基于zigbee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　論文關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集　ZigBee　CC2430　C8051F020</p><p>　　論文摘要：以C8051F020和射頻芯片CC2430為核心設(shè)計(jì)了低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，文章介紹了ZigBee技術(shù)、并給出了基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成，最后通過使用CC2430芯片完成了采集節(jié)點(diǎn)、主控單

2、元的硬件與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用最廣的技術(shù)之一,企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、溫度、壓力、流量的變化?，F(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多采用預(yù)先布線，通過有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,主要存在的問題有：擴(kuò)展性較差、布線繁瑣、不方便對(duì)移動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，不能進(jìn)行臨時(shí)數(shù)據(jù)采集。為此本文介紹了如何利用射頻芯片CC2430與C8051F020實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p

3、><p>　　1. ZigBee簡(jiǎn)介</p><p>　　ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線協(xié)議，主要應(yīng)用于低速率，低功耗設(shè)備的組網(wǎng)，支持250kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有省電、可靠、低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全。 </p><p>　　完整的ZigBee協(xié)議棧由層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層

4、、安全層和應(yīng)用層組成。IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議, 網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定,應(yīng)用層根據(jù)用戶自己需要,對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用。無線通信技術(shù)上,采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式避免了無線電載波之間沖突。此外,為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。</p><p>　　ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備,其發(fā)射輸出功率為03.6dBm,通信距離為30～70m,

5、具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力,根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果,設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率,在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下,最低限度地消耗設(shè)備能量。在組網(wǎng)性能上,ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。在每一個(gè)ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中,連接地址碼分為16bit短地址碼或者64bit長(zhǎng)地址碼,具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量[1,2，3]。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p>

6、<p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心控制單元采用先進(jìn)的C8051F020嵌入式單片機(jī)作為核心部件,通過CC2430與采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果在LCD液晶屏上顯示，也可利用RS-485通信接口與上位機(jī)通信。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要是將捕捉的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后,變成數(shù)字信號(hào)傳給微處理器,并無線發(fā)送數(shù)據(jù)，主控單元的主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p>

7、<p>　　采集節(jié)點(diǎn) 主控單元</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　為實(shí)現(xiàn)ZIGBEE通信，選用CC2430為通信處理核心器件。CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee無線單片機(jī)系列芯片。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集

8、成了加強(qiáng)型8051單片機(jī)、它具有2/64/128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，以及ADC、看門狗等。CC2430可工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓(2.0～3.6 V)供電，待機(jī)時(shí)電流消耗僅0.2μA，但靈敏度高達(dá)-91dBm、最大輸出為+0.6dBm、最大傳送速率為250 kbps。CC2430僅需添加少量的外圍元件就可以完成ZIGBEE通信功能的硬件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　C8051F020是C

9、ygnal公司推出的基于CIP—51內(nèi)核的SOC芯片，在硬件設(shè)計(jì)上它采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到1個(gè)，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。具有64個(gè)I/O引腳,每個(gè)端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，可以滿足本系統(tǒng)IO口需要。該芯片除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)之外，片內(nèi)還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設(shè)及功能部件，如模擬多路開關(guān)、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、看門狗定時(shí)器等,支持

10、在系統(tǒng)編程和調(diào)試等，本系統(tǒng)主控單元由C8051F020與CC2430共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示，電路參見下圖。</p><p>　　圖2 CC2430電路原理圖</p><p><b>　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)使用星形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)配置一個(gè)

11、協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，在星形網(wǎng)絡(luò)中所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信，為實(shí)現(xiàn)這一功能，協(xié)調(diào)器必須知道每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，這就需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表存儲(chǔ)起來，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時(shí)依據(jù)地址表來采集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。IEEE802.15.4MAC數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度為127字節(jié)，每個(gè)數(shù)據(jù)都由頭字節(jié)和16CRC值組成，在數(shù)據(jù)傳輸中使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳傳輸機(jī)制，設(shè)置ACK標(biāo)志位為1的幀會(huì)被接收器應(yīng)答，

12、如果在一定期限內(nèi)未收到應(yīng)答，則證明采集節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤。主控單元CC2430軟件流程圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 CC2430軟件流程圖</p><p>　　當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的第1個(gè)標(biāo)識(shí)字符來判斷是傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址還是傳感器采集的數(shù)據(jù)。若是傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址，則把該網(wǎng)絡(luò)地址存儲(chǔ)在地址表里；若是傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，則把該數(shù)據(jù)處理后上傳到C0851F020,待把整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域

13、的傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)做融合，并把最終結(jié)果在LCD上顯示。當(dāng)用戶通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送通信請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)將有效數(shù)據(jù)通過通過串口發(fā)給上位機(jī)，用戶通過上位機(jī)可以完成數(shù)據(jù)的收集、圖表繪制、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等工作。</p><p><b>　　5. 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　通過軟硬聯(lián)調(diào),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與顯示，通過串口可以將

14、數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及路由效果良好,在短距離內(nèi),星形網(wǎng)絡(luò)的連接通暢,各節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間能實(shí)現(xiàn)通信.缺點(diǎn)是未能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須以主控器為中心，不利于動(dòng)態(tài)使用。</p><p>　　本項(xiàng)目完成了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和底層硬件的具體實(shí)現(xiàn),并達(dá)到了預(yù)期要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等性能都滿足實(shí)際需求。該系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行相應(yīng)傳感器的擴(kuò)充

15、以完成特定數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[2]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[3] ZigBee Specification Document 053474r13 [Z].

16、ZigBee Standards Organization, 2006.</p><p>　　[4] CC2430 Datasheet [Z]. Texas Instruments Incorporated, 2007.</p><p>　　[5] 童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C編程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.</p><p>　　[6]

17、 DIGN Gang, SAHINOGLU Z, ORLIK P, et al. Tree-based data broadcast in IEEE 802·15·4 and ZigBee networks. IEEE Trans on Mobile Computing, 2006, 5(11): 1561-1574.</p><p>　　[7] 李小珉,趙志宏,郭志.ZigBee無線傳感器網(wǎng)