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(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,。
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(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)：
?、俟牡汀Ｔ诘凸拇龣C(jī)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(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。
?、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(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2．2～3．6 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(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(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)械振動信號,，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),。