基于无线传感器网络的角度监测系统

摘要：针对传统的角度测量设备体积庞大，测量精度低，实时性差等问题，介绍了一种空间物体三维姿态监测系统，其使用三轴加速度传感器监测空间物体的横摆角和俯仰角，使用三轴地磁传感器，结合加速度传感器对其进行修正，监测空间物体的滚转角，监测数据通过Zigbee无线通信网络传输至监测终端进行数据的实时显示与存储。测试实验证明系统具有使用灵活、测量精度高，实时性好等优点。

角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，广泛应用于工业、建筑、军事、航空、航海以及通讯等各种领域。在经济建设、国防建设和科学技术各部门都离不开角度测量问题，诸如切削刀具的测量，零件有关角度的测量，仪器或机床导轨的检验和装调，以及天文研究、大地测量、水利、交通建设、导弹和卫星的发射等。随着工业现代化的进程的加快，对角度测量技术的要求也越来越高，从传统的离线、抽监测量到现在的在线连续测量;从人工测量到目前的自动或半自动测量;从指针式按钮式的机械仪表到后来的数字式仪表;从纯粹的硬件电路测量系统到虚拟系统。但是，传统的角度测量技术存在设备体积庞大，测量延时大、精度低等缺点，多数情况下不能实时动态测量，而且不能实施非接触式测量，尤其是在不易携带的野外以及某些需要大密度测量的场合，传统的角度测量仪器更是无能为力。

近年来，随着MEMS技术的快速发展和现代短距离无线通信技术的逐渐成熟，无线传感器技术得到了飞速发展。无线传感器使用方便、部署快捷，非常适合临时性传感器网络，或布线困难环境恶劣地区传感器网络的布设。而且无线传感器成本低、功耗少，可大范围布设，长期使用。

因此，将传感器技术、无线通信技术、网络技术等多种技术融为一体，构建具有环境适应能力强、布设简单的无线传感器网络成为现实。本系统拟设计一种包括加速度传感器和地磁的传感器监测系统，结合基于Zigbee技术的无线通信网络，实现对动态角度的无线精确在线监测。

1 总体设计

空间物体三维姿态监测系统包括三轴加速度传感器、三轴地磁传感器、中央处理单元、Zigbee无线通信模块和监测终端等装置，如图1所示。中央处理单元主要用于各传感器数据的读取，并通过相关算法计算出三维动态角度值，包括：横摆角γ、俯仰角θ和滚转角ψ。选取正北方向为x轴建立坐标系，垂直于水平面方向为z轴，根据右手定则则可以确定y轴方向，绕x轴方向旋转的角度称为滚转角ψ，绕y轴方向旋转的角度称为俯仰角θ，绕z轴方向旋转的角度称为横摆角γ。三轴加速度传感器用于测量空间物体三维加速度值ax、ay、az，完成对空间物体的横摆角γ和俯仰角θ的监测。三轴地磁传感器用于测量空间物体三维地磁感应强度分量mx、my、mz，并结合加速度传感器对其进行修正，监测空间物体的滚转角ψ。Zigbee无线通信模块用于中央处理单元和监测终端之间监测数据和控制指令的无线传输，监测数据通过Zigbee无线通信网络传输至监测终端进行数据的实时显示与存储，而监测终端也可以通过Zigbee无线通信模块对各个监测装置进行工作参数和启停动作的设置。基于无线传感器网络的角度监测系统由监测终端和若干监测节点组成，可以实现同时对多个节点的监测。

2 系统硬件设计

为了实现空间物体三维姿态的实时、高精度、无线监测。我们选择TI公司的低功耗单片机MSP430F149为监测节点的核心处理器，三轴加速度计采用ADI公司生产的ADX1345，地磁传感器选择Honeywell公司研制的三轴数字式磁阻传感器HMC5843。根据通信距离，Zigbee无线通信模块选用TI公司的CC2530。

