基于CC2530無線MEMS加速度傳感器設計與驗證

李志瑞+程萬里+杜章永

摘 要：針對傳統加速度傳感器有線、笨重的缺點，基于CC2530和MEMS（微機電技術）設計了無線MEMS加速度傳感器。首先，采用集射頻與控制器于一體的CC2530無線射頻芯片為核心，外加CC2591射頻功放芯片構成無線發射/接收節點；其次，采用MEMS的三軸加速度傳感器KXTF9，通過I2C接口與CC2530進行通信；再次，在IAR集成開發環境下進行無線ZigBee協議棧構建；最后，對所設計的無線MEMS加速度傳感器進行功能驗證。試驗證明：該無線加速度傳感器可實現遠程加速度信號采集，且具有安全可靠的無線通信功能。

關鍵詞：無線；加速度傳感器；CC2530；MEMS；ZigBee協議棧

中圖分類號：TN92.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-000-03

0 引 言

無線傳感器網絡是一種隨無線通信技術、傳感器技術、分布式信息處理技術的發展而建立起來的新興計算機科學技術。主要是針對短距離、低功耗、低速數據傳輸的應用。無線傳感器網絡具有自組織、自維護特征，節點的安裝和維護非常簡便，可以在不增加單個節點成本的同時進行大規模布設。無線傳感器網絡技術在節能、環境監測、工業控制等領域擁有非常巨大的潛力[1，2]。

ZigBee 技術是基于IEEE802.15.4 無線標準研發的一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術。ZigBee 網絡一般由無線傳感采集節點、路由節點和協調器節點組成，其中無線傳感采集節點的數據采集單元和無線RF模塊是硬件設計中的重點[3]。

加速度信號是工程測振中的主要信號，通過一次兩次積分可以非常方便地轉換成速度、位移等量。加速度傳感器廣泛應用在工業控制、航空航天、土木工程結構檢測等[4]。

無線MEMS加速度傳感器具有體積微小、廉價、電池供電、無線通信和自組織等特性。是MEMS加速度傳感器與無線通信技術完美結合起來的創新，它能夠現場采集環境中的加速度信號，并通過無線的方式把采集到的加速度信號傳送到接收節點，從而實現對現場環境中加速度信號的精確測量，具有廣泛的應用前景[5]。

1 無線MEMS加速度傳感器的總體結構

采用模塊化設計思想進行設計[6]，由3軸MEMS加速度傳感器KXTF9、CC2530無線收發芯片、CC2591射頻功放芯片、電源模塊等部分組成。無線MEMS加速度傳感器的模塊圖如圖1所示。

圖1 無線MEMS加速度傳感器的模塊圖

3軸MEMS加速度傳感器KXTF9用于采集X、Y、Z方向的加速度信號；CC2530無線收發芯片內部集成了增強型8051內核對數據進行處理，并進行數據的無線收發；CC2591射頻功放芯片用于增強放大功率，提高傳輸距離；電源模塊給各單元模塊提供電源，保證正常工作。

2 無線MEMS加速度傳感器的設計構成

2.1 硬件設計

KXTF9 是一款高性能、低功耗、3 軸數字I2C加速傳感器，具有集成方向、單叩擊/雙叩擊、運動監測和檢測算法。KXTF9采集X、Y、Z方向上的加速度，內部集成電荷功放、A/D轉換、數字濾波等，通過I2C總線將數據傳送給處理單元[7]。KXTF9的硬件電路連接圖如圖2所示。

圖2 KXTF9的硬件電路連接圖

CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議的片上系統芯片，其內部集成了高性能射頻RF收發器、工業標準增強型8051MCU內核等，廣泛應用在無線通信領域[8]。

CC2591是高性價比和高性能的2.4 GHz RF前端，集成了開關、匹配網絡和平衡/不平衡電路、電感、功率放大器 （PA）以及低噪音放大器（LNA）等，與TI公司的CC2530配合使用，實現對低噪聲放大器和功率放大器外部數字開關信號控制[9]。CC2591的電路組成結構框圖如圖3所示。

圖3 CC2591電路組成結構框圖

電源電路采用2節干電池進行供電，通過穩壓芯片得到各芯片所需電壓。綜合各模塊電路，所設計的硬件電路如圖4所示，由CC2530和CC2591共同構成，天線采用巴倫天線的模式進行設計構成。

2.2 軟件設計

在硬件設計的基礎上，進行了軟件系統的設計。本系統的軟件設計主要由無線MEMS加速度傳感器節點的嵌入式程序和PC機的上位機程序組成。

節點的嵌入式程序是在TI公司802.15.4MAC協議的基礎上設計的，可以實現建立網絡、加入網絡、加速度采集、數據無線傳輸、串口發送等功能。

傳感器節點上電后，系統進行初始化。節點接通電源開始工作后，首先監聽信道，廣播查詢網絡協調器的請求。根據協調器的請求進行數據采集，把采集到的數據打包發送給協調器節點，完成加速度數據的采集。

