基于無線傳感器網絡的角度監測系統

摘要：針對傳統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行修正，監測空間物體的滾轉角，監測數據通過Zigbee無線通信網絡傳輸至監測終端進行數據的實時顯示與存儲。測試實驗證明系統具有使用靈活、測量精度高，實時性好等優點。

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、建筑、軍事、航空、航海以及通訊等各種領域。在經濟建設、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，以及天文研究、大地測量、水利、交通建設、導彈和衛星的發射等。隨著工業現代化的進程的加快，對角度測量技術的要求也越來越高，從傳統的離線、抽監測量到現在的在線連續測量;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存在設備體積龐大，測量延時大、精度低等缺點，多數情況下不能實時動態測量，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技術的快速發展和現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絡，或布線困難環境惡劣地區傳感器網絡的布設。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、網絡技術等多種技術融為一體，構建具有環境適應能力強、布設簡單的無線傳感器網絡成為現實。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技術的無線通信網絡，實現對動態角度的無線精確在線監測。

1 總體設計

空間物體三維姿態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無線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，并通過相關算法計算出三維動態角度值，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為滾轉角ψ，繞y軸方向旋轉的角度稱為俯仰角θ，繞z軸方向旋轉的角度稱為橫擺角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行修正，監測空間物體的滾轉角ψ。Zigbee無線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線傳輸，監測數據通過Zigbee無線通信網絡傳輸至監測終端進行數據的實時顯示與存儲，而監測終端也可以通過Zigbee無線通信模塊對各個監測裝置進行工作參數和啟停動作的設置。基于無線傳感器網絡的角度監測系統由監測終端和若干監測節點組成，可以實現同時對多個節點的監測。

2 系統硬件設計

為了實現空間物體三維姿態的實時、高精度、無線監測。我們選擇TI公司的低功耗單片機MSP430F149為監測節點的核心處理器，三軸加速度計采用ADI公司生產的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無線通信模塊選用TI公司的CC2530。

2.1 主控制器

監測節點的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，最終通過相關算法，轉換成空間物體三維姿態數據。MSP430F149采用16位精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，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單片機集中體現了現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)收發器、工業標準增強型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，它與傳統的單軸或雙軸磁阻傳感器相比具有如下優勢：可以實現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。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

系統上電完成初始化后，讀取監測終端發送的控制指令，如果為開始工作，則讀取三軸加速度傳感器測量出的空間物體三維加速度值ax、ay、az，然后進入加速度處理子程序對其進行運算處理，得出空間物體的滾轉角ψ、俯仰角θ。繼續讀取三軸地磁傳感器測量出的空間物體三維地磁感應強度分量mx、my、mz，結合加速度傳感器對其進行修正，通過地磁處理子程序得出橫擺角γ的值。最終通過Zigbee無線通信模塊將數據傳輸至監測終端進行數據的實時顯示與存儲;如果為工作停止，則停止以上監測數據的采集、處理。系統主程序流程圖如圖5所示。

3.2 加速度數據處理子程序

滾轉角ψ、俯仰角θ和橫擺角γ分別是繞x軸、y軸和z軸的旋轉角度，三軸加速度傳感器測量出空間物體三維加速度值分別為ax、ay、az，考慮到反正弦函數的值域為

，由三角函數關系可知：

3.3 地磁數據修正子程序

三軸地磁傳感器測量出空間物體三維地磁感應強度分量分別為mx、my、mz，在沒有外界磁場干擾的情況下，我們近似認為地磁的方向是地理的由南向北水平方向的，由于空間物體在繞軸、軸方向上有傾角，要將其分解到水平面上，結合加速度傳感器對三維地磁感應強度分量進行修正，得出在軸方向和軸方向上的地磁感應強度分量m_x和m_y如下：

m—x=mxcosθ-mysinψsinθ-mzcosψsinθ (3)

m_y=mycosψ-mxsinψsinθ-mzsinψcosθ (4)

3.4 地磁數據處理子程序

由地磁數據修正子程序得出的在軸方向和軸方向上的地磁感應強度分量分別為m_x和m_y，考慮到反正弦函數的值域為

，則橫擺角的取值如下：

4 結論

本文完成了基于無線傳感器網絡的角度監測系統的設計，克服了已有監測裝置中傳感器單一的弊端，滿足對空間物體三維姿態的實時、高精度、無線監測的要求。系統使用三軸地磁傳感器對水平面內的角速度值進行修正，使用三軸加速度計對垂直面內的角速度值進行修正，從而精確測量空間物體三維姿態。