CC2420和MMA7260在無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯CC2420和MMA7260在無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，使壓力傳感器的無線數(shù)據(jù)采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)壓力傳感器更具優(yōu)勢。它可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域（如高溫、嚴(yán)寒、高濕的區(qū)域，受到污染的區(qū)域或環(huán)境被破壞的區(qū)域）和一些臨時(shí)場合等，實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測試，這也是信息時(shí)代測試的必然趨勢。ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。工業(yè)中各種機(jī)構(gòu)的振動對機(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信號用于分析產(chǎn)品性能和預(yù)防事故的發(fā)生具有重大意義。

1ZigBee技術(shù)協(xié)議簡介

2022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。IEEE802.15.4的ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)于2022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IEEE802.15.4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是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，所以它們的通信效率非常高。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低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6~24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)?，F(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的ZigBee提供電源。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10）,降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。

③低速率。ZigBee工作在20~250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

④近距離。傳輸范圍一般介于10~100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km.這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

⑤短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10s、WiFi需要3s.

⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，多可組成65000個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，2.4GHz（）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）.

2CC2420和MMA7260芯片簡介

CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03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、16MHz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IEEE802.15.4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)備支持的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250kbps,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

HFZ-CC2420EM-22ZigBee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四個量程，用戶可在這4個靈敏度中選擇。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2.2~3.6V;

◆高靈敏度，在1.5g量程下為800mV/g;

◆低通濾波器具有內(nèi)部信號調(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)1.5V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800mV/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引腳上輸入一個低電平信號時(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公司發(fā)行的軟件，具有項(xiàng)目管理、AVRAssembler匯編器、AVRProg程序、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)動偏心塊產(chǎn)生振動的激振器，在徑向方向產(chǎn)生正弦振動信號。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把傳感器節(jié)點(diǎn)固定在偏心激振器上，以15Hz頻率振動、100Hz頻率采樣，截取前幾個波形得到X、Y和Z方向的采樣信號，如圖6所示。

從圖中可以看出，X和Y方向是激振器的徑向，振動幅值較大，檢測到的信號能較為真實(shí)地反映實(shí)際信號。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，因此Z方向的信號并不是一條直線。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