CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：簡要介紹了ZigBee技術(shù)協(xié)議以及CC2420和MMA7260的性能和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了具體的軟、硬件設(shè)計(jì)方法以及實(shí)際測試結(jié)果。該系統(tǒng)選用高靈敏度的三軸加速度傳感器芯片MMA7260來采集機(jī)構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)，再通過支持ZigBee無線傳輸協(xié)議的CC2420把數(shù)據(jù)發(fā)送給接收裝置。
關(guān)鍵詞：CC2420；MMA7260；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

引言
    隨著工業(yè)測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及數(shù)據(jù)采集的多樣性，有線網(wǎng)絡(luò)由于安裝盒成本高昂以及使用不便等缺點(diǎn)受到很大的限制，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借投資成本低、結(jié)構(gòu)靈活、易于改造、無需布線等優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。ZigBee無線傳輸協(xié)議是一種新興的短距離、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率且低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要應(yīng)用于工業(yè)控制、傳感數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)監(jiān)控等領(lǐng)域。工業(yè)中各種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)對機(jī)械產(chǎn)品的工作性能有較大影響，機(jī)構(gòu)疲勞損壞容易導(dǎo)致生產(chǎn)過程中事故的發(fā)生。因此，采用傳感器來采集振動(dòng)信號(hào)用于分析產(chǎn)品性能和預(yù)防事故的發(fā)生具有重大意義。

1 ZigBee技術(shù)協(xié)議簡介
    2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invenys公司、日本三菱電氣公司、美國Motorola公司以及荷蘭Philips公司組成。IEEE 802．15．4的ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)訪問控制子層MAC)協(xié)議主要采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用匯聚層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場推廣等。ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)如圖1所示。

    ZigBee的名字來源于蜂群賴以生存和發(fā)展的通信方式，故又稱為“紫蜂”技術(shù)。該協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)者可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求來選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而有效地降低成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。相對于其他無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigB-ee具有如下特點(diǎn)：
    ①功耗低。在低功耗待機(jī)模式下，2節(jié)五號(hào)電池可支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。
    ②數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有10～250 kbps。
    ③成本低，工作頻段靈活。由于數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單，使用的頻段分布在24 GHz、868 MHz(歐洲)和915 MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段，大大降低了使用成本。
    ④時(shí)間延遲短。正常通信情況下，時(shí)間延遲為l5～3O ms。
    ⑤安全性高。提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的算法，安全性很高。

2 CC2420和MMA7260芯片簡介
    CC2420基于Chipcon公司的Smart RF03技術(shù)，使用O．18μm的CMOS工藝生產(chǎn)，具有很高的集成度。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2．4 GHz頻段工作；并且提供一個(gè)SPI接口與微處理器相連，完成寄存器的設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)的任務(wù)。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)都超過了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250 kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。
    HFZ-CC2420EM-22 ZigBee射頻模塊是采用CC2420射頻芯片制成的無線通信模塊，支持ZigBee協(xié)議棧。該模塊集成有天線和CC2420其他的外圍器件，可以通過SPI接口直接與8位、16位或32位的MCU相連，使用方便。
    MMA7260是飛思卡爾公司生產(chǎn)的低成本微型電容式三軸加速度傳感器。它采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，提供±1．5g ／2g／4g／6g四個(gè)量程，用戶可在這4個(gè)靈敏度中選擇。該器件帶有低通濾波并已做0g補(bǔ)償，提供休眠模式，因而是電池供電的無線數(shù)據(jù)采集的理想之選。該芯片具有如下特性：
    ◆可選靈敏度，±1．5g／2g／4g／6g；
    ◆低功耗，工作時(shí)電流為500μA，休眠模式下為3μA；
    ◆低壓運(yùn)行，工作電壓為2．2～3．6 V；
    ◆高靈敏度，在1．5g量程下為800 mV／g；
    ◆低通濾波器具有內(nèi)部信號(hào)調(diào)理功能；
    ◆設(shè)計(jì)穩(wěn)定，防震能力強(qiáng)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、處理、壓縮數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。它一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理和控制單元、無線通信單元、供電單元和其他附屬單元等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，將硬件設(shè)計(jì)分為兩大部分：無線通信模塊和傳感器模塊。無線通信模塊作為節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸接口，主要包括HFZ-CC2-420EM-22模塊與微處理器ATmegal6的接口以及ATmegal6的外圍電路；而傳感器模塊主要包括傳感器MMA7260的外圍電路以及與ATmegal6的A／D轉(zhuǎn)換端口的連接。