嵌入式程序在IAR集成編程環境下完成，IAR軟件是一種非常有效的嵌入式系統開發工具，可以很方便地對802.15.4MAC協議棧進行設計[10]。程序編程界面如圖5所示。

圖5 IAR集成編程界面圖

上位機軟件采用Labview進行設計，利用計算機的串口與協調器節點相連，協調器節點可以把采集到的數據通過串口發送到計算機中。進行實時顯示、幅頻轉換，也可以把數據存儲起來進行后續的數據分析處理。上位機Labview程序主要由VISA串口配置模塊、加速度數據處理模塊、圖形顯示模塊和數據存儲模塊組成[11]。

3 試驗及結果分析

無線MEMS加速度傳感器節點設計完成后，需進行系統集成聯調測試其性能，看是否符合各方面的設計指標要求。

首先進行系統組網實驗，采用星型網絡拓撲結構，由一個協調器節點與計算機相連作為中心節點，2個協調器節點采集加速度數據作為星型節點[12]。工作流程如下：上電后無線MEMS加速度傳感器首先進行初始化，進入無線采集加速度數據狀態；中心節點完成參數設定，發送采集數據命令；無線MEMS加速度傳感器采集加速度數據并把數據打包，通過無線發送給中心節點，完成加速度數據的采集任務。

為驗證所設計的無線MEMS加速度傳感器能很好地采集加速度數據，并進行可靠傳輸，在標準水平振動臺shake table Ⅲ上進行水平加速度采集實驗。無線MEMS加速度傳感器水平方向布置在振動臺的中心位置處，與中心節點進行無線通信，采集水平方向的加速度信號。實驗系統組成如圖6所示。

圖6 加速度測試實驗系統組成框圖

用振動控制儀分別產生振動頻率為0.1 Hz、0.5 Hz，振幅為0.03 m的水平振動來模擬加速度信號，利用無線MEMS加速度傳感器采集加速度信號，對采集到的加速度數據進行Matlab處理，分析其時域與頻域特性，可以驗證無線MEMS加速度傳感器的數據準確性和可靠性。所得的時域與頻域波形圖如圖7所示。

（a） 0.1 Hz時域分析

（b） 0.1 Hz頻域分析

（c） 0.5 Hz時域分析

（d） 0.5 Hz頻域分析

圖7 時域與頻域波形圖

通過對0.1 Hz、0.5 Hz的時域與頻域比較可以看出無線MEMS加速度傳感器具有很高的可靠性，能夠很好地采集加速度振動信號，具有很高的靈敏度。

4 結 語

本文基于CC2530和三軸MEMS加速度傳感器KXTF9設計了一款無線、方便、快捷、高效的無線MEMS加速度傳感器，對其硬件與軟件設計進行介紹，并進行系統組網測試與加速度采集驗證。通過研究，結果表明：所設計的無線MEMS加速度傳感器能可靠的采集加速度數據并進行無線傳輸，適宜應用在對振動等加速度信號采集領域，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] Ian F.A， Weilian S， Yogesh S， et al. A survey on sensor networks [J]. IEEE Communications Magazine， 2002， 40（8）：102-114.

[2]崔莉， 鞠海玲， 苗勇， 等. 無線傳感器網絡研究進展[J]. 計算機研究與發展， 2005， 42（1）： 163-174.

[3] Baronti P， Pillai P， Chook V W C， et al. Wireless sensor networks： A survey on the state of the art and the 802.15. 4 and ZigBee standards[J]. Computer communications， 2007， 30（7）： 1655-1695.

[4]喻言，李志瑞，王潔，等.海洋平臺檢測的無線低頻振動傳感器設計與驗證[J].大連理工大學學報，2012，52（6）：896-901.

[5] Yan Yu， Jinping Ou， Jun Zhang， et al. Development of wireless MEMS inclination sensor system for swing monitoring of large scale hook structures [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56（4）：1072-1078.

[6]高英明，金仁成，王立鼎，等.嵌入式無線傳感器網絡節點設計與通信研究[J].大連理工大學學報，2008，48（5）：749-753.

[7] Kionix.KXTF9 Product Summary [R/OL]. http：//www.kionix.com/accelerometers/kxtf9

[8] Texas Instruments.CC253X User's Guide[R/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[9] Texas Instruments.CC2591 2.4-GHz RF Front End[R/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2591.pdf

[10]李志瑞，喻言，周雷，等.無線低頻振動檢測系統的研制與實驗研究[J].物聯網技術，2011，1（4）：37-40.

[11]高守緯，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[12]徐健，楊珊珊.基于CC2530的ZigBee協調器節點設計[J].物聯網技術，2012，2（5）：55-57.