【正文】 另外，為了減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的負載，振動信號經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖FIFO之后，還需要通過SPI接口傳遞給主處理器AT91SAM9260，進行信號處理及特征提取等操作。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 338所示。由于本課題的應(yīng)用中，現(xiàn)場服務(wù)器負責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲和管理，并接受各個客戶端的訪問。因此，AT+i指令模式最多支持10臺PC同時通過互聯(lián)網(wǎng)與Secure iWiFi進行連接。在非SerialNET 模式下，Secure iWiFi可以通過AT+i指令進行配置和操作。為了實現(xiàn)多點遠程訪問和控制，可專門建立一臺服務(wù)器，向下與Secure iWiFi進行透明傳輸，向上提供遠程服務(wù)。作為客戶端時，服務(wù)器（HSRV）是預(yù)先設(shè)定好的，只能支持同時與一個服務(wù)器進行自動連接；作為服務(wù)器時，偵聽端口（LPRT）也是預(yù)先設(shè)定好的，只能支持同時與一個客戶端進行自動連接。這樣的話可以最小程度的減少對主機程序的更改，實現(xiàn)即插即用（plugandplay）。一種為即插即用的透明傳輸模式，易于應(yīng)用，但只支持一對一的連接；另一種模式需要利用AT指令進行操作，靈活性較強，最多可建立10個連接，2個監(jiān)聽端口，但較為繁瑣。提供了一個安全的SSL3/TLSI Socket，支持10個主動TCP/UDP Socket，2個偵聽Socket；1個帶兩個網(wǎng)站的Web服務(wù)器、SMTP和POP3客戶端、MIME附件、FTP和Telnet客戶端、和SerialNET模式的 “串口IP” 網(wǎng)橋。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換是通過串口轉(zhuǎn)WiFi設(shè)備來實現(xiàn)的，本系統(tǒng)選用了Boc公司的設(shè)備Secure iWiFi來實現(xiàn)這一功能，實物如圖 337所示。雖然WiFi相對ZigBee能耗較高，且不支持多跳傳輸，但其數(shù)據(jù)帶寬較高[37]。另外，如果終端設(shè)備是便攜式的，并且可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動，它可以作為多個路由器設(shè)備的子節(jié)點。CC2480的網(wǎng)絡(luò)最大深度限制為6，即從協(xié)調(diào)器到網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備的跳數(shù)最多為6。所以一旦知道某設(shè)備的短地址就可以計算出它的設(shè)備類型和它的父設(shè)備地址。則路由器地址計算公式如下：…………………式（313）終端地址計算公式如下：……………………式（314）假設(shè)有一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)，最大深度為3，每個父親的最大孩子數(shù)是5，在孩子當(dāng)中路由器最大數(shù)量是3。位于深度的某父親設(shè)備的路由器子設(shè)備之間的地址間隔可根據(jù)以下公式計算得出[37]：……………式（312）該公式用于計算位于深度的父親設(shè)備所分配的子路由器之間的短地址間隔。在路由器和終端加入網(wǎng)絡(luò)以后，使用父設(shè)備給它分配的16位的短地址來通信。一旦設(shè)備已分配到一個地址，它將應(yīng)予以保留，除非它收到其地址與另一個設(shè)備沖突的聲明。隨機分配機制是指地址隨機選擇。同時，這三個棧參數(shù)也確定了網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)[36]。在局域網(wǎng)內(nèi)一般采用短地址，這樣既可以縮小數(shù)據(jù)包的大小，同時還可以縮短數(shù)據(jù)在設(shè)備之間的傳送時間，從而減小電量消耗。主機處理器現(xiàn)在可以發(fā)出命令執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、綁定和發(fā)送接收數(shù)據(jù)包。登記應(yīng)用程序之后，主處理器發(fā)出ZB_START_REQUEST命令來啟動CC2480設(shè)備的ZigBee協(xié)議棧。