基于CC2530无线MEMS加速度传感器设计与验证

李志瑞+程万里+杜章永

摘 要：针对传统加速度传感器有线、笨重的缺点，基于CC2530和MEMS（微机电技术）设计了无线MEMS加速度传感器。首先，采用集射频与控制器于一体的CC2530无线射频芯片为核心，外加CC2591射频功放芯片构成无线发射/接收节点；其次，采用MEMS的三轴加速度传感器KXTF9，通过I2C接口与CC2530进行通信；再次，在IAR集成开发环境下进行无线ZigBee协议栈构建；最后，对所设计的无线MEMS加速度传感器进行功能验证。试验证明：该无线加速度传感器可实现远程加速度信号采集，且具有安全可靠的无线通信功能。

关键词：无线；加速度传感器；CC2530；MEMS；ZigBee协议栈

中图分类号：TN92.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-000-03

0 引 言

无线传感器网络是一种随无线通信技术、传感器技术、分布式信息处理技术的发展而建立起来的新兴计算机科学技术。主要是针对短距离、低功耗、低速数据传输的应用。无线传感器网络具有自组织、自维护特征，节点的安装和维护非常简便，可以在不增加单个节点成本的同时进行大规模布设。无线传感器网络技术在节能、环境监测、工业控制等领域拥有非常巨大的潜力[1，2]。

ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 无线标准研发的一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。ZigBee 网络一般由无线传感采集节点、路由节点和协调器节点组成，其中无线传感采集节点的数据采集单元和无线RF模块是硬件设计中的重点[3]。

加速度信号是工程测振中的主要信号，通过一次两次积分可以非常方便地转换成速度、位移等量。加速度传感器广泛应用在工业控制、航空航天、土木工程结构检测等[4]。

无线MEMS加速度传感器具有体积微小、廉价、电池供电、无线通信和自组织等特性。是MEMS加速度传感器与无线通信技术完美结合起来的创新，它能够现场采集环境中的加速度信号，并通过无线的方式把采集到的加速度信号传送到接收节点，从而实现对现场环境中加速度信号的精确测量，具有广泛的应用前景[5]。

1 无线MEMS加速度传感器的总体结构

采用模块化设计思想进行设计[6]，由3轴MEMS加速度传感器KXTF9、CC2530无线收发芯片、CC2591射频功放芯片、电源模块等部分组成。无线MEMS加速度传感器的模块图如图1所示。

图1 无线MEMS加速度传感器的模块图

3轴MEMS加速度传感器KXTF9用于采集X、Y、Z方向的加速度信号；CC2530无线收发芯片内部集成了增强型8051内核对数据进行处理，并进行数据的无线收发；CC2591射频功放芯片用于增强放大功率，提高传输距离；电源模块给各单元模块提供电源，保证正常工作。

2 无线MEMS加速度传感器的设计构成

2.1 硬件设计

KXTF9 是一款高性能、低功耗、3 轴数字I2C加速传感器，具有集成方向、单叩击/双叩击、运动监测和检测算法。KXTF9采集X、Y、Z方向上的加速度，内部集成电荷功放、A/D转换、数字滤波等，通过I2C总线将数据传送给处理单元[7]。KXTF9的硬件电路连接图如图2所示。

图2 KXTF9的硬件电路连接图

CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议的片上系统芯片，其内部集成了高性能射频RF收发器、工业标准增强型8051MCU内核等，广泛应用在无线通信领域[8]。

CC2591是高性价比和高性能的2.4 GHz RF前端，集成了开关、匹配网络和平衡/不平衡电路、电感、功率放大器 （PA）以及低噪音放大器（LNA）等，与TI公司的CC2530配合使用，实现对低噪声放大器和功率放大器外部数字开关信号控制[9]。CC2591的电路组成结构框图如图3所示。

图3 CC2591电路组成结构框图

电源电路采用2节干电池进行供电，通过稳压芯片得到各芯片所需电压。综合各模块电路，所设计的硬件电路如图4所示，由CC2530和CC2591共同构成，天线采用巴伦天线的模式进行设计构成。

