常好的準確性與實時性，而在擁有多個路由節點的網絡中，ZigBee網絡能夠得到非常大的延伸。通過實驗也發現了一個問題：當終端節點與地面的距離太近，大約小于30 cm時，節點與協調器之間的通信可靠性及通信距離大為降低，越接近地面，可靠通信距離就越短。后期采用的解決辦法是增大無線信號的發射功率，此時通信距離有所改觀，但這并不是一個好辦法，發射功率的增大意味著節點的電池壽命將縮短。
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，其應用領域愈來愈廣泛，如數字家庭中的自動抄表系統、室內無線定位及動物遠程監控等。本文中無線振動數據采集系統的傳感器如果設計成諸如自動抄表器、無線定位引擎等，便可應用于各種不同的場合。
參考文獻
[1] 李念強，魏長智，潘建軍，等．數據采集技術與系統設計[M]．北京：機械工業出版社，2009．
[2] 李文仲，段朝玉．ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008．
[3] EM916x工控主板數據手冊.http://www.emtronix.com/.
[4] ZigBee無線片上系統CC2430/CC2431中文使用說明手冊. http：//www.c51rf.com.
[5] CLA-3全向振動傳感器簡介與應用.http：//wenku.baidu. com/.
[6] 范逸之，廖錦棋．Visual Basic硬件設計與開發——數據采集卡控制[M]．北京：清華大學出版社，2004．
[7] 周林，殷俠．數據采集與分析技術[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2005．
[8] [美]Edgar H.Callaway,Jr.無線傳感器網絡：體系結構與協議[M]．王永斌，屈曉旭譯.北京：電子工業出版社，2007．