基于CC2420和MMA7260的無線傳感器數據采集系統

摘要：簡要介紹了ZigBee技術協議以及CC2420和MMA7260的性能和特點，設計了一種基于CC2420和MMA7260的無線傳感器數據采集系統，給出了具體的軟、硬件設計方法以及實際測試結果。該系統選用高靈敏度的三軸加速度傳感器芯片MMA7260來采集機構的振動加速度信號，再通過支持ZigBee無線傳輸協議的CC2420把數據發送給接收裝置。
關鍵詞：CC2420；MMA7260；ZigBee；數據采集

0 引言
??? 隨著工業測控系統規模的不斷擴大以及數據采集的多樣性，有線網絡由于安裝盒成本高昂以及使用不便等缺點受到很大的限制，而無線傳感器網絡憑借投資成本低、結構靈活、易于改造、無需布線等優勢，在數據采集領域得到了比較廣泛的應用。ZigBee無線傳輸協議是一種新興的短距離、低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率且低成本的雙向無線網絡通信技術，主要應用于工業控制、傳感數據采集和系統監控等領域。工業中各種機構的振動對機械產品的工作性能有較大影響，機構疲勞損壞容易導致生產過程中事故的發生。因此，采用傳感器來采集振動信號用于分析產品性能和預防事故的發生具有重大意義。

1 ZigBee技術協議簡介
??? 2002年8月ZigBee聯盟成立，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協議標準于2003年5月獲得批準。ZigBee技術的物理層和數據鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問控制子層MAC)協議主要采用IEEE 802．15．4標準，而ZigBee聯盟主要負責網絡層和應用匯聚層的開發，以及制定其安全協議和市場推廣等。ZigBee協議體系架構如圖1所示。

??? ZigBee的名字來源于蜂群賴以生存和發展的通信方式，故又稱為“紫蜂”技術。該協議的拓撲結構包括星形、樹狀和網狀拓撲結構，開發者可以根據不同的應用需求來選擇相應的網絡拓撲結構，從而有效地降低成本，提高系統運行效率。相對于其他無線通信網絡技術，ZigB-ee具有如下特點：
??? ①功耗低。在低功耗待機模式下，2節五號電池可支持長達6個月到2年左右的使用時間。
??? ②數據傳輸速率低，只有10～250 kbps。
??? ③成本低，工作頻段靈活。由于數據傳輸速率低、協議簡單，使用的頻段分布在24 GHz、868 MHz(歐洲)和915 MHz(美國)，均為免執照頻段，大大降低了使用成本。
??? ④時間延遲短。正常通信情況下，時間延遲為l5～3O ms。
??? ⑤安全性高。提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用高級加密標準(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，使用O．18μm的CMOS工藝生產，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SPI接口與微處理器相連，完成寄存器的設置和收發數據的任務。CC2420的選擇性和敏感性指數都超過了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持的最高數據傳輸速率可達250 kbps，可以實現多點對多點的快速組網。
??? 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的低成本微型電容式三軸加速度傳感器。它采用信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，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補償，提供休眠模式，因而是電池供電的無線數據采集的理想之選。該芯片具有如下特性：
??? ◆可選靈敏度，±1．5g／2g／4g／6g；
??? ◆低功耗，工作時電流為500μA，休眠模式下為3μA；
??? ◆低壓運行，工作電壓為2．2～3．6 V；
??? ◆高靈敏度，在1．5g量程下為800 mV／g；
??? ◆低通濾波器具有內部信號調理功能；
??? ◆設計穩定，防震能力強。

3 數據采集系統硬件設計
??? 無線傳感器網絡是集數據采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網絡。傳感器節點負責采集、處理、壓縮數據，并將數據包發送出去。它一般由數據采集單元、數據處理和控制單元、無線通信單元、供電單元和其他附屬單元等組成。其結構框圖如圖2所示。為了實現網絡的硬件基礎架構，將硬件設計分為兩大部分：無線通信模塊和傳感器模塊。無線通信模塊作為節點間的數據傳輸接口，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。無線傳感器網絡節點主要包括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1．5 V的電池供電，并增設電源濾波電容。由于采用統一供電，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光二極管相連，作為入網指示電路，無線網絡通信時指示燈亮。

??? 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，為了節省電量，通過ATmegal6的PA5端口來控制MMA7260是否休眠。當在Sleep引腳上輸入一個低電平信號時，三軸傳感器處于休眠模式。這時的電流只有3μA，傳感器停止數據采集，而當Sleep置高電平時便恢復工作。

4 節點軟件流程及實驗結果
??? AVRStudio是Atmel公司官方發行的免費軟件，具有項目管理、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。本系統的軟件是基于AVRStudio和WinAVR編譯器開發的。上電后系統進行初始化，尋找并連接匹配的接收裝置，待連接成功后入網指示燈亮，并開始采集數據。程序流程如圖5所示。

??? 雖然基于ZigBee技術的數據采集系統從原理上實現起來較為容易，但系統的穩定性、抗干擾性和可靠性決定了該模塊的實用性能。偏心激振器是一種由電機驅動偏心塊產生振動的激振器，在徑向方向產生正弦振動信號。實驗時，把傳感器節點固定在偏心激振器上，以15 Hz頻率振動、100 Hz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地反映實際信號。因為激振器的結構存在差異，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。

5 結語
??? 本文綜合電子芯片傳感技術及ZigBee無線傳輸技術，選用MMA7260、ATmega16以及CC2420等芯片設計的無線傳感器網絡節點，可以用來采集加速度值不超過1．5g的機械振動信號，簡單實用，并且能完成某些工況下有線測量儀器無法完成的數據采集工作。節點間的無線通信采用ZigBee技術協議，克服了普通射頻芯片的缺點，具有良好的通用性和可靠性。該系統適用于短距離、小范圍的基于無線通信的數據采集領域，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據采集系統。