2.2 软件设计

在硬件设计的基础上，进行了软件系统的设计。本系统的软件设计主要由无线MEMS加速度传感器节点的嵌入式程序和PC机的上位机程序组成。

节点的嵌入式程序是在TI公司802.15.4MAC协议的基础上设计的，可以实现建立网络、加入网络、加速度采集、数据无线传输、串口发送等功能。

传感器节点上电后，系统进行初始化。节点接通电源开始工作后，首先监听信道，广播查询网络协调器的请求。根据协调器的请求进行数据采集，把采集到的数据打包发送给协调器节点，完成加速度数据的采集。

嵌入式程序在IAR集成编程环境下完成，IAR软件是一种非常有效的嵌入式系统开发工具，可以很方便地对802.15.4MAC协议栈进行设计[10]。程序编程界面如图5所示。

图5 IAR集成编程界面图

上位机软件采用Labview进行设计，利用计算机的串口与协调器节点相连，协调器节点可以把采集到的数据通过串口发送到计算机中。进行实时显示、幅频转换，也可以把数据存储起来进行后续的数据分析处理。上位机Labview程序主要由VISA串口配置模块、加速度数据处理模块、图形显示模块和数据存储模块组成[11]。

3 试验及结果分析

无线MEMS加速度传感器节点设计完成后，需进行系统集成联调测试其性能，看是否符合各方面的设计指标要求。

首先进行系统组网实验，采用星型网络拓扑结构，由一个协调器节点与计算机相连作为中心节点，2个协调器节点采集加速度数据作为星型节点[12]。工作流程如下：上电后无线MEMS加速度传感器首先进行初始化，进入无线采集加速度数据状态；中心节点完成参数设定，发送采集数据命令；无线MEMS加速度传感器采集加速度数据并把数据打包，通过无线发送给中心节点，完成加速度数据的采集任务。

为验证所设计的无线MEMS加速度传感器能很好地采集加速度数据，并进行可靠传输，在标准水平振动台shake table Ⅲ上进行水平加速度采集实验。无线MEMS加速度传感器水平方向布置在振动台的中心位置处，与中心节点进行无线通信，采集水平方向的加速度信号。实验系统组成如图6所示。

图6 加速度测试实验系统组成框图

用振动控制仪分别产生振动频率为0.1 Hz、0.5 Hz，振幅为0.03 m的水平振动来模拟加速度信号，利用无线MEMS加速度传感器采集加速度信号，对采集到的加速度数据进行Matlab处理，分析其时域与频域特性，可以验证无线MEMS加速度传感器的数据准确性和可靠性。所得的时域与频域波形图如图7所示。

（a） 0.1 Hz时域分析

（b） 0.1 Hz频域分析

（c） 0.5 Hz时域分析

（d） 0.5 Hz频域分析

图7 时域与频域波形图

通过对0.1 Hz、0.5 Hz的时域与频域比较可以看出无线MEMS加速度传感器具有很高的可靠性，能够很好地采集加速度振动信号，具有很高的灵敏度。

4 结 语

本文基于CC2530和三轴MEMS加速度传感器KXTF9设计了一款无线、方便、快捷、高效的无线MEMS加速度传感器，对其硬件与软件设计进行介绍，并进行系统组网测试与加速度采集验证。通过研究，结果表明：所设计的无线MEMS加速度传感器能可靠的采集加速度数据并进行无线传输，适宜应用在对振动等加速度信号采集领域，具有广阔的应用前景。

参考文献

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[4]喻言，李志瑞，王洁，等.海洋平台检测的无线低频振动传感器设计与验证[J].大连理工大学学报，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.嵌入式无线传感器网络节点设计与通信研究[J].大连理工大学学报，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.无线低频振动检测系统的研制与实验研究[J].物联网技术，2011，1（4）：37-40.

[11]高守纬，吴灿阳.ZigBee技术实践教程：基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[12]徐健，杨珊珊.基于CC2530的ZigBee协调器节点设计[J].物联网技术，2012，2（5）：55-57.