CC2420和MMA7260的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：簡(jiǎn)要介紹了ZigBee技術(shù)協(xié)議以及CC2420和MMA7260的性能和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于CC2420和MMA7260的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了具體的軟、硬件設(shè)計(jì)方法以及實(shí)際測(cè)試結(jié)果。該系統(tǒng)選用高靈敏度的三軸加速度傳感器芯片MMA7260來(lái)采集機(jī)構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)，再通過(guò)支持ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議的CC2420把數(shù)據(jù)發(fā)送給接收裝置。
關(guān)鍵詞：CC2420；MMA7260；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

引言
隨著工業(yè)測(cè)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，而無(wú)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(wú)需布線等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。ZigBee無(wú)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(wú)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(dòng)對(duì)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(guò)程中事故的發(fā)生。因此，采用傳感器來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)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(jiǎn)介
2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國(guó)Invenys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)Motorola公司以及荷蘭Philips公司組成。IEEE 802．15．4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(wèn)控制子層MAC)協(xié)議主要采用IEEE 802．15．4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(kāi)發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等。ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)如圖1所示。

ZigBee的名字來(lái)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(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求來(lái)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(duì)于其他無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigB-ee具有如下特點(diǎn)：
①功耗低。在低功耗待機(jī)模式下，2節(jié)五號(hào)電池可支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)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(jiǎn)單，使用的頻段分布在24 GHz、868 MHz(歐洲)和915 MHz(美國(guó))，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。
⑤安全性高。提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的算法，安全性很高。

2 CC2420和MMA7260芯片簡(jiǎn)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(gè)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(guò)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(kāi)發(fā)的無(wú)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(duì)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(wú)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(guò)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(hào)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(gè)量程，用戶可在這4個(gè)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(wú)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(hào)調(diào)理功能；
◆設(shè)計(jì)穩(wěn)定，防震能力強(qiáng)。