隨著無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，使壓力傳感器的無線數(shù)據(jù)采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)壓力傳感器更具優(yōu)勢。它可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域（如高溫、嚴(yán)寒、高濕的區(qū)域，受到污染的區(qū)域或環(huán)境被破壞的區(qū)域）和一些臨時場合等，實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測試，這也是信息時代測試的必然趨勢。ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。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是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。相對于其他無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigB-ee具有如下特點：

　　①低功耗。在低耗電待機模式下，2 節(jié)5 號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較， 藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。現(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點。該節(jié)點采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機給TI公司的ZigBee提供電源。

　　②低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10） ,降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議費。每塊芯片的價格大約為2 美元。

　　③ 低速率。ZigBee工作在20~250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps（2.4GHz）、40kbps （915 MHz）和20kbps（868 MHz） 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

　　④近距離。傳輸范圍一般介于10~100 m 之間，在增加RF 發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km.這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　　⑤短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10 s、WiFi 需要3 s.

　　⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，多一個主節(jié)點可管理254 個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。

　　⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL） 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128） 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　　⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ ISM） 頻段，2. 4 GHz （） 、915 MHz（美國） 和868 MHz（歐洲） .

　　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公司發(fā)行的軟件，具有項目管理、AVR Assembler匯編器、AVRProg程序、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)。