前者用于登記使用簡API接口的應(yīng)用程序。配置CC2480設(shè)備之后，主處理器應(yīng)該登記其應(yīng)用程序，然后開始運行ZigBee協(xié)議棧。l 設(shè)置ZCD_NV_STARTUP_OPTION為0x01，復(fù)位CC2480l 接收SYS_RESET_IND主處理器必須知道CC2480設(shè)備的狀態(tài)及其配置，以便于它可以正確運行。l 接收SYS_RESET_INDl 設(shè)置ZCD_NV_STARTUP_OPTION為0x00如果CC2480設(shè)備已經(jīng)在一個網(wǎng)絡(luò)中運行，主機希望清除它的狀態(tài)，而且有可能配置一些參數(shù)，并進入一個新的網(wǎng)絡(luò)。下面描述了一些常用的配置順序。CC2480上電之后，主處理器應(yīng)該根據(jù)其應(yīng)用程序的需要來配置它。如果CC2480設(shè)備被配置為一個終端設(shè)備（并且使用SPI 傳輸），在主處理器從CC2480中檢索到SYS_RESET_IND信息之后，它將自動進入低功耗狀態(tài)。當(dāng)使用SPI傳輸時，CC2480將設(shè)置SRDY為低電平，以表示信息可以使用，主處理器應(yīng)該檢索該信息。4 、主處理器設(shè)置CC2480的RESET_N引腳為高電平，CC2480開始運行。2 、主處理器設(shè)置可選的CC2480 的CFG0和CFG1引腳。8 、主處理器讀到SRDY為高電平，設(shè)置MRDY為高電平。6 、主處理器等待SRDY變?yōu)楦唠娖健? 、主處理器傳送數(shù)據(jù)，直到這一幀結(jié)束。2 、CC2480接收到MRDY的下降沿之后，設(shè)置SRDY為低電平，準備接收數(shù)據(jù)。圖 335顯示了主處理器發(fā)送給CC2480 的AREQ 命令。11 、CC2480 發(fā)送數(shù)據(jù)直到這一幀結(jié)束。9 、主處理器讀到SRDY 為高電平時，開始接收數(shù)據(jù)。7 、CC2480 處理SREQ 命令，并執(zhí)行功能。5 、CC2480 接收數(shù)據(jù)，直到這一幀結(jié)束。3 、主處理器讀到SRDY 為低電平之后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。圖 334 SREQ命令時序圖Fig 334 Timing diagram of SREQ mand下面是發(fā)生在主處理器和CC2480 的一系列事件：1 、主處理器要發(fā)送一個SREQ 幀，首先要設(shè)置MRDY 為低電平，等待SRDY 變?yōu)榈碗娖健?0 、主處理器接收完整的一幀后，設(shè)置MRDY 為高電平。8 、主處理器接收數(shù)據(jù)，直到這一幀接收結(jié)束。當(dāng)準備傳送時設(shè)置SRDY 為高電平。5 、主處理器等待SRDY 變?yōu)楦唠娖健? 、主處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一幀發(fā)送結(jié)束。2 、主處理器檢測到SRDY 為低電平，設(shè)置MRDY 為低電平。圖 333顯示了主處理器發(fā)送給CC2480 的POLL 命令，用于檢索隊列數(shù)據(jù)。當(dāng)在一個SPI POLL或SREQ傳輸期間設(shè)置為高電平，表示CC2480準備發(fā)送數(shù)據(jù)。SRDY表示從設(shè)備準備好，當(dāng)CC2480準備接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，設(shè)置這個信號。在SPI事務(wù)處理和電源管理中需要用到MRDY和SRDY兩個信號。數(shù)據(jù)：幀的數(shù)據(jù)。ID映射到一個特定的接口信息。子系統(tǒng)：命令的子系統(tǒng)。SRSP 的長度一般不為零，因此長度等于0 的SRSP 命令用于表示一個錯誤。這類命令僅用于響應(yīng)一個SREQ命令。例如，無返回值的一個回調(diào)事件或函數(shù)調(diào)用將使用AREQ命令。例如，一個有返回值的函數(shù)調(diào)用將使用SREQ命令。對于POLL命令，子系統(tǒng)和ID應(yīng)設(shè)置為0，數(shù)據(jù)長度是0。命令：幀的命令，命令字段的具體格式如表 35所示。主處理器與CC2480之間的SPI通信采用的通用幀格式如表 34所示，上述應(yīng)用程序命令接口均采用這種幀格式。AF接口允許主處理器把它的應(yīng)用程序登記到CC2480，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。