    無線通信模塊的電路原理如圖3所示。該電路主要由HFZ-CC2420EM-22和ATmegal6組成，具體包括JTAG接口電路、電源及其濾波電路、復(fù)位電路、HFZ-CC2420EM-22與ATmegal6的連接電路、芯片晶振電路和通信指示電路等幾部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括ATmegal6、CC2420和MMA7260三塊芯片，綜合考慮三者的工作電壓，可以采用2節(jié)1．5 V的電池供電，并增設(shè)電源濾波電容。由于采用統(tǒng)一供電，HFZ-CC2420EM-22與ATmegal6可以直接相連，簡化了連接電路。JTAG接口電路用于對ATmegal6的編程，而PA7端口通過一個(gè)限流電阻與發(fā)光二極管相連，作為入網(wǎng)指示電路，無線網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)指示燈亮。

    傳感器模塊主要包括MMA7260的外圍電路以及MMA7260與ATmegal6的A／D轉(zhuǎn)換端口的連接電路及其濾波等，其電路原理如圖4所示。由于MMA7260有1．5g／2g／4g／6g幾個(gè)量程選擇，可通過設(shè)置GS1、GS2端口的電平來選擇不同的量程。為了提高分辨率把GS1、GS2端口都與低電平相連，也就是選擇1．5g的量程，其分辨率為800 mV／g。由于采用電池供電，為了節(jié)省電量，通過ATmegal6的PA5端口來控制MMA7260是否休眠。當(dāng)在Sleep引腳上輸入一個(gè)低電平信號(hào)時(shí)，三軸傳感器處于休眠模式。這時(shí)的電流只有3μA，傳感器停止數(shù)據(jù)采集，而當(dāng)Sleep置高電平時(shí)便恢復(fù)工作。

4 節(jié)點(diǎn)軟件流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    AVRStudio是Atmel公司官方發(fā)行的免費(fèi)軟件，具有項(xiàng)目管理、AVR Assembler匯編器、AVR Prog程序下載、STK500／JTAG編程和第三方C編譯器管理等功能。本系統(tǒng)的軟件是基于AVRStudio和WinAVR編譯器開發(fā)的。上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，尋找并連接匹配的接收裝置，待連接成功后入網(wǎng)指示燈亮，并開始采集數(shù)據(jù)。程序流程如圖5所示。

    雖然基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從原理上實(shí)現(xiàn)起來較為容易，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和可靠性決定了該模塊的實(shí)用性能。偏心激振器是一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心塊產(chǎn)生振動(dòng)的激振器，在徑向方向產(chǎn)生正弦振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把傳感器節(jié)點(diǎn)固定在偏心激振器上，以15 Hz頻率振動(dòng)、100 Hz頻率采樣，截取前幾個(gè)波形得到X、Y和Z方向的采樣信號(hào)，如圖6所示。

    從圖中可以看出，X和Y方向是激振器的徑向，振動(dòng)幅值較大，檢測到的信號(hào)能較為真實(shí)地反映實(shí)際信號(hào)。因?yàn)榧ふ衿鞯慕Y(jié)構(gòu)存在差異，在Z方向也存在很小的擾動(dòng)，因此Z方向的信號(hào)并不是一條直線。測試效果較為理想。

結(jié)語
    本文綜合電子芯片傳感技術(shù)及ZigBee無線傳輸技術(shù)，選用MMA7260、ATmega16以及CC2420等芯片設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以用來采集加速度值不超過1．5g的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，簡單實(shí)用，并且能完成某些工況下有線測量儀器無法完成的數(shù)據(jù)采集工作。節(jié)點(diǎn)間的無線通信采用ZigBee技術(shù)協(xié)議，克服了普通射頻芯片的缺點(diǎn)，具有良好的通用性和可靠性。該系統(tǒng)適用于短距離、小范圍的基于無線通信的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，通信距離約為70 m，屬于一款低功耗、低成本的無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。