《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
馬昌訓(xùn) 吳運新 孫科軍
來源:RFID中國網(wǎng)
摘要: 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)中各種機構(gòu)的振動對機械產(chǎn)品的工作性能有較大影響,機構(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。
Abstract:
Key words :

 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受到很大的限制,而傳感器" title="無線傳感器">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)中各種機構(gòu)的振動對機械產(chǎn)品的工作性能有較大影響,機構(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。
  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。IEEE802.15.4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:

 ?、俟牡汀T诘凸拇龣C模式下,2節(jié)五號電池可支持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間。
 ?、跀?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。
 ?、軙r間延遲短。正常通信情況下,時間延遲為l5~3O ms。
 ?、莅踩愿?。提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,采用高級加密標(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,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(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。它采用信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(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(nèi)部信號調(diào)理功能;
  ◆設(shè)計穩(wěn)定,防震能力強。

 3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
  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。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)架構(gòu),將硬件設(shè)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(jié)點間的數(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,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(shù)據(jù)采集,而當(dāng)Sleep置高電平時便恢復(fù)工作。

 4 節(jié)點軟件流程及實驗結(jié)果
  AVRStudio是Atmel公司官方發(fā)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(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用性能。偏心激振器是一種由電機驅(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。實驗時,把傳感器節(jié)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(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MMA7260、ATmega16以及CC2420等芯片設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shù)據(jù)采集工作。節(jié)點間的無線通信采用ZigBee技術(shù)協(xié)議,克服了普通射頻芯片的缺點,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70m,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)。

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