一種基于HMC5843和Zigbee的三維姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　摘要：針對傳統(tǒng)的角度測量設備體積龐大，測量精度低，實時性差等問題，介紹了一種空間物體三維姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其使用三軸加速度傳感器監(jiān)測空間物體的橫擺角和俯仰角，使用三軸地磁傳感器，結(jié)合加速度傳感器對其進行修正，監(jiān)測空間物體的滾轉(zhuǎn)角，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)測終端進行數(shù)據(jù)的實時顯示與存儲。測試實驗證明系統(tǒng)具有使用靈活、測量精度高，實時性好等優(yōu)點。

　　角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，廣泛應用于工業(yè)、建筑、軍事、航空、航海以及通訊等各種領域。在經(jīng)濟建設、國防建設和科學技術各部門都離不開角度測量問題，諸如切削刀具的測量，零件有關角度的測量，儀器或機床導軌的檢驗和裝調(diào)，以及天文研究、大地測量、水利、交通建設、導彈和衛(wèi)星的發(fā)射等。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進程的加快，對角度測量技術的要求也越來越高，從傳統(tǒng)的離線、抽監(jiān)測量到現(xiàn)在的在線連續(xù)測量;從人工測量到目前的自動或半自動測量;從指針式按鈕式的機械儀表到后來的數(shù)字式儀表;從純粹的硬件電路測量系統(tǒng)到虛擬系統(tǒng)。但是，傳統(tǒng)的角度測量技術存在設備體積龐大，測量延時大、精度低等缺點，多數(shù)情況下不能實時動態(tài)測量，而且不能實施非接觸式測量，尤其是在不易攜帶的野外以及某些需要大密度測量的場合，傳統(tǒng)的角度測量儀器更是無能為力。

　　近年來，隨著MEMS技術的快速發(fā)展和現(xiàn)代短距離無線通信技術的逐漸成熟，無線傳感器技術得到了飛速發(fā)展。無線傳感器使用方便、部署快捷，非常適合臨時性傳感器網(wǎng)絡，或布線困難環(huán)境惡劣地區(qū)傳感器網(wǎng)絡的布設。而且無線傳感器成本低、功耗少，可大范圍布設，長期使用。

　　因此，將傳感器技術、無線通信技術、網(wǎng)絡技術等多種技術融為一體，構(gòu)建具有環(huán)境適應能力強、布設簡單的無線傳感器網(wǎng)絡成為現(xiàn)實。本系統(tǒng)擬設計一種包括加速度傳感器和地磁的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合基于Zigbee技術的無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對動態(tài)角度的無線精確在線監(jiān)測。

　　1 總體設計

　　空間物體三維姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器、三軸地磁傳感器、中央處理單元、Zigbee無線通信模塊和監(jiān)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(shù)據(jù)的讀取，并通過相關算法計算出三維動態(tài)角度值，包括：橫擺角γ、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)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(jù)右手定則則可以確定y軸方向，繞x軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為滾轉(zhuǎn)角ψ，繞y軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為俯仰角θ，繞z軸方向旋轉(zhuǎn)的角度稱為橫擺角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(jiān)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(jié)合加速度傳感器對其進行修正，監(jiān)測空間物體的滾轉(zhuǎn)角ψ。Zigbee無線通信模塊用于中央處理單元和監(jiān)測終端之間監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的無線傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)測終端進行數(shù)據(jù)的實時顯示與存儲，而監(jiān)測終端也可以通過Zigbee無線通信模塊對各個監(jiān)測裝置進行工作參數(shù)和啟停動作的設置。基于無線傳感器網(wǎng)絡的角度監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端和若干監(jiān)測節(jié)點組成，可以實現(xiàn)同時對多個節(jié)點的監(jiān)測。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　為了實現(xiàn)空間物體三維姿態(tài)的實時、高精度、無線監(jiān)測。我們選擇TI公司的低功耗單片機為監(jiān)測節(jié)點的核心處理器，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(shù)字式磁阻傳感器HMC5843。根據(jù)通信距離，Zigbee無線通信模塊選用TI公司的CC2530。

　　2.1 主控制器

　　監(jiān)測節(jié)點的MCU選擇TI公司的低功耗單片機MSP430F149，其連接簡單外圍電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，用于采集和處理加速度傳感器和地磁傳感器的數(shù)據(jù)，最終通過相關算法，轉(zhuǎn)換成空間物體三維姿態(tài)數(shù)據(jù)。MSP430F149采用16位精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，具有48個通用I/O，2個串行通信模塊，2個定時器模塊。MSP430F149運行速度快，指令周期只有125nS。MSP430F169單片機集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機先進的低功耗設計理念。

　　2.2 Zigbee無線通信模塊

　　Zigbee無線通信模塊選擇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(tǒng)(System On a Chip，SOC)芯片。其內(nèi)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(nèi)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，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(shù)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，通過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(shù)字式磁阻傳感器HMC5843，通過I2C接口和中央處理單元相連接，它與傳統(tǒng)的單軸或雙軸磁阻傳感器相比具有如下優(yōu)勢：可以實現(xiàn)X、Y、Z三軸磁場同時測試，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(tǒng)中所用到芯片需要在3.3 V的電壓下才能穩(wěn)定工作，所以加上了0.5 V穩(wěn)壓管，這樣可以穩(wěn)定輸出3.3 V電壓。