一種基于HMC5843和Zigbee的三維姿態(tài)監測系統設計

　　摘要：針對傳統的角度測量設備體積龐大，測量精度低，實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，介紹了一種空間物體三維姿態(tài)監測系統，其使用三軸加速度傳感器監測空間物體的橫擺角和俯仰角，使用三軸地磁傳感器，結合加速度傳感器對其進(jìn)行修正，監測空間物體的滾轉角，監測數據通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸至監測終端進(jìn)行數據的實(shí)時(shí)顯示與存儲。測試實(shí)驗證明系統具有使用靈活、測量精度高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，廣泛應用于工業(yè)、建筑、軍事、航空、航海以及通訊等各種領(lǐng)域。在經(jīng)濟建設、國防建設和科學(xué)技術(shù)各部門(mén)都離不開(kāi)角度測量問(wèn)題，諸如切削刀具的測量，零件有關(guān)角度的測量，儀器或機床導軌的檢驗和裝調，以及天文研究、大地測量、水利、交通建設、導彈和衛星的發(fā)射等。隨著(zhù)工業(yè)現代化的進(jìn)程的加快，對角度測量技術(shù)的要求也越來(lái)越高，從傳統的離線(xiàn)、抽監測量到現在的在線(xiàn)連續測量;從人工測量到目前的自動(dòng)或半自動(dòng)測量;從指針式按鈕式的機械儀表到后來(lái)的數字式儀表;從純粹的硬件電路測量系統到虛擬系統。但是，傳統的角度測量技術(shù)存在設備體積龐大，測量延時(shí)大、精度低等缺點(diǎn)，多數情況下不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，而且不能實(shí)施非接觸式測量，尤其是在不易攜帶的野外以及某些需要大密度測量的場(chǎng)合，傳統的角度測量?jì)x器更是無(wú)能為力。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)MEMS技術(shù)的快速發(fā)展和現代短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的逐漸成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)得到了飛速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器使用方便、部署快捷，非常適合臨時(shí)性傳感器網(wǎng)絡(luò )，或布線(xiàn)困難環(huán)境惡劣地區傳感器網(wǎng)絡(luò )的布設。而且無(wú)線(xiàn)傳感器成本低、功耗少，可大范圍布設，長(cháng)期使用。

　　因此，將傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等多種技術(shù)融為一體，構建具有環(huán)境適應能力強、布設簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )成為現實(shí)。本系統擬設計一種包括加速度傳感器和地磁的傳感器監測系統，結合基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對動(dòng)態(tài)角度的無(wú)線(xiàn)精確在線(xiàn)監測。

　　1 總體設計

　　空間物體三維姿態(tài)監測系統包括三軸加速度傳感器、三軸地磁傳感器、中央處理單元、Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊和監測終端等裝置，如圖1所示。中央處理單元主要用于各傳感器數據的讀取，并通過(guò)相關(guān)算法計算出三維動(dòng)態(tài)角度值，包括：橫擺角γ、俯仰角θ和滾轉角ψ。選取正北方向為x軸建立坐標系，垂直于水平面方向為z軸，根據右手定則則可以確定y軸方向，繞x軸方向旋轉的角度稱(chēng)為滾轉角ψ，繞y軸方向旋轉的角度稱(chēng)為俯仰角θ，繞z軸方向旋轉的角度稱(chēng)為橫擺角γ。三軸加速度傳感器用于測量空間物體三維加速度值ax、ay、az，完成對空間物體的橫擺角γ和俯仰角θ的監測。三軸地磁傳感器用于測量空間物體三維地磁感應強度分量mx、my、mz，并結合加速度傳感器對其進(jìn)行修正，監測空間物體的滾轉角ψ。Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊用于中央處理單元和監測終端之間監測數據和控制指令的無(wú)線(xiàn)傳輸，監測數據通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸至監測終端進(jìn)行數據的實(shí)時(shí)顯示與存儲，而監測終端也可以通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊對各個(gè)監測裝置進(jìn)行工作參數和啟停動(dòng)作的設置?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的角度監測系統由監測終端和若干監測節點(diǎn)組成，可以實(shí)現同時(shí)對多個(gè)節點(diǎn)的監測。

　　2 系統硬件設計

　　為了實(shí)現空間物體三維姿態(tài)的實(shí)時(shí)、高精度、無(wú)線(xiàn)監測。我們選擇TI公司的低功耗單片機為監測節點(diǎn)的核心處理器，三軸加速度計采用ADI公司生產(chǎn)的ADX1345，地磁傳感器選擇Honeywell公司研制的三軸數字式磁阻傳感器HMC5843。根據通信距離，Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊選用TI公司的CC2530。

　　2.1 主控制器

　　監測節點(diǎn)的MCU選擇TI公司的低功耗單片機MSP430F149，其連接簡(jiǎn)單外圍電路構成最小系統，用于采集和處理加速度傳感器和地磁傳感器的數據，最終通過(guò)相關(guān)算法，轉換成空間物體三維姿態(tài)數據。MSP430F149采用16位精簡(jiǎn)指令系統，集成有16位寄存器和常數發(fā)生器，具有48個(gè)通用I/O，2個(gè)串行通信模塊，2個(gè)定時(shí)器模塊。MSP430F149運行速度快，指令周期只有125nS。MSP430F169單片機集中體現了現代單片機先進(jìn)的低功耗設計理念。

　　2.2 Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇CC2530。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(xié)議的片上系統(System On a Chip，SOC)芯片。其內部集成了高性能射頻(Radio Frequency，RF)收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051 MCU內核、256KB FlashROM(Read-Only Memory)和8KB RAM(Random Access Memory)。具有低功耗，組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，其電路原理圖如圖2所示。

　　2.3 三軸加速度計

　　加速度計采用ADI公司生產(chǎn)的ADXL345，它是一款數字式三軸加速度傳感器，ADXL345最大量程可以達到±16g，靈敏度為39 mg/LSB，其具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)SPI接口和主控制器通信。電路原理圖如圖3所示。

　　2.4 三軸地磁傳感器

　　地磁傳感器選擇Honeywell公司研制的三軸數字式磁阻傳感器HMC5843，通過(guò)I2C接口和中央處理單元相連接，它與傳統的單軸或雙軸磁阻傳感器相比具有如下優(yōu)勢：可以實(shí)現X、Y、Z三軸磁場(chǎng)同時(shí)測試，測量范圍更廣，體積更小，集成度更高。其電路原理圖如圖4所示。

　　2.5 電源電路

　　電源部分為芯片及外圍電路提供電壓，我們選用3.7 V鋰電池為其供電，由于系統中所用到芯片需要在3.3 V的電壓下才能穩定工作，所以加上了0.5 V穩壓管，這樣可以穩定輸出3.3 V電壓。