基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對傳統(tǒng)的角度測量設(shè)備體積龐大，測量精度低，實(shí)時(shí)性差等問題，介紹了一種空間物體三維姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其使用三軸加速度傳感器監(jiān)測空間物體的橫擺角和俯仰角，使用三軸地磁傳感器，結(jié)合加速度傳感器對其進(jìn)行修正，監(jiān)測空間物體的滾轉(zhuǎn)角，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲。測試實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)具有使用靈活、測量精度高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

角度測量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、軍事、航空、航海以及通訊等各種領(lǐng)域。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)各部門都離不開角度測量問題，諸如切削刀具的測量，零件有關(guān)角度的測量，儀器或機(jī)床導(dǎo)軌的檢驗(yàn)和裝調(diào)，以及天文研究、大地測量、水利、交通建設(shè)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的發(fā)射等。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程的加快，對角度測量技術(shù)的要求也越來越高，從傳統(tǒng)的離線、抽監(jiān)測量到現(xiàn)在的在線連續(xù)測量;從人工測量到目前的自動(dòng)或半自動(dòng)測量;從指針式按鈕式的機(jī)械儀表到后來的數(shù)字式儀表;從純粹的硬件電路測量系統(tǒng)到虛擬系統(tǒng)。但是，傳統(tǒng)的角度測量技術(shù)存在設(shè)備體積龐大，測量延時(shí)大、精度低等缺點(diǎn)，多數(shù)情況下不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，而且不能實(shí)施非接觸式測量，尤其是在不易攜帶的野外以及某些需要大密度測量的場合，傳統(tǒng)的角度測量儀器更是無能為力。

近年來，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)代短距離無線通信技術(shù)的逐漸成熟，無線傳感器技術(shù)得到了飛速發(fā)展。無線傳感器使用方便、部署快捷，非常適合臨時(shí)性傳感器網(wǎng)絡(luò)，或布線困難環(huán)境惡劣地區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)。而且無線傳感器成本低、功耗少，可大范圍布設(shè)，長期使用。

因此，將傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)融為一體，構(gòu)建具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、布設(shè)簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)一種包括加速度傳感器和地磁的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合基于Zigbee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)角度的無線精確在線監(jiān)測。

1 總體設(shè)計(jì)

空間物體三維姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器、三軸地磁傳感器、中央處理單元、Zigbee無線通信模塊和監(jiān)測終端等裝置，如圖1所示。中央處理單元主要用于各傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并通過相關(guān)算法計(jì)算出三維動(dòng)態(tài)角度值，包括：橫擺角γ、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角ψ。選取正北方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系，垂直于水平面方向?yàn)閦軸，根據(jù)右手定則則可以確定y軸方向，繞x軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為滾轉(zhuǎn)角ψ，繞y軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為俯仰角θ，繞z軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為橫擺角γ。三軸加速度傳感器用于測量空間物體三維加速度值ax、ay、az，完成對空間物體的橫擺角γ和俯仰角θ的監(jiān)測。三軸地磁傳感器用于測量空間物體三維地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量mx、my、mz，并結(jié)合加速度傳感器對其進(jìn)行修正，監(jiān)測空間物體的滾轉(zhuǎn)角ψ。Zigbee無線通信模塊用于中央處理單元和監(jiān)測終端之間監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的無線傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲，而監(jiān)測終端也可以通過Zigbee無線通信模塊對各個(gè)監(jiān)測裝置進(jìn)行工作參數(shù)和啟停動(dòng)作的設(shè)置。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端和若干監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)空間物體三維姿態(tài)的實(shí)時(shí)、高精度、無線監(jiān)測。我們選擇TI公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的核心處理器，三軸加速度計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的ADX1345，地磁傳感器選擇Honeywell公司研制的三軸數(shù)字式磁阻傳感器HMC5843。根據(jù)通信距離，Zigbee無線通信模塊選用TI公司的CC2530。

2.1 主控制器

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的MCU選擇TI公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149，其連接簡單外圍電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，用于采集和處理加速度傳感器和地磁傳感器的數(shù)據(jù)，最終通過相關(guān)算法，轉(zhuǎn)換成空間物體三維姿態(tài)數(shù)據(jù)。MSP430F149采用16位精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，具有48個(gè)通用I/O，2個(gè)串行通信模塊，2個(gè)定時(shí)器模塊。MSP430F149運(yùn)行速度快，指令周期只有125nS。MSP430F169單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念。