l 簡單API接口：提供了簡單的ZigBee接口，可用于快速創(chuàng)建簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，包括配置設(shè)備，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，綁定以及傳輸數(shù)據(jù)。CC2480在該接口之上可用的功能有NV存儲器，GPIO，ADC，軟件定時器和硬件隨機數(shù)發(fā)生器。其結(jié)構(gòu)如圖 332所示：應(yīng)用層 Application遠程過程調(diào)用RPC硬件提取層Hardware Abstraction Layer圖 332 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig 332 Software structure本設(shè)計中主處理器與ZigBee處理器CC2480之間采用SPI接口通信。圖 331 ZigBee模塊Fig 331 ZigBee module ZigBee模塊軟件設(shè)計軟件設(shè)計由底層向上主要分為三層。需要注意的問題如下：l CC2480和CC2591的接地焊盤上分別對稱分布9個和5個直徑為14mil的過孔；l 采用4層板設(shè)計，頂層用于布信號線，開放區(qū)域覆銅，并通過若干過孔與地相連；l 接地的管腳通過獨立的過孔與地相連，過孔與管腳的距離應(yīng)盡可能??；l 去耦電容也應(yīng)該與供電管腳保持盡可能小的距離，另一端通過獨立的過孔與地連接；l 外部器件應(yīng)盡可能的?。ㄍ扑]0402封裝），必須使用表貼器件；l 強烈建議嚴格遵守參考的布線設(shè)計，以達到最佳的性能。l SS：SPI從設(shè)備選擇，SCK：SPI時鐘，MISO：SPI從設(shè)備輸出，MOSI：SPI從設(shè)備輸入。l RESET_N：復(fù)位，低電平有效。l MRDY/SRDY：主/從設(shè)備準備好，用于SPI傳輸時的電源管理和事務(wù)控制。若想改變傳輸模式，在硬件上只需將上述管腳連接到主處理器的UART相關(guān)管腳即可。 RF前端CC2591的原理圖連接如圖 329所示。l 低傳輸電流消耗(100mA at 3V for 20dBm Out, PAE = 33%)l 可將接收機靈敏度提高＋6 dB。CC2591的主要特點如下[33]：l 集成了功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、平衡轉(zhuǎn)換器 (balun)、交換機（Switches）、電感器和 RF 匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching Network）等。另外，為了擴大ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，需要提高發(fā)射功率和接收靈敏度。l 非易失性參數(shù)：這個軟件接口允許主處理器存儲和訪問CC2480非易失性內(nèi)存中的4個2字節(jié)參數(shù)和2個16字節(jié)參數(shù)。內(nèi)置溫度傳感器和電池監(jiān)測器，數(shù)值可以通過ADC接口讀取。l ADC輸入：CC2480有一個自身的12位ADC和2個ADC輸入引腳（A0和A1）。l 配置：該接口包括CC2480的CFG0和CFG1引腳，用于選擇SPI或UART傳輸，以及選擇是否安裝32KHz的晶振。l 復(fù)位：主處理器可以通過RESET_N引腳復(fù)位CC2480。l 電源管理：由SRDY和MRDY兩個信號組成，分別表示從設(shè)備準備好和主設(shè)備準備好，用于電源管理狀態(tài)和喚醒休眠設(shè)備的通信。圖 328 主處理器與CC2480通信示意圖Fig 328 A host processor interfacing with CC2480SPI或UART物理接口用于這兩個處理器之間的通信。它是整個無線傳感器節(jié)點的主控制器，所有模塊在它的控制下有條不紊的工作，不僅包括信號的采集、處理，還包括數(shù)據(jù)的無線傳送、接收以及對命令的響應(yīng)等。ZigBee處理器CC2480可與任何帶有SPI或UART接口的微處理器協(xié)同工作。178。l 電源支持178。178。l 無線技術(shù)178。l 可以成為任何類型的ZigBee設(shè)備：協(xié)調(diào)器，路由器或者終端設(shè)備。l 為應(yīng)用MCU提供SPI或UART接口。ZAccel使ZigBee容易地添加到一個新的或已有產(chǎn)品中，同時也為微處理器的選擇提供了極大的靈活性。ZAccel是一個解決方案，此方案中TI的ZigBee協(xié)議棧運行于ZigBee處理器，應(yīng)用程序運行于外部微處理器。 