CC2420和MMA7260的无线传感器数据采集系统

摘要：简要介绍了ZigBee技术协议以及CC2420和MMA7260的性能和特点，设计了一种基于CC2420和MMA7260的无线传感器数据采集系统，给出了具体的软、硬件设计方法以及实际测试结果。该系统选用高灵敏度的三轴加速度传感器芯片MMA7260来采集机构的振动加速度信号，再通过支持ZigBee无线传输协议的CC2420把数据发送给接收装置。
关键词：CC2420；MMA7260；ZigBee；数据采集

引言
    随着工业测控系统规模的不断扩大以及数据采集的多样性，有线网络由于安装盒成本高昂以及使用不便等缺点受到很大的限制，而无线传感器网络凭借投资成本低、结构灵活、易于改造、无需布线等优势，在数据采集领域得到了比较广泛的应用。ZigBee无线传输协议是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、低数据传输速率且低成本的双向无线网络通信技术，主要应用于工业控制、传感数据采集和系统监控等领域。工业中各种机构的振动对机械产品的工作性能有较大影响，机构疲劳损坏容易导致生产过程中事故的发生。因此，采用传感器来采集振动信号用于分析产品性能和预防事故的发生具有重大意义。

1 ZigBee技术协议简介
    2002年8月ZigBee联盟成立，由英国Invenys公司、日本三菱电气公司、美国Motorola公司以及荷兰Philips公司组成。IEEE 802．15．4的ZigBee协议标准于2003年5月获得批准。ZigBee技术的物理层和数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC)协议主要采用IEEE 802．15．4标准，而ZigBee联盟主要负责网络层和应用汇聚层的开发，以及制定其安全协议和市场推广等。ZigBee协议体系架构如图1所示。

    ZigBee的名字来源于蜂群赖以生存和发展的通信方式，故又称为“紫蜂”技术。该协议的拓扑结构包括星形、树状和网状拓扑结构，开发者可以根据不同的应用需求来选择相应的网络拓扑结构，从而有效地降低成本，提高系统运行效率。相对于其他无线通信网络技术，ZigB-ee具有如下特点：
    ①功耗低。在低功耗待机模式下，2节五号电池可支持长达6个月到2年左右的使用时间。
    ②数据传输速率低，只有10～250 kbps。
    ③成本低，工作频段灵活。由于数据传输速率低、协议简单，使用的频段分布在24 GHz、868 MHz(欧洲)和915 MHz(美国)，均为免执照频段，大大降低了使用成本。
    ④时间延迟短。正常通信情况下，时间延迟为l5～3O ms。
    ⑤安全性高。提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用高级加密标准(AES-128)的算法，安全性很高。

2 CC2420和MMA7260芯片简介
    CC2420基于Chipcon公司的Smart RF03技术，使用O．18μm的CMOS工艺生产，具有很高的集成度。该芯片具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16 MHz晶振等非常少的外围电路就能在2．4 GHz频段工作；并且提供一个SPI接口与微处理器相连，完成寄存器的设置和收发数据的任务。CC2420的选择性和敏感性指数都超过了IEEE 802．15．4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持的最高数据传输速率可达250 kbps，可以实现多点对多点的快速组网。
    HFZ-CC2420EM-22 ZigBee射频模块是采用CC2420射频芯片制成的无线通信模块，支持ZigBee协议栈。该模块集成有天线和CC2420其他的外围器件，可以通过SPI接口直接与8位、16位或32位的MCU相连，使用方便。
    MMA7260是飞思卡尔公司生产的低成本微型电容式三轴加速度传感器。它采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，提供±1．5g ／2g／4g／6g四个量程，用户可在这4个灵敏度中选择。该器件带有低通滤波并已做0g补偿，提供休眠模式，因而是电池供电的无线数据采集的理想之选。该芯片具有如下特性：
    ◆可选灵敏度，±1．5g／2g／4g／6g；
    ◆低功耗，工作时电流为500μA，休眠模式下为3μA；
    ◆低压运行，工作电压为2．2～3．6 V；
    ◆高灵敏度，在1．5g量程下为800 mV／g；
    ◆低通滤波器具有内部信号调理功能；
    ◆设计稳定，防震能力强。