2.1 主控制器

监测节点的MCU选择TI公司的低功耗单片机MSP430F149，其连接简单外围电路构成最小系统，用于采集和处理加速度传感器和地磁传感器的数据，最终通过相关算法，转换成空间物体三维姿态数据。MSP430F149采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，具有48个通用I/O，2个串行通信模块，2个定时器模块。MSP430F149运行速度快，指令周期只有125nS。MSP430F169单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念。

2.2 Zigbee无线通信模块

Zigbee无线通信模块选择CC2530。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(System On a Chip，SOC)芯片。其内部集成了高性能射频(Radio Frequency，RF)收发器、工业标准增强型8051 MCU内核、256KB FlashROM(Read-Only Memory)和8KB RAM(Random Access Memory)。具有低功耗，组网方便等特点，其电路原理图如图2所示。

2.3 三轴加速度计

加速度计采用ADI公司生产的ADXL345，它是一款数字式三轴加速度传感器，ADXL345最大量程可以达到±16g，灵敏度为39 mg/LSB，其具有体积小、重量轻、功耗低等优点，通过SPI接口和主控制器通信。电路原理图如图3所示。

2.4 三轴地磁传感器

地磁传感器选择Honeywell公司研制的三轴数字式磁阻传感器HMC5843，通过I2C接口和中央处理单元相连接，它与传统的单轴或双轴磁阻传感器相比具有如下优势：可以实现X、Y、Z三轴磁场同时测试，测量范围更广，体积更小，集成度更高。其电路原理图如图4所示。

2.5 电源电路

电源部分为芯片及外围电路提供电压，我们选用3.7 V锂电池为其供电，由于系统中所用到芯片需要在3.3 V的电压下才能稳定工作，所以加上了0.5 V稳压管，这样可以稳定输出3.3 V电压。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

系统上电完成初始化后，读取监测终端发送的控制指令，如果为开始工作，则读取三轴加速度传感器测量出的空间物体三维加速度值ax、ay、az，然后进入加速度处理子程序对其进行运算处理，得出空间物体的滚转角ψ、俯仰角θ。继续读取三轴地磁传感器测量出的空间物体三维地磁感应强度分量mx、my、mz，结合加速度传感器对其进行修正，通过地磁处理子程序得出横摆角γ的值。最终通过Zigbee无线通信模块将数据传输至监测终端进行数据的实时显示与存储;如果为工作停止，则停止以上监测数据的采集、处理。系统主程序流程图如图5所示。

3.2 加速度数据处理子程序

滚转角ψ、俯仰角θ和横摆角γ分别是绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，三轴加速度传感器测量出空间物体三维加速度值分别为ax、ay、az，考虑到反正弦函数的值域为

，由三角函数关系可知：

3.3 地磁数据修正子程序

三轴地磁传感器测量出空间物体三维地磁感应强度分量分别为mx、my、mz，在没有外界磁场干扰的情况下，我们近似认为地磁的方向是地理的由南向北水平方向的，由于空间物体在绕轴、轴方向上有倾角，要将其分解到水平面上，结合加速度传感器对三维地磁感应强度分量进行修正，得出在轴方向和轴方向上的地磁感应强度分量m_x和m_y如下：

m—x=mxcosθ-mysinψsinθ-mzcosψsinθ (3)

m_y=mycosψ-mxsinψsinθ-mzsinψcosθ (4)

3.4 地磁数据处理子程序

由地磁数据修正子程序得出的在轴方向和轴方向上的地磁感应强度分量分别为m_x和m_y，考虑到反正弦函数的值域为

，则横摆角的取值如下：

4 结论

本文完成了基于无线传感器网络的角度监测系统的设计，克服了已有监测装置中传感器单一的弊端，满足对空间物体三维姿态的实时、高精度、无线监测的要求。系统使用三轴地磁传感器对水平面内的角速度值进行修正，使用三轴加速度计对垂直面内的角速度值进行修正，从而精确测量空间物体三维姿态。