ZigBee模塊硬件設(shè)計本課題為了縮短開發(fā)流程，并使ZigBee模塊更加靈活的應(yīng)用于現(xiàn)有設(shè)備，采用了TI的ZigBee處理器CC2480進行ZigBee模塊的設(shè)計。在MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案方面，TI采用的是CC2420/CC2520 RF收發(fā)器和超低功耗MCU MSP430。TI的ZStack軟件ZigBee2006協(xié)議棧可在ZigBee處理器上運行，而應(yīng)用程序則在外部MCU上運行。CC2430包含8KB RAM內(nèi)存和外圍模塊，并有364或128KB內(nèi)置閃存等三種不同組件可供選擇，方便設(shè)計人員在復(fù)雜性與成本之間做出最佳選擇[31]。圖 327 TI的ZigBee解決方案Fig 327 TI plete ZigBee SolutionTI的單芯片方案CC2431/CC2430在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，CC2431還帶硬件定位引擎。在主要的Zigbee芯片提供商中，F(xiàn)reescale、Ember、Jennic可以提供單芯片方案，Atmel、Microchip等其它廠商大都提供MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案，德州儀器(TI)的Zigbee產(chǎn)品線覆蓋了以上三種方案。雖然這三種方案具有各自的優(yōu)勢，比如：外置MCU+收發(fā)器方案靈活性高，單芯片解決方案占用空間最小且開發(fā)容易，ZigBee協(xié)處理器+MCU方案靈活性高且能縮短產(chǎn)品上市時間，但單芯片方案是主要廠商的主推方案，也是重要的發(fā)展趨勢。并且，由于其低功耗、短時延的優(yōu)良特性，使得系統(tǒng)運營的成本降低，效率也得到明顯的提高。在各個機泵上分別布置安裝由ZigBee收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和若干傳感器共同組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，則在協(xié)調(diào)器與各個機泵之間便能夠組成一個基于ZigBee協(xié)議的多跳的自組織、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 326所示。在各個機泵之間采用ZigBee技術(shù)，借助其網(wǎng)狀拓撲的特點，形成低功耗、短時延的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個工業(yè)現(xiàn)場。若經(jīng)過判斷與識別，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無異常狀態(tài)則發(fā)送特征參數(shù)到現(xiàn)場服務(wù)器，否則發(fā)送波形數(shù)據(jù)到現(xiàn)場服務(wù)器，以便服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行進一步的診斷分析。用C語言編寫特征參數(shù)提取和故障判斷識別的程序，運行于ARM9處理器AT91SAM9260中。但不同情況下這些特征參數(shù)的診斷能力卻不盡相同，因此為了提高故障診斷的準確率，應(yīng)該將這些特征參數(shù)分別賦予不同的權(quán)重進行組合分析?；贓MD的波形特征參數(shù)分析法是將原始信號進行EMD算法處理，分解得到內(nèi)模函數(shù)（IMF）分量，對IMF分量進行Hilbert變換，得到能量波形以及瞬時頻率波形，進行相應(yīng)的波形特征參數(shù)分析，最后獲取故障診斷的特征參數(shù)。直至剩余的不能再分解。2）判斷是否滿足IMF條件，如果不滿足，則對其重復(fù)上述過程，直到第次的是本征模態(tài)函數(shù)，即，為從原始數(shù)據(jù)中提取出來的第一個本征模態(tài)函數(shù)，代表信號的最高頻率成分。在任意時刻，每個本征模態(tài)函數(shù)都會存在唯一的非負頻率成分。本征模態(tài)函數(shù)必須滿足的條件：1）在整個數(shù)據(jù)長度，極值點和過零點的數(shù)目必須相等或至多相差一個；2）在任意數(shù)據(jù)點，由局部極大值點構(gòu)成的包絡(luò)線和局部極小值點構(gòu)成的包絡(luò)線的平均值必須為零。EMD分析法基于兩個假設(shè)[27]：1）任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)