3 数据采集系统硬件设计
    无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。传感器节点负责采集、处理、压缩数据，并将数据包发送出去。它一般由数据采集单元、数据处理和控制单元、无线通信单元、供电单元和其他附属单元等组成。其结构框图如图2所示。为了实现网络的硬件基础架构，将硬件设计分为两大部分：无线通信模块和传感器模块。无线通信模块作为节点间的数据传输接口，主要包括HFZ-CC2-420EM-22模块与微处理器ATmegal6的接口以及ATmegal6的外围电路；而传感器模块主要包括传感器MMA7260的外围电路以及与ATmegal6的A／D转换端口的连接。

    无线通信模块的电路原理如图3所示。该电路主要由HFZ-CC2420EM-22和ATmegal6组成，具体包括JTAG接口电路、电源及其滤波电路、复位电路、HFZ-CC2420EM-22与ATmegal6的连接电路、芯片晶振电路和通信指示电路等几部分。无线传感器网络节点主要包括ATmegal6、CC2420和MMA7260三块芯片，综合考虑三者的工作电压，可以采用2节1．5 V的电池供电，并增设电源滤波电容。由于采用统一供电，HFZ-CC2420EM-22与ATmegal6可以直接相连，简化了连接电路。JTAG接口电路用于对ATmegal6的编程，而PA7端口通过一个限流电阻与发光二极管相连，作为入网指示电路，无线网络通信时指示灯亮。

    传感器模块主要包括MMA7260的外围电路以及MMA7260与ATmegal6的A／D转换端口的连接电路及其滤波等，其电路原理如图4所示。由于MMA7260有1．5g／2g／4g／6g几个量程选择，可通过设置GS1、GS2端口的电平来选择不同的量程。为了提高分辨率把GS1、GS2端口都与低电平相连，也就是选择1．5g的量程，其分辨率为800 mV／g。由于采用电池供电，为了节省电量，通过ATmegal6的PA5端口来控制MMA7260是否休眠。当在Sleep引脚上输入一个低电平信号时，三轴传感器处于休眠模式。这时的电流只有3μA，传感器停止数据采集，而当Sleep置高电平时便恢复工作。

4 节点软件流程及实验结果
    AVRStudio是Atmel公司官方发行的免费软件，具有项目管理、AVR Assembler汇编器、AVR Prog程序下载、STK500／JTAG编程和第三方C编译器管理等功能。本系统的软件是基于AVRStudio和WinAVR编译器开发的。上电后系统进行初始化，寻找并连接匹配的接收装置，待连接成功后入网指示灯亮，并开始采集数据。程序流程如图5所示。

    虽然基于ZigBee技术的数据采集系统从原理上实现起来较为容易，但系统的稳定性、抗干扰性和可靠性决定了该模块的实用性能。偏心激振器是一种由电机驱动偏心块产生振动的激振器，在径向方向产生正弦振动信号。实验时，把传感器节点固定在偏心激振器上，以15 Hz频率振动、100 Hz频率采样，截取前几个波形得到X、Y和Z方向的采样信号，如图6所示。

    从图中可以看出，X和Y方向是激振器的径向，振动幅值较大，检测到的信号能较为真实地反映实际信号。因为激振器的结构存在差异，在Z方向也存在很小的扰动，因此Z方向的信号并不是一条直线。测试效果较为理想。

结语
    本文综合电子芯片传感技术及ZigBee无线传输技术，选用MMA7260、ATmega16以及CC2420等芯片设计的无线传感器网络节点，可以用来采集加速度值不超过1．5g的机械振动信号，简单实用，并且能完成某些工况下有线测量仪器无法完成的数据采集工作。节点间的无线通信采用ZigBee技术协议，克服了普通射频芯片的缺点，具有良好的通用性和可靠性。该系统适用于短距离、小范围的基于无线通信的数据采集领域，通信距离约为70 m，属于一款低功耗、低成本的无线传感器数据采集系统。