CC2420基于Chipcon公司的Smart RF03技术，使用0.18μm的CMOS工艺生产，具有很高的集成度。该芯片具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16 MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4 GHz频段工作；并且提供一个SPI接口与微处理器相连，完成寄存器的设置和收发数据的任务。CC2420的选择性和敏感性指数都超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持的最高数据传输速率可达250 kbps，可以实现多点对多点的快速组网。
HFZ-CC2420EM-22 ZigBee射频模块是采用CC2420射频芯片制成的无线通信模块，支持ZigBee协议栈。该模块集成有天线和CC2420其他的外围器件，可以通过SPI接口直接与8位、16位或32位的MCU相连，使用方便。
MMA7260是飞思卡尔公司生产的低成本微型电容式三轴加速度传感器。它采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，提供±1.5g／2g／4g／6g四个量程，用户可在这4个灵敏度中选择。该器件带有低通滤波并已做0g补偿，提供休眠模式，因而是电池供电的无线数据采集的理想之选。该芯片具有如下特性：
◆可选灵敏度，±1.5g／2g／4g／6g；
◆低功耗，工作时电流为500μA，休眠模式下为3μA；
◆低压运行，工作电压为2.2～3.6 V；
◆高灵敏度，在1.5g量程下为800 mV／g；
◆低通滤波器具有内部信号调理功能；
◆设计稳定，防震能力强。
3 数据采集系统硬件设计
无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。传感器节点负责采集、处理、压缩数据，并将数据包发送出去。它一般由数据采集单元、数据处理和控制单元、无线通信单元、供电单元和其他附属单元等组成。其结构框图如图2所示。为了实现网络的硬件基础架构，将硬件设计分为两大部分：无线通信模块和传感器模块。无线通信模块作为节点间的数据传输接口，主要包括HFZ-CC2420EM-22模块与微处理器ATmega16的接口以及ATmega16的外围电路；而传感器模块主要包括传感器MMA7260的外围电路以及与ATmega16的A／D转换端口的连接。
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无线通信模块的电路原理如图3所示。该电路主要由HFZ-CC2420EM-22和ATmega16组成，具体包括JTAG接口电路、电源及其滤波电路、复位电路、HFZ-CC2420EM-22与ATmega16的连接电路、芯片晶振电路和通信指示电路等几部分。无线传感器网络节点主要包括ATmega16、CC2420和MMA7260三块芯片，综合考虑三者的工作电压，可以采用2节1.5 V的电池供电，并增设电源滤波电容。由于采用统一供电，HFZ-CC2420EM-22与ATmega16可以直接相连，简化了连接电路。JTAG接口电路用于对ATmega16的编程，而PA7端口通过一个限流电阻与发光二极管相连，作为入网指示电路，无线网络通信时指示灯亮。
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传感器模块主要包括MMA7260的外围电路以及MMA7260与ATmega16的A／D转换端口的连接电路及其滤波等，其电路原理如图4所示。由于MMA7260有1.5g／2g／4g／6g几个量程选择，可通过设置GS1、GS2端口的电平来选择不同的量程。为了提高分辨率把GS1、GS2端口都与低电平相连，也就是选择1.5g的量程，其分辨率为800 mV／g。由于采用电池供电，为了节省电量，通过ATmega16的PA5端口来控制MMA7260是否休眠。当在Sleep引脚上输入一个低电平信号时，三轴传感器处于休眠模式。这时的电流只有3μA，传感器停止数据采集，而当Sleep置高电平时便恢复工作。
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4 节点软件流程及实验结果
AVRStudio是Atmel公司官方发行的免费软件，具有项目管理、AVR Assembler汇编器、AVR Prog程序下载、STK500／JTAG编程和第三方C编译器管理等功能。本系统的软件是基于AVRStudio和WinAVR编译器开发的。上电后系统进行初始化，寻找并连接匹配的接收装置，待连接成功后入网指示灯亮，并开始采集数据。程序流程如图5所示。
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虽然基于ZigBee技术的数据采集系统从原理上实现起来较为容易，但系统的稳定性、抗干扰性和可靠性决定了该模块的实用性能。偏心激振器是一种由电机驱动偏心块产生振动的激振器，在径向方向产生正弦振动信号。实验时，把传感器节点固定在偏心激振器上，以15 Hz频率振动、100 Hz频率采样，截取前几个波形得到X、Y和Z方向的采样信号，如图6所示。
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从图中可以看出，X和Y方向是激振器的径向，振动幅值较大，检测到的信号能较为真实地反映实际信号。因为激振器的结构存在差异，在Z方向也存在很小的扰动，因此Z方向的信号并不是一条直线。测试效果较为理想。
结语
本文综合电子芯片传感技术及ZigBee无线传输技术，选用MMA7260、ATmega 16以及CC2420等芯片设计的无线传感器网络节点，可以用来采集加速度值不超过1.5g的机械振动信号，简单实用，并且能完成某些工况下有线测量仪器无法完成的数据采集工作。节点问的无线通信采用ZigBee技术协议，克服了普通射频芯片的缺点，具有良好的通用性和可靠性。该系统适用于短距离、小范围的基于无线通信的数据采集领域，通信距离约为70 m，属于一款低功耗、低成本的无线传感器数据采集系统 |
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