CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據采集系統(tǒng)

摘要：簡要介紹了ZigBee技術協(xié)議以及CC2420和MMA7260的性能和特點，設計了一種基于CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據采集系統(tǒng)，給出了具體的軟、硬件設計方法以及實際測試結果。該系統(tǒng)選用高靈敏度的三軸加速度傳感器芯片MMA7260來采集機構的振動加速度信號，再通過支持ZigBee無線傳輸協(xié)議的CC2420把數(shù)據發(fā)送給接收裝置。
關鍵詞：CC2420；MMA7260；ZigBee；數(shù)據采集

引言
隨著工業(yè)測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及數(shù)據采集的多樣性，有線網絡由于安裝盒成本高昂以及使用不便等缺點受到很大的限制，而無線傳感器網絡憑借投資成本低、結構靈活、易于改造、無需布線等優(yōu)勢，在數(shù)據采集領域得到了比較廣泛的應用。ZigBee無線傳輸協(xié)議是一種新興的短距離、低功耗、低復雜度、低數(shù)據傳輸速率且低成本的雙向無線網絡通信技術，主要應用于工業(yè)控制、傳感數(shù)據采集和系統(tǒng)監(jiān)控等領域。工業(yè)中各種機構的振動對機械產品的工作性能有較大影響，機構疲勞損壞容易導致生產過程中事故的發(fā)生。因此，采用傳感器來采集振動信號用于分析產品性能和預防事故的發(fā)生具有重大意義。

1 ZigBee技術協(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。IEEE 802．15．4的ZigBee協(xié)議標準于2003年5月獲得批準。ZigBee技術的物理層和數(shù)據鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問控制子層MAC)協(xié)議主要采用IEEE 802．15．4標準，而ZigBee聯(lián)盟主要負責網絡層和應用匯聚層的開發(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。該協(xié)議的拓撲結構包括星形、樹狀和網狀拓撲結構，開發(fā)者可以根據不同的應用需求來選擇相應的網絡拓撲結構，從而有效地降低成本，提高系統(tǒng)運行效率。相對于其他無線通信網絡技術，ZigB-ee具有如下特點：
①功耗低。在低功耗待機模式下，2節(jié)五號電池可支持長達6個月到2年左右的使用時間。
②數(shù)據傳輸速率低，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時間延遲短。正常通信情況下，時間延遲為l5～3O ms。
⑤安全性高。提供了數(shù)據完整性檢查和鑒權功能，采用高級加密標準(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，使用O．18μm的CMOS工藝生產，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，完成寄存器的設置和收發(fā)數(shù)據的任務。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)都超過了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持的最高數(shù)據傳輸速率可達250 kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網。
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的低成本微型電容式三軸加速度傳感器。它采用信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，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；
◆低通濾波器具有內部信號調理功能；
◆設計穩(wěn)定，防震能力強。