2.2 Zigbee無線通信模塊

Zigbee無線通信模塊選擇CC2530。CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(System On a Chip，SOC)芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻(Radio Frequency，RF)收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核、256KB FlashROM(Read-Only Memory)和8KB RAM(Random Access Memory)。具有低功耗，組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，其電路原理圖如圖2所示。

2.3 三軸加速度計(jì)

加速度計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的ADXL345，它是一款數(shù)字式三軸加速度傳感器，ADXL345最大量程可以達(dá)到±16g，靈敏度為39 mg/LSB，其具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，通過SPI接口和主控制器通信。電路原理圖如圖3所示。

2.4 三軸地磁傳感器

地磁傳感器選擇Honeywell公司研制的三軸數(shù)字式磁阻傳感器HMC5843，通過I2C接口和中央處理單元相連接，它與傳統(tǒng)的單軸或雙軸磁阻傳感器相比具有如下優(yōu)勢：可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸磁場同時(shí)測試，測量范圍更廣，體積更小，集成度更高。其電路原理圖如圖4所示。

2.5 電源電路

電源部分為芯片及外圍電路提供電壓，我們選用3.7 V鋰電池為其供電，由于系統(tǒng)中所用到芯片需要在3.3 V的電壓下才能穩(wěn)定工作，所以加上了0.5 V穩(wěn)壓管，這樣可以穩(wěn)定輸出3.3 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電完成初始化后，讀取監(jiān)測終端發(fā)送的控制指令，如果為開始工作，則讀取三軸加速度傳感器測量出的空間物體三維加速度值ax、ay、az，然后進(jìn)入加速度處理子程序?qū)ζ溥M(jìn)行運(yùn)算處理，得出空間物體的滾轉(zhuǎn)角ψ、俯仰角θ。繼續(xù)讀取三軸地磁傳感器測量出的空間物體三維地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量mx、my、mz，結(jié)合加速度傳感器對其進(jìn)行修正，通過地磁處理子程序得出橫擺角γ的值。最終通過Zigbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲;如果為工作停止，則停止以上監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3.2 加速度數(shù)據(jù)處理子程序

滾轉(zhuǎn)角ψ、俯仰角θ和橫擺角γ分別是繞x軸、y軸和z軸的旋轉(zhuǎn)角度，三軸加速度傳感器測量出空間物體三維加速度值分別為ax、ay、az，考慮到反正弦函數(shù)的值域?yàn)?/p>

，由三角函數(shù)關(guān)系可知：

3.3 地磁數(shù)據(jù)修正子程序

三軸地磁傳感器測量出空間物體三維地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分別為mx、my、mz，在沒有外界磁場干擾的情況下，我們近似認(rèn)為地磁的方向是地理的由南向北水平方向的，由于空間物體在繞軸、軸方向上有傾角，要將其分解到水平面上，結(jié)合加速度傳感器對三維地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量進(jìn)行修正，得出在軸方向和軸方向上的地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量m_x和m_y如下：

m—x=mxcosθ-mysinψsinθ-mzcosψsinθ (3)

m_y=mycosψ-mxsinψsinθ-mzsinψcosθ (4)

3.4 地磁數(shù)據(jù)處理子程序

由地磁數(shù)據(jù)修正子程序得出的在軸方向和軸方向上的地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分別為m_x和m_y，考慮到反正弦函數(shù)的值域?yàn)?/p>

，則橫擺角的取值如下：

4 結(jié)論

本文完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的角度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了已有監(jiān)測裝置中傳感器單一的弊端，滿足對空間物體三維姿態(tài)的實(shí)時(shí)、高精度、無線監(jiān)測的要求。系統(tǒng)使用三軸地磁傳感器對水平面內(nèi)的角速度值進(jìn)行修正，使用三軸加速度計(jì)對垂直面內(nèi)的角速度值進(jìn)行修正，從而精確測量空間物體三維姿